真空镀膜技术与应用

真空镀膜技术是当前有发展前途的表面技术之一，在高技术产业化的发展中已展现出诱人的市场前景。为了进一步推广真空镀膜技术在国民经济各个领域中的应用，按照技术实用性、系统性的编写指导原则，并吸纳国内外真空镀膜技术发展成果，我们编著了《真空镀膜技术与应用》。本书的内容适合从事真空镀膜技术工作的相关人员进行系统性学习，对解决真空镀膜方面的工程问题也具有指导性的作用。

全书共9章。介绍了真空镀膜技术的基础，包括薄膜的应用、真空镀膜的理论基础、薄膜生长机理及影响因素；还介绍了各种真空镀膜方法、设备及工艺实例，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、离子束（辅助）沉积以及化学气相沉积（CVD）等；后面又介绍了真空镀膜的共性内容，包括薄膜厚度及特性测量、结构表征及性能分析等。

本书具有一定的理论基础性、技术针对性和通用通识性。

需要重点说明的是：

（1）本书是在《真空镀膜》（李云奇编著）的基础上，进行了内容的调整，并增加了的真空镀膜新技术及应用方面的内容。

（2）本人在东北大学读书期间，曾获得李云奇老师在真空镀膜知识方面的直接传授，因此本书也是李云奇老师真空镀膜知识体系的传承与发展，在此对李云奇老师表示真诚的感谢和崇高的敬意！

（3）本书第1章真空镀膜技术概论中的1.5.3~1.6.1节，是由崔遂先高级工程师编写完成的，第4章4.3.4大面积连续式磁控溅射镀膜设备是由谈治信高级工程师编写完成的，在此对他们表示崇高的敬意和感谢！

（4）本书的内容策划工作由徐成海教授主持，在书稿组织过程中也得到了张世伟教授的指导，对两位老师的辛勤工作表示衷心的感谢！

（5）新增内容的整理和校对工作由郑桐翔和丁艺完成，在此一并致谢！

（6）本书在编写过程中，还得到化学工业出版社的大力支持，在此表示诚挚的谢意！

由于编著者水平有限，编写时间也比较仓促，书中难免存在疏漏及不当之处，恳请读者指出并多提宝贵意见。

编著者

2021.9

本书系统全面地阐述了真空镀膜技术的基本理论知识体系以及各种真空镀膜方法、设备及工艺。对的薄膜类型、性能检测及评价、真空镀膜技术及装备等内容也进行了详细的介绍，如金刚石薄膜的应用及大面积制备技术、工艺、性能评价等。

本书叙述深入浅出，内容丰富而精炼，工程实践性强，在强化理论的同时，重点突出了工程应用，具有很强的实用性，通俗易懂、简单易学。

本书适用于从事真空镀膜技术、薄膜与表面工程、材料工程等领域相关研究、设计、设备操作及维护工作的技术人员，也可以作为与真空镀膜技术有关的研究人员和真空专业的本科生、研究生教材及参考书使用。

辽宁省高校创新团队带头人，入选辽宁省百千万人才工程“百人层次”和荣获省YOUXIU科技工作者、沈阳市“十大科技英才”等称号，全国光学功能薄膜材料标准化技术会员会委员、全国硬切削材料刀具分技术委员会委员。

主要从事金刚石涂层刀具、硬脆性材料精密加工技术等方面研究，其中基于金刚石涂层刀具性能和切削加工工艺的研究成果，为金刚石涂层刀具在难加工材料精加工领域的推广奠定了技术基础。先后承担完成了GJ级、省（部）级以上课题45项，发表高水平论文80多篇，被三大检索数据库收录42篇，公开出版著作3部，授权专利8项，获中国专利金奖、辽宁省技术发明一等奖在内科研奖励16项。

