几种镀膜工艺及其应用的理论研究

　　摘  要：阐述了几种常见镀膜工艺的特点，进行工艺比较，结合当前的实际应用对镀膜的应用做了一定的归纳和总结，对未来镀膜工艺进行展望。

　　关键词：真空镀膜；蒸发镀膜；溅射镀膜

　　Study for Several Vacuum Coating Processes and the Applications

　　Zhang Ya-juan

　　(Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

　　Abstract：It first described several common characteristics of the vacuum coating process, and then proceed to process, Finally, summarized the current practical application of vacuum coatings and the coating process on the future outlook.

　　Key words：vacuum coating ;vacuum evaporating; magnetron sputtering

　　中图分类号：TB75      文献标识码：A

　　0 引言

　　镀膜在利用某些薄膜材料的红外线反射性能的同时，也利用了薄膜在可见光谱范围的干涉效应，通过对薄膜厚度的调整，既达到热反射功能，又可形成所需的反射颜色效果。

　　1 几种镀膜工艺特点

　　光学玻璃的镀膜生产工艺有：溶胶-凝胶镀膜、反应蒸发镀膜、真空阴极磁控溅射镀膜等工艺方法。下面就这几种镀膜工艺分别进行介绍：

　　a) 溶胶-凝胶镀膜。是将III、V、VI族金属、半金属元素的有机化合物和无机盐溶于有机溶剂中获得溶胶镀液[1]，采用浸渍或离心甩胶的方法涂覆在基片表面，再进行干燥脱水处理获得固体薄膜的方法。例如制备光催化功能薄膜[2]：先水解

　　再脱水     (120 ℃下)

　　该技术对薄膜材料有要求[3]：有机极性溶体溶解度范围不能窄，最好不用水溶液；有少量水参与时应容易发生水解，而且水解形成的薄膜不应溶解，生成的挥发物易于去除；水解形成的氧化物应易于低温充分脱水；薄膜、基片附着力好。

　　b) 反应蒸发镀膜。在蒸发不少金属氧化物时,会出现缺氧现象,这会使光学膜产生光吸收现象。在反应沉积过程中,通过向剩余气体中加氧可以适当消除光吸收的影响。由于热分解或太低的蒸发压强而化合物不可能直接蒸发的所有情况都可采用反应蒸发镀膜技术。通常用低价氧化物或金属原材料生产氧化膜,也可用这种方法生产硫化物和氮化物或其他化合物。必须注意的是在反应条件下进行蒸发时,需要连续补充化学反应消耗的气体。在薄膜沉积中,必须选择相关过程的所有参数,使沉积的薄膜满足最佳化标准。用这种方法生产的氧化物膜的质量通常仍然略低于计算结果并略有吸收。这种反应蒸发膜呈多晶[4],非晶或聚合物结构,表面较粗