真空技术在镀膜技术中的应用

本文讨论了几个真空技术在无机涂层重要领域的应用实例。

真空处理用于许多工业应用。其中一些工艺及其典型工作压力范围如图所示。真空技术的应用对于各种涂层工艺的成功尤为关键。

通过使用真空，可以形成厚度从几纳米到超过 100 毫米的高度均匀的涂层，同时仍能实现非常好的涂层性能再现性。平面基材、卷材和条带以及复杂的模制塑料部件可以进行涂层，几乎不受基材材料的限制。涂层材料的种类也非常多。除了金属和合金涂层，层可以由各种化合物或以夹层形式应用的不同材料层制成。与其他方法相比，真空镀膜的一个显着优势是需要许多特殊的镀膜性能，例如结构、硬度、电导率或折射率，

薄膜的沉积用于改变基材或基板的表面特性。例如，可以通过应用合适的涂层系统来调整镜片和其他玻璃产品的光学特性，例如透射或反射。塑料网上的金属涂层为薄膜电容器生产导电涂层。金属上的聚合物层增强了基材的耐腐蚀性。

涂料来源

在所有真空镀膜方法中，层是通过气相沉积材料形成的。涂层材料可以通过物理过程例如蒸发和溅射，或通过化学反应形成。因此，物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD) 之间存在区别。

热蒸发器

在蒸发过程中，将要沉积的材料加热到足够高的温度以达到足够高的蒸气压，并设定所需的蒸发或冷凝速率。蒸发中使用的最简单的来源包括金属丝、金属板舟或导电陶瓷，它们通过使电流通过它们而被加热。但是，对于要加热的材料类型存在限制。在某些情况下，如果不显着蒸发源容器并因此污染涂层，就不可能达到必要的蒸发器温度。此外，支架和待蒸发材料之间可能发生化学反应，从而导致蒸发器寿命缩短或涂层污染。

电子束蒸发器（电子枪）

为了使用电子束枪蒸发涂层材料，保持在水冷坩埚中的材料受到聚焦电子束的轰击，从而被加热。由于坩埚保持冷态，原则上避免了坩埚材料对涂层的污染并实现了高的涂层纯度。使用聚焦电子束，可以获得非常高的待蒸发材料温度，从而获得非常高的蒸发速率。因此，除了金属和合金之外，还可以蒸发氧化物等高熔点化合物。通过改变电子束的功率，可以轻松快速地控制蒸发速率。

阴极溅射

在阴极溅射过程中，靶（一种固体）在气体放电中被高能离子轰击。撞击的离子将它们的动量传递给目标材料中的原子，从而将原子击落。这些被置换的原子——溅射的粒子——凝聚在面向靶材的衬底上。与蒸发粒子相比，溅射粒子具有相当高的动能。因此，这两个过程中凝结和层生长的条件有很大的不同。溅射层通常比蒸发层具有更高的粘合强度和更致密的涂层结构。

溅射阴极有许多不同的几何形状和尺寸以及电路配置。与蒸发器相比，所有溅射阴极的共同点是粒子源面积大，并且能够以高度均匀性涂覆大型基材。在这种类型的工艺中，任何成分的金属和合金以及氧化物都可以用作涂层材料。

化学气相沉积

与要沉积的物质为固体或液体的 PVD方法相比，在化学气相沉积中，当物质进入真空系统时，该物质已经处于气相。为了沉积它，物质必须被热激发，即通过适当的高温或用等离子体。通常，在这种类型的过程中，会发生大量化学反应，其中一些被利用来控制所需的涂层成分和性能。例如，使用硅氢单体、软硅氢聚合物涂层、硬硅涂层，或者通过添加氧石英涂层，可以通过控制工艺参数来产生。

真空镀膜技术/镀膜系统

卷筒纸涂层有金属涂层的塑料卷筒纸和纸张在食品包装中发挥着重要作用。金属涂层网的另一个重要应用领域是生产用于电气和电子应用的薄膜电容器。

金属涂层在真空卷筒纸涂层系统中进行。该单元由两个室组成，卷绕室和卷绕系统，其中蒸发器位于。两个腔室彼此密封，除了幅材穿过的两个狭缝。这使得可以使用相对较小的泵组从幅材卷中泵出高气体负荷。卷绕室中的压力可以比同时在涂层室中建立的压力高100倍以上。卷绕室的泵组通常由罗茨泵和旋片泵组合而成。对于强力脱气的纸卷，可能需要在卷绕室中安装一个冷表面以充当水蒸汽泵。

在涂层过程中，卷材以超过 10 m/s 的速度通过一组由陶瓷舟组成的蒸发器，铝从这些蒸发器中蒸发。为了在这些高卷材速度下达到必要的铝涂层厚度，需要非常高的蒸发速率。蒸发器必须在超过 1400 摄氏度的温度下运行。蒸发器的热辐射，连同生长层的冷凝热，对幅材产生相当大的热负荷。在冷却辊的帮助下，箔在涂布期间和涂布后被冷却，因此在涂布期间不会损坏，并且在卷绕之前已经显着冷却。

在整个涂层过程中，涂层厚度通过光学测量系统或电阻测量装置连续监测。将测量值与系统中的涂层厚度设定值进行比较，从而自动控制蒸发器功率。

光学镀膜

真空镀膜在生产眼科光学器件、照相机镜头和其他光学仪器以及各种光学滤光片和特殊反射镜方面具有广泛的应用。为了获得所需的透射反射特性，至少要在玻璃或塑料基材上涂上三层，有时最多 50 层。必须非常精确地控制涂层特性，例如各个涂层的厚度和折射率，并相互匹配。

大多数这些涂层是使用单室单元中的电子束蒸发器生产的。蒸发器安装在腔室底部，通常带有自动操作的坩埚，其中有几种不同的材料。基板安装在蒸发器上方的旋转罩上。应用适当的屏蔽，结合蒸发器和基材之间的相对运动，可以实现非常高的涂层均匀性。借助石英涂层厚度监视器和涂层过程中涂层系统获得的光学特性的直接测量，涂层过程完全自动控制。

涂料的关键要求之一是它们在通常的环境条件下长时间保持其性能。这需要生产致密的涂层，氧气和水都不能渗入其中。使用玻璃镜片，这是通过在使用辐射加热器进行涂层期间将基材保持在高达 300 C (572 F) 的温度来实现的。但是，用于眼镜光学元件的塑料镜片不允许加热到 80 C (176 F) 以上。

为了获得致密、稳定的涂层，这些基材在涂层过程中会被来自离子源的 Ar 离子轰击。通过离子轰击，将适量的能量施加到生长层，从而使涂层颗粒排列在能量最有利的晶格位置，而基板温度不会达到不可接受的高值。同时，可以在氩气中加入氧气。产生的氧离子具有很强的反应性，并确保氧根据需要包含在生长层中。

这种镀膜装置的真空系统通常由包括旋片泵和罗茨泵的前级泵组以及高真空抽气系统组成。根据要求，此处使用扩散泵、低温泵或涡轮分子泵，在大多数情况下与大型冰箱冷却的冷表面连接。泵的安装和防护方式必须保证涂层材料不能进入泵，并且系统中的加热器不会使其热过载。由于屏蔽总是会降低有效抽速，因此系统制造商必须在屏蔽效果和降低抽速之间找到合适的折衷方案。