第1章真空镀膜技术概论1

1.1概述1

1.2影响固体表面结构、形貌及其性能的因素2

1.2.1原子和分子构成固体物质2

1.2.2多晶体物质结构2

1.2.3材料受到的各种应力负荷2

1.2.4材料加工所带来的缺陷2

1.2.5基片表面涂敷硬质薄膜的必要性2

1.3基片与薄膜的匹配3

1.3.1基片的表面形貌、热膨胀系数对薄膜的影响3

1.3.2基片与薄膜的选择原则3

1.4真空镀膜及其工艺特点和应赋予涂层的功能4

1.5薄膜的特征4

1.5.1薄膜的结构特征5

1.5.2金属薄膜的电导特征5

1.5.3金属薄膜电阻温度系数特征5

1.5.4薄膜的光学特征6

1.5.5薄膜的密度特征6

1.5.6薄膜的时效变化特征6

1.6薄膜的应用6

1.6.1电子工业用薄膜7

1.6.2光学工业中应用的各种光学薄膜7

1.6.3光伏产业中薄膜的应用8

1.6.4刀具行业中薄膜的应用8

1.6.5机械、化工、石油等工业中应用的硬质膜、耐蚀膜和润滑膜8

1.6.6有机分子薄膜9

1.6.7民用及食品工业中的装饰膜和包装膜9

1.7真空镀膜的发展历程及进展9

参考文献10

第2章真空镀膜技术基础11

2.1真空镀膜物理基础11

2.1.1真空及真空状态的表征和测量11

2.1.2气体的基本性质12

2.1.3气体的流动与流导17

2.1.4气体分子与固体表面的相互作用18

2.2真空镀膜低温等离子体基础22

2.2.1等离子体及其分类与获得23

2.2.2低气压下气体的放电24

2.2.3低气压下气体放电的类型32

2.2.4低气压下冷阴极气体辉光放电32

2.2.5低气压非自持热阴极弧光放电41

2.2.6低气压自持冷阴极弧光放电43

2.2.7磁控辉光放电44

2.2.8空心冷阴极辉光放电46

2.2.9高频放电47

2.2.10等离子体宏观中性特征及其中性空间强度的判别49

2.3薄膜的生长与膜结构51

2.3.1膜的生长过程及影响膜生长的因素51

2.3.2薄膜的结构及其结构缺陷54

2.4薄膜的性质及其影响因素57

2.4.1薄膜的力学性质及其影响因素57

2.4.2薄膜的电学性质61

2.4.3薄膜的光学性质及其影响膜折射率的因素62

2.4.4薄膜的磁学性质62

参考文献63

第3章真空蒸发镀膜64

3.1真空蒸发镀膜技术64

3.1.1真空蒸发镀膜原理及蒸镀条件64

3.1.2薄膜材料70

3.1.3合金膜的蒸镀77

3.1.4化合物膜的蒸镀78

3.1.5影响真空蒸镀性能的因素80

3.2分子束外延技术81

3.2.1分子束外延生长的基本原理与过程81

3.2.2分子束外延生长的条件、制备方法与特点81

3.2.3分子束外延生长参数选择82

3.2.4影响分子束外延的因素83

3.2.5分子束外延装置84

3.3脉冲激光沉积技术(PLD)87

3.3.1PLD的基本原理及特点87

3.3.2PLD技术的应用88

3.4真空蒸发镀膜设备89

3.4.1真空蒸发镀膜机的类型及其结构89

3.4.2真空蒸发镀膜机中的主要构件103

3.4.3蒸发源109

3.5真空蒸发涂层的制备实例140

3.5.1真空蒸镀铝涂层140

3.5.2真空蒸镀Cd(Se，S)涂层141

3.5.3真空蒸镀ZrO2涂层143

3.5.4分子束外延生长金单晶涂层144

参考文献146

第4章真空溅射镀膜148

4.1真空溅射镀膜的复兴与发展148

4.2真空溅射镀膜技术148

4.2.1真空溅射镀膜的机理分析及其溅射过程148

4.2.2靶材粒子向基体上的迁移过程154

4.2.3靶材粒子在基体上的成膜过程154

4.2.4溅射薄膜的特点及溅射方式155

4.2.5直流溅射镀膜158

4.2.6磁控溅射镀膜161

4.2.7射频溅射镀膜179

4.2.8反应溅射镀膜182

4.2.9中频溅射与脉冲溅射镀膜184

4.2.10对向靶等离子体溅射镀膜189

4.2.11偏压溅射镀膜190

4.2.12非平衡磁控溅射191

4.3真空溅射镀膜设备192

4.3.1溅射靶192

4.3.2间歇式真空溅射镀膜机195

4.3.3半连续磁控溅射镀膜机196

4.3.4大面积连续式磁控溅射镀膜设备198

参考文献214

第5章真空离子镀膜215

5.1真空离子镀膜及其分类215

5.2离子镀膜原理及其成膜条件216

5.3离子镀膜过程中等离子体的作用及到达基体入射的粒子能量217

5.4离子轰击在离子镀过程中产生的物理、化学效应218

5.5离化率与中性粒子和离子的能量及膜层表面上的活化系数219

5.5.1离化率219

5.5.2中性粒子所带的能量220

5.5.3离子能量220

5.5.4膜层表面的能量活化系数220

5.6离子镀涂层的特点及其应用范围221

5.7离子镀膜的参数223

5.7.1镀膜室的气体压力223

5.7.2反应气体的分压224

5.7.3蒸发源功率224

5.7.4蒸发速率225

5.7.5蒸发源和基体间的距离225

5.7.6沉积速率225

5.7.7基体的负偏压226

5.7.8基体温度226

