真空镀膜技术的问题与解答
真空镀膜技术的问题与解答
在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发(或溅射），使其沉积在被涂覆的物体(称基片、基板或基体）上的方法称为真空镀膜法。下面将简介真空镀膜技术的主要问题与解答。
一、镀膜技术可区分为哪几类？
可区分为：(1)真空蒸镀；(2)电镀；(3)化学反应；(4)热处理；(5)物理或机械处理。
二、常用的真空泵浦有哪几种？适用的抽气范围为？
真空泵浦可分为：
(1)机械泵浦；(2)扩散泵浦；(3)涡轮泵浦；(4)吸附泵浦；(5)吸着泵浦。
真空泵浦抽气范围:
泵浦 抽 气 范 围
机 械 泵 浦 10-1~10-4毫巴
扩 散 泵 浦 10-3~10-6毫巴
涡 轮 泵 浦 10-3~10-9毫巴
吸 附 泵 浦 10-3~10-4毫巴
吸 着 泵 浦 10-4~10-10毫巴
(1)溅浆沉积：溅镀是利用高速的离子撞击固体靶材，使表面分子溅离并射到基材镀成一层薄膜，溅射离子的起始动能约在100eV。常用的电浆气体为氩气，质量适当而且没有化学反应。
(2)电浆辅助化沉积：气相化学沉积的化学反应是在高温基材上进行，如此才能使气体前置物获得足够的能量反应。
(3)电浆聚合：聚合物或塑料薄膜简单的披覆技术就是将其溶剂中，然后涂布于基板上。电浆聚合涂布法系将分子单体激发成电浆，经化学反应后形成致密的聚合体并披覆在基板上，由于基材受到电浆的撞击，其附着性也很强。
(4)电浆蚀刻：湿式碱性蚀刻，这是简单而且便宜的方法，它的缺点是碱性蚀刻具晶面方向性，而且会产生下蚀的问题。
(5)电浆喷覆：在高温下运转的金属组件须要有陶瓷物披覆，以防止高温腐蚀的发生。
四、蒸镀的加热方式包括哪几种？各具有何特点？
（1）电阻加热；(2)感应加热；(3)电子束加热；(4)雷射加热；(5)电弧加热。
各自具有的特点：
(1)电阻加热：这是一种简单的加热方法，设备便宜、操作容易是其优点。
(2)感应加热：加热效率佳，升温快速，并可加热大容量。
(3)电子束加热：这种加热方法是把数千eV之高能量电子，经磁场聚焦，直接撞击蒸发物加热，温度可以高达30000C。而它的电子的来源有二：高温金属产生的热电子，以及中空阴极放电。
(4)雷射加热：激光束可经由光学聚焦在蒸镀源上，产生局部瞬间高温使其逃离。刚开始使用的是脉冲红宝雷射，而后发展出紫外线准分子雷射。紫外线的优点是每一光子的能量远比红外线高，因此准分子雷射的功率密度甚高，用以加热蒸镀的功能和电子束类似。常被用来披覆成分复杂的化合物，镀膜的品质甚佳。它和电子束加热或溅射的过程有基本上的差异，准分子雷射脱离的是微细的颗粒，后者则是以分子形式脱离。
(5)电弧加热：
阴极电弧沉积的优点为：①蒸镀速率快，可达每秒1.0微米；②基板不须加热；③可镀高温金属及陶瓷化合物；④镀膜密度高且附着力佳。
五、真空蒸镀可应用在哪些产业?
主要产业大多应用于装饰、光学、电性、机械及防蚀等方面，现就比较常见者分述如下：
1.镜片的抗反射镀膜(MgO、MgF2、SiO2等)，镜片置于半球支顶，一次可镀上百片以上。
2.金属、合金或化合物镀膜，应用于微电子当导线、电阻、光电功能等用途。
3.镀铝或钽于绝缘物当电容之电极。
4.特殊合金镀膜MCrAlY具有耐热性、抗氧化性，耐温达1100℃，可应用须耐高温环境的工件，如高速切削及成形加工、涡轮引擎叶片等。
5.镀金属于玻璃板供建筑物之装饰及防紫外线。
6.离子蒸镀镀铝，系以负高电压加在被镀件上，再把铝加热蒸发，其蒸气经由电子撞击离子化，然后镀到钢板上。
7.镀铝于胶膜，可供装饰或标签，且镀膜具有金属感等。较大的用途就是包装，可以防潮、防空气等的渗入。
8.机械零件或刀磨具镀硬膜(TiC、TiN、Al2O3)这些超硬薄膜不但硬度高，可有效提高耐磨性，而且所需厚度较小，能符合工件高精度化的要求。
9.特殊合金薄片之制造。
10.镀多层膜于钢板，改善其性能。
11.镀硅于CdS太阳电池，可增加其效率。
12.纳米粉末之制造，镀于冷基板上，使其不附着。
六、TiN氮化钛镀膜具有哪些特点?
