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        真空鍍膜技術的問題與解答

        在真空中把金屬、合金或化合物進行蒸發(或濺射),使其沉積在被涂覆的物體(稱基片、基板或基體)上的方法稱為真空鍍膜法。下面將簡介真空鍍膜技術的主要問題與解答。

        一、鍍膜技術可區分為哪幾類?

        可區分為:(1)真空蒸鍍;(2)電鍍;(3)化學反應;(4)熱處理;(5)物理或機械處理。

        、常用的真空泵浦有哪幾種?適用的抽氣范圍為?

        真空泵浦可分為:

        (1)機械泵浦;(2)擴散泵浦;(3)渦輪泵浦;(4)吸附泵浦;(5)吸著泵浦。
        真空泵浦抽氣范圍:

        泵浦              抽 氣 范 圍
        機 械 泵 浦   10-1~10-4毫巴
        擴 散 泵 浦   10-3~10-6毫巴
        渦 輪 泵 浦   10-3~10-9毫巴
        吸 附 泵 浦   10-3~10-4毫巴
        吸 著 泵 浦   10-4~10-10毫巴

        三、電漿技術在表面技術上的應用有哪些?

        (1)濺漿沉積:濺鍍是利用高速的離子撞擊固體靶材,使表面分子濺離并射到基材鍍成一層薄膜,濺射離子的起始動能約在100eV。常用的電漿氣體為氬氣,質量適當而且沒有化學反應。

        (2)電漿輔助化沉積:氣相化學沉積的化學反應是在高溫基材上進行,如此才能使氣體前置物獲得足夠的能量反應。

        (3)電漿聚合:聚合物或塑料薄膜簡單的披覆技術就是將其溶劑中,然后涂布于基板上。電漿聚合涂布法系將分子單體激發成電漿,經化學反應后形成致密的聚合體并披覆在基板上,由于基材受到電漿的撞擊,其附著性也很強。

        (4)電漿蝕刻:濕式堿性蝕刻,這是簡單而且便宜的方法,它的缺點是堿性蝕刻具晶面方向性,而且會產生下蝕的問題。

        (5)電漿噴覆:在高溫下運轉的金屬組件須要有陶瓷物披覆,以防止高溫腐蝕的發生。

        四、蒸鍍的加熱方式包括哪幾種?各具有何特點?

        (1)電阻加熱;(2)感應加熱;(3)電子束加熱;(4)雷射加熱;(5)電弧加熱。

        各自具有的特點:

        (1)電阻加熱:這是一種簡單的加熱方法,設備便宜、操作容易是其優點。

        (2)感應加熱:加熱效率佳,升溫快速,并可加熱大容量。

        (3)電子束加熱:這種加熱方法是把數千eV之高能量電子,經磁場聚焦,直接撞擊蒸發物加熱,溫度可以高達30000C。而它的電子的來源有二:高溫金屬產生的熱電子,以及中空陰極放電。

        (4)雷射加熱:激光束可經由光學聚焦在蒸鍍源上,產生局部瞬間高溫使其逃離。剛開始使用的是脈沖紅寶雷射,而后發展出紫外線準分子雷射。紫外線的優點是每一光子的能量遠比紅外線高,因此準分子雷射的功率密度甚高,用以加熱蒸鍍的功能和電子束類似。常被用來披覆成分復雜的化合物,鍍膜的品質甚佳。它和電子束加熱或濺射的過程有基本上的差異,準分子雷射脫離的是微細的顆粒,后者則是以分子形式脫離。

        (5)電弧加熱:

        陰極電弧沉積的優點為:①蒸鍍速率快,可達每秒1.0微米;②基板不須加熱;③可鍍高溫金屬及陶瓷化合物;④鍍膜密度高且附著力佳。

        五、真空蒸鍍可應用在哪些產業?

        主要產業大多應用于裝飾、光學、電性、機械及防蝕等方面,現就比較常見者分述如下:

        1.鏡片的抗反射鍍膜(MgO、MgF2、SiO2等),鏡片置于半球支頂,一次可鍍上百片以上。

        2.金屬、合金或化合物鍍膜,應用于微電子當導線、電阻、光電功能等用途。

        3.鍍鋁或鉭于絕緣物當電容之電極。

        4.特殊合金鍍膜MCrAlY具有耐熱性、抗氧化性,耐溫達1100℃,可應用須耐高溫環境的工件,如高速切削及成形加工、渦輪引擎葉片等。

        5.鍍金屬于玻璃板供建筑物之裝飾及防紫外線。

        6.離子蒸鍍鍍鋁,系以負高電壓加在被鍍件上,再把鋁加熱蒸發,其蒸氣經由電子撞擊離子化,然后鍍到鋼板上。

        7.鍍鋁于膠膜,可供裝飾或標簽,且鍍膜具有金屬感等。較大的用途就是包裝,可以防潮、防空氣等的滲入。

        8.機械零件或刀磨具鍍硬膜(TiC、TiN、Al2O3)這些超硬薄膜不但硬度高,可有效提高耐磨性,而且所需厚度較小,能符合工件高精度化的要求。

        9.特殊合金薄片之制造。

        10.鍍多層膜于鋼板,改善其性能。

        11.鍍硅于CdS太陽電池,可增加其效率。

        12.納米粉末之制造,鍍于冷基板上,使其不附著。

        六、TiN氮化鈦鍍膜具有哪些特點?