5.8离子镀膜装置及常用的几种镀膜设备227

5.8.1直流二极、三极及多极型离子装置227

5.8.2活性反应离子镀膜装置228

5.8.3空心阴极放电离子镀膜装置230

5.8.4射频放电离子镀膜装置233

5.8.5磁控溅射离子镀膜装置233

5.8.6真空阴极电弧离子镀膜装置236

5.8.7冷电弧阴极离子镀膜装置244

5.8.8热阴极强流电弧离子镀膜装置245

参考文献246

第6章离子束沉积与离子束辅助沉积247

6.1离子束沉积技术247

6.1.1离子束沉积原理及特点247

6.1.2直接引出式离子束沉积技术248

6.1.3质量分离式离子束沉积技术248

6.1.4离化团束沉积技术249

6.1.5等离子体浸没式沉积技术250

6.1.6气固两用离子束沉积技术251

6.2离子束辅助沉积技术251

6.2.1离子束辅助沉积过程的机理252

6.2.2离子束辅助沉积的方式及其能量选择范围252

6.2.3离子束辅助沉积技术的特点253

6.2.4离子束辅助沉积装置253

6.2.5微波电子回旋等离子体增强溅射沉积装置258

6.2.6离子源258

参考文献261

第7章化学气相沉积262

7.1概述262

7.2CVD技术中的各类成膜方法及特点262

7.3CVD技术的成膜条件及其反应类型263

7.3.1CVD反应的条件263

7.3.2CVD技术的反应类型263

7.4化学气相沉积用先驱反应物质的选择265

7.5影响CVD沉积薄膜质量的因素266

7.5.1沉积温度对膜质量的影响266

7.5.2反应气体浓度及相互间的比例对膜质量的影响267

7.5.3基片对膜质量的影响267

7.6常压化学气相沉积技术与装置268

7.6.1常压CVD技术的一般原理268

7.6.2常压的CVD装置270

7.7低压化学气相沉积(LPCVD)271

7.7.1LPCVD的原理及特点271

7.7.2LPCVD装置的组成271

7.7.3LPCVD制备涂层的实例272

7.8等离子体增强化学气相沉积(PECVD)273

7.8.1PECVD的成膜过程及特点274

7.8.2PECVD装置275

7.8.3PECVD薄膜的工艺实例277

7.9热丝化学气相沉积279

7.9.1HFCVD的工作原理及特点280

7.9.2HFCVD的装置构成280

7.9.3HFCVD金刚石薄膜的工艺281

7.10微波等离子体化学气相沉积283

7.10.1MPCVD的基本原理及特点283

7.10.2MPCVD的装置构成284

7.10.3MPCVD设备的应用实例287

7.11金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)287

7.12光辅助化学气相沉积(PHCVD)289

7.13原子层沉积290

参考文献291

第8章薄膜的测量与监控292

8.1概述292

8.2薄膜厚度的测量292

8.2.1薄膜厚度的光学测量法293

8.2.2薄膜厚度的电学测量法299

8.2.3薄膜厚度的机械测量法304

8.3薄膜应力的测量305

8.3.1基片变形法305

8.3.2衍射法307

8.4薄膜的附着力测量307

8.4.1胶带剥离法308

8.4.2拉倒法308

8.4.3拉张法309

8.4.4划痕法309

8.5薄膜的硬度测量310

8.5.1维氏硬度311

8.5.2努氏硬度311

8.6薄膜的光谱特性测量312

参考文献313

第9章薄膜性能分析315

9.1概述315

9.2电子作用于固体表面上所产生的各种效应316

9.2.1背散射电子316

9.2.2二次电子317

9.2.3吸收电子和透射电子317

9.2.4俄歇电子318

9.2.5特征X射线318

9.2.6阴极荧光318

9.2.7电子束感生电流318

9.3离子作用于固体表面所产生的效应319

9.3.1一次离子的表面散射319

9.3.2反向散射离子319

9.3.3正负二次电子319

9.4光子作用于固体表面所产生的效应320

9.4.1波长较短的X射线320

9.4.2波长较长的X射线320

9.5薄膜形貌观察与结构分析320

9.5.1光学显微镜320

9.5.2扫描电子显微镜321

9.5.3透射电子显微镜323

9.5.4X射线衍射仪324

9.5.5低能电子衍射和反射式高能电子衍射325

9.5.6扫描探针显微镜327

9.6薄膜组成分析328

9.6.1俄歇电子能谱仪328

9.6.2二次离子质谱分析仪330

9.6.3卢瑟福背散射分析仪331

9.6.4X射线光电子能谱仪333

参考文献335

书系统全面地阐述了真空镀膜技术的基本理论知识体系以及各种真空镀膜方法、设备及工艺。对ZUI新的薄膜类型、性能检测及评价、真空镀膜技术及装备等内容也进行了详细的介绍，如金刚石薄膜的应用及大面积制备技术、工艺、性能评价等方面。

本书叙述深入浅出，内容丰富而精炼，工程实践性强，在强化理论的同时，重点突出了工程应用，具有很强的实用性，通俗易懂、简单易学。