(1)抗磨损；(2)具亮丽的外观；(3)具安全性，可使用于外科及食品用具；(4)具润滑作用，可减少磨擦；(5)具防蚀功能；(6)可承受高温。
七、CVD化学气相沉积法反应步骤可区分为哪五个步骤?
(1)不同成分气相前置反应物由主流气体进来，以扩散机制传输到基板表面。理想状况下，前置物在基板上的浓度是零，亦即在基板上立刻反应，实际上并非如此。
(2)前置反应物吸附在基板上，此时仍容许该前置物在基板上进行有限程度的表面横向移动。
(3)前置物在基板上进行化学反应，产生沉积物的化学分子，然后经积聚成核、迁移、成长等步骤，然后联合一连续的膜。
(4)把多余的前置物以及未成核的气体生成物去吸附。
(5)被去吸附的气体，以扩散机制传输到主流气相，并经传送排出。
八、电浆辅助VCD系统有何特色?
一般CVD均是在高温的基板下产生沉积反应，如果以电浆激发气体，即所谓的电浆辅助CVD(Plasma enhanced CVD，简称PECVD)，则基板温度可以大幅降低。然而一般薄层的光电镀膜或次微米线条，相当脆弱，容易受到电浆离子撞击的伤害，故PECVD并不适宜。
九、CVD制程具有那些优缺点?
优点：
(1)真空度要求不高，甚至不需要真空，如热喷覆。
(2)高沉积速率，APCVD可以达到1μm/min。
(3)相对于PVD，化学量论组成或合金的镀膜比较容易达成。
(4)镀膜的成份多样化，包括金属、非金属、氧化物、氮化物、碳化物、半导体、光电材料、聚合物以及钻石薄膜等。
(5)可以在复杂形状的基材镀膜，甚至渗入多孔的陶瓷。
(6)厚度的均匀性良好，LPCVD甚至可同时镀数十芯片。
缺点：
(1)热力学及化学反应机制不易了解或不甚了解。
(2)须在高温度下进行，有些基材不能承受，甚至和镀膜起作用。
(3)反应气体可能具腐蚀性、毒性或爆炸性，处理需格外小心。
(4)反应生成物可能残余在镀膜，成为杂质。
(5)基材的遮蔽很难。
十、钻石材料具有哪些优点?可应用在哪些产业上?
优点：硬度高、耐磨性高、低热胀率、散热能力良好、防蚀能力佳，等等。
可应用在：声学产品、消费产品、生医产品、光学产品、超级磨料、航天产品、钻石制造、化学产品、电子产品、机械产品。
十一、钻石薄膜通常可使用哪些方法来获得?
近年来，膜状的钻石合成技术突飞猛进。钻石膜的厚度，可自纳米至毫米。薄膜常以物理气相沉积的方法生成。厚膜则多以化学气相沉积的方法获得。
十二、试说明PVD法生长钻石薄膜之特性?
PVD沉积钻石时除撞击区的少数原子外，其他的碳原子仍在真空下，而且温度很低，因此常被认为是低压法。由于钻石在低压为介稳定状态，故PVD法被归类为介稳定生长钻石的方法。但在生长钻石的撞击区，碳原子所受的压力及温度都很高。由于高温影响的区域有限，因此钻石乃在非平衡状态下长出。在这种情况下原子不易扩散，生出钻石的原子排列只是短程有序，但长程排列则含极多缺陷，甚至也含大量杂质，故称为类钻碳。
以PVD法生长钻石或DLC因基材温度很低，生长速率缓慢，通常只沉积极薄的一层。由于膜较薄，可附在复杂的工件表面上。镀DLC膜时因工件不受高温影响，所以PVD沉积的DLC用途广泛，可用为模具涂层及硬盘护膜等。若要生长较厚的钻石膜，原子必须扩散至晶格内的稳定位置，因此基材温度要提高，但也不能高到使生出的钻石转化成石墨。
十三、试说明CVD法生长钻石薄膜之特性?