        (1)抗磨損;(2)具亮麗的外觀;(3)具安全性,可使用于外科及食品用具;(4)具潤滑作用,可減少磨擦;(5)具防蝕功能;(6)可承受高溫。

        七、CVD化學氣相沉積法反應步驟可區分為哪五個步驟?

        (1)不同成分氣相前置反應物由主流氣體進來,以擴散機制傳輸到基板表面。理想狀況下,前置物在基板上的濃度是零,亦即在基板上立刻反應,實際上并非如此。

        (2)前置反應物吸附在基板上,此時仍容許該前置物在基板上進行有限程度的表面橫向移動。

        (3)前置物在基板上進行化學反應,產生沉積物的化學分子,然后經積聚成核、遷移、成長等步驟,然后聯合一連續的膜。

        (4)把多余的前置物以及未成核的氣體生成物去吸附。

        (5)被去吸附的氣體,以擴散機制傳輸到主流氣相,并經傳送排出。

        八、電漿輔助VCD系統有何特色?

        一般CVD均是在高溫的基板下產生沉積反應,如果以電漿激發氣體,即所謂的電漿輔助CVD(Plasma enhanced CVD,簡稱PECVD),則基板溫度可以大幅降低。然而一般薄層的光電鍍膜或次微米線條,相當脆弱,容易受到電漿離子撞擊的傷害,故PECVD并不適宜。

        九、CVD制程具有那些優缺點?

        優點:

        (1)真空度要求不高,甚至不需要真空,如熱噴覆。

        (2)高沉積速率,APCVD可以達到1μm/min。

        (3)相對于PVD,化學量論組成或合金的鍍膜比較容易達成。

        (4)鍍膜的成份多樣化,包括金屬、非金屬、氧化物、氮化物、碳化物、半導體、光電材料、聚合物以及鉆石薄膜等。

        (5)可以在復雜形狀的基材鍍膜,甚至滲入多孔的陶瓷。

        (6)厚度的均勻性良好,LPCVD甚至可同時鍍數十芯片。

        缺點:

        (1)熱力學及化學反應機制不易了解或不甚了解。

        (2)須在高溫度下進行,有些基材不能承受,甚至和鍍膜起作用。

        (3)反應氣體可能具腐蝕性、毒性或爆炸性,處理需格外小心。

        (4)反應生成物可能殘余在鍍膜,成為雜質。

        (5)基材的遮蔽很難。

        十、鉆石材料具有哪些優點?可應用在哪些產業上?

        優點:硬度高、耐磨性高、低熱脹率、散熱能力良好、防蝕能力佳,等等。

        可應用在:聲學產品、消費產品、生醫產品、光學產品、超級磨料、航天產品、鉆石制造、化學產品、電子產品、機械產品。

        十一、鉆石薄膜通??墒褂媚男┓椒▉慝@得?

        近年來,膜狀的鉆石合成技術突飛猛進。鉆石膜的厚度,可自納米至毫米。薄膜常以物理氣相沉積的方法生成。厚膜則多以化學氣相沉積的方法獲得。

        十二、試說明PVD法生長鉆石薄膜之特性?

        PVD沉積鉆石時除撞擊區的少數原子外,其他的碳原子仍在真空下,而且溫度很低,因此常被認為是低壓法。由于鉆石在低壓為介穩定狀態,故PVD法被歸類為介穩定生長鉆石的方法。但在生長鉆石的撞擊區,碳原子所受的壓力及溫度都很高。由于高溫影響的區域有限,因此鉆石乃在非平衡狀態下長出。在這種情況下原子不易擴散,生出鉆石的原子排列只是短程有序,但長程排列則含極多缺陷,甚至也含大量雜質,故稱為類鉆碳。

        以PVD法生長鉆石或DLC因基材溫度很低,生長速率緩慢,通常只沉積極薄的一層。由于膜較薄,可附在復雜的工件表面上。鍍DLC膜時因工件不受高溫影響,所以PVD沉積的DLC用途廣泛,可用為模具涂層及硬盤護膜等。若要生長較厚的鉆石膜,原子必須擴散至晶格內的穩定位置,因此基材溫度要提高,但也不能高到使生出的鉆石轉化成石墨。

        十三、試說明CVD法生長鉆石薄膜之特性?