为使CVD的钻石生长顺利，碳源常用已具钻石结构的甲烷。甲烷可视为以氢压出的单原子钻石。所以煮饭时的煤气含大量悬浮的单原子钻石或DLC。甲烷分解时若氢原子可在附近若即若离地伴随，沉积出的碳可维持钻石的结构，并接合在钻石膜上而不再转化成石墨。
十四、使用CVD法成长钻石薄膜，氢元素和碳元素的浓度有何重要性?
CVD生长钻石膜的瓶颈仍在避免碳氢化物形成石墨，因此氢原子应比碳源多很多。碳源浓度决定了钻石膜的生长速率，但碳源太高时氢原子会来不及维护钻石结构而使分解出的碳变成石墨。因此碳源太浓反而会降低转化成钻石的比率。碳源的浓度和温度决定了钻石随方向生长速率的差异，因此也决定了钻石的晶形。氢原子的浓度不仅决定了钻石膜是否能成长，也决定了钻石膜的质量。氢原子产生的比率不太受气体，但和温度有直接关联。随着热源温度的降低及距离的增大，氢原子的浓度也会急剧下降。
十五、何为化学气相蒸镀(CVD)?主要的优缺点有哪些？
化学气相蒸镀仍使用一种或多种气体，在一加热的固体基材上发生化学反应，并镀上一层固态薄膜。
优点：
(1)真空度要求不高，甚至可以不需要真空，例如热喷覆；
(2)沉积速率快，大气CVD可以达到1μm/min；
(3)与PVD比较的话，化学量论组成或合金的镀膜较容易达成；
(4)镀膜的成分多样化，如金属、非金属、半导体、光电材料、钻石薄膜等；
(5)可以在复杂形状的基材镀膜，甚至渗入多孔的陶瓷；
(6)厚度的均匀性良好，低压CVD甚至可以同时镀数十芯片。
缺点：
(1)热力学及化学反应机制不易了解或不甚了解；
(2)需要在高温下进行，有些基材不能承受，甚至和镀膜产生作用；
(3)反应气体可能具腐蚀性、毒性或爆炸性，处理时需小心；
(4)反应生成物可能残余在镀膜上，成为杂质；
(5)基材的遮蔽很难。
十六、良好的薄膜须具备哪些特性?影响的因素有哪些?
通俗的定义为在正常状况下，其应用功能不会失效。想要达到这个目的，一般而言这层薄膜必须具有坚牢的附着力、很低的内应力、针孔密度很少、够强的机械性能、均匀的膜厚，以及足够的抗化学侵蚀性。薄膜的特性主要受到沉积过程、成膜条件、接口层的形成和基材的影响，随后的热处理亦扮演重要角色。
十七、沉积的薄膜有内应力的存在，其来源为何?
(1)薄膜和基材之间的晶格失配；(2)薄膜和基材之间的热膨胀系数差异；(3)晶界之间的互挤。
十八、薄膜要有良好的附着力，必须具有哪些基本特性?
(1)接口层原子之间须有强的化学键结，是有化合物的形成或化学吸附，物理吸附是不够的；
(2)低的残存应力，这可能导因于镀膜和基材晶格或热膨胀系数的失配，也可能是薄膜本身存有杂质或不良结构；
(3)没有容易变形的表结构，如断层结构，具有机械粗糙的表面可以减低问题的恶化；
(4)没有长期变质的问题，镀膜曝露在大气等外在环境，如果本身没生氧化等化学反应，则镀膜自然失去其功能。
十九、膜厚的量测方法有哪些?
大致上可分为原位量测、离位量测两类。
原位星测系指镀膜进行中量测，普遍使用在物理气相沉积，如微天平、光学、电阻量测。
离位量测系指镀膜完成后量测，对电镀膜的行使较为普遍，具有了解电镀效率的目的，如质量、剖面计、扫描式电子显微镜。
二十、何为物理蒸镀?试简述其步骤?
物理蒸镀就是把物质加热挥发，然后将其蒸气沉积在预定的基材上。由于蒸发源须加热挥发，又是在真空中进行，故亦称为热蒸镀或真空蒸镀。
其可分为三个步骤：(1)凝态的物质被加热挥发成气相；(2)蒸汽在真空中移动一段距离至基材；(3)蒸汽在基材上冷却凝结成薄膜。
来源：深圳真空行业协会
作者：黄荣昌