        為使CVD的鉆石生長順利,碳源常用已具鉆石結構的甲烷。甲烷可視為以氫壓出的單原子鉆石。所以煮飯時的煤氣含大量懸浮的單原子鉆石或DLC。甲烷分解時若氫原子可在附近若即若離地伴隨,沉積出的碳可維持鉆石的結構,并接合在鉆石膜上而不再轉化成石墨。

        十四、使用CVD法成長鉆石薄膜,氫元素和碳元素的濃度有何重要性?

        CVD生長鉆石膜的瓶頸仍在避免碳氫化物形成石墨,因此氫原子應比碳源多很多。碳源濃度決定了鉆石膜的生長速率,但碳源太高時氫原子會來不及維護鉆石結構而使分解出的碳變成石墨。因此碳源太濃反而會降低轉化成鉆石的比率。碳源的濃度和溫度決定了鉆石隨方向生長速率的差異,因此也決定了鉆石的晶形。氫原子的濃度不僅決定了鉆石膜是否能成長,也決定了鉆石膜的質量。氫原子產生的比率不太受氣體,但和溫度有直接關聯。隨著熱源溫度的降低及距離的增大,氫原子的濃度也會急劇下降。

        十五、何為化學氣相蒸鍍(CVD)?主要的優缺點有哪些?

        化學氣相蒸鍍仍使用一種或多種氣體,在一加熱的固體基材上發生化學反應,并鍍上一層固態薄膜。

        優點:

        (1)真空度要求不高,甚至可以不需要真空,例如熱噴覆;

        (2)沉積速率快,大氣CVD可以達到1μm/min;

        (3)與PVD比較的話,化學量論組成或合金的鍍膜較容易達成;

        (4)鍍膜的成分多樣化,如金屬、非金屬、半導體、光電材料、鉆石薄膜等;

        (5)可以在復雜形狀的基材鍍膜,甚至滲入多孔的陶瓷;

        (6)厚度的均勻性良好,低壓CVD甚至可以同時鍍數十芯片。

        缺點:

        (1)熱力學及化學反應機制不易了解或不甚了解;

        (2)需要在高溫下進行,有些基材不能承受,甚至和鍍膜產生作用;

        (3)反應氣體可能具腐蝕性、毒性或爆炸性,處理時需小心;

        (4)反應生成物可能殘余在鍍膜上,成為雜質;

        (5)基材的遮蔽很難。

        十六、良好的薄膜須具備哪些特性?影響的因素有哪些?

        通俗的定義為在正常狀況下,其應用功能不會失效。想要達到這個目的,一般而言這層薄膜必須具有堅牢的附著力、很低的內應力、針孔密度很少、夠強的機械性能、均勻的膜厚,以及足夠的抗化學侵蝕性。薄膜的特性主要受到沉積過程、成膜條件、接口層的形成和基材的影響,隨后的熱處理亦扮演重要角色。

        十七、沉積的薄膜有內應力的存在,其來源為何?

        (1)薄膜和基材之間的晶格失配;(2)薄膜和基材之間的熱膨脹系數差異;(3)晶界之間的互擠。

        十八、薄膜要有良好的附著力,必須具有哪些基本特性?

        (1)接口層原子之間須有強的化學鍵結,是有化合物的形成或化學吸附,物理吸附是不夠的;

        (2)低的殘存應力,這可能導因于鍍膜和基材晶格或熱膨脹系數的失配,也可能是薄膜本身存有雜質或不良結構;

        (3)沒有容易變形的表結構,如斷層結構,具有機械粗糙的表面可以減低問題的惡化;

        (4)沒有長期變質的問題,鍍膜曝露在大氣等外在環境,如果本身沒生氧化等化學反應,則鍍膜自然失去其功能。

        十九、膜厚的量測方法有哪些?

        大致上可分為原位量測、離位量測兩類。

        原位星測系指鍍膜進行中量測,普遍使用在物理氣相沉積,如微天平、光學、電阻量測。

        離位量測系指鍍膜完成后量測,對電鍍膜的行使較為普遍,具有了解電鍍效率的目的,如質量、剖面計、掃描式電子顯微鏡。

        二十、何為物理蒸鍍?試簡述其步驟?

        物理蒸鍍就是把物質加熱揮發,然后將其蒸氣沉積在預定的基材上。由于蒸發源須加熱揮發,又是在真空中進行,故亦稱為熱蒸鍍或真空蒸鍍。

        其可分為三個步驟:(1)凝態的物質被加熱揮發成氣相;(2)蒸汽在真空中移動一段距離至基材;(3)蒸汽在基材上冷卻凝結成薄膜。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                 






        來源:深圳真空行業協會
        作者:黃榮昌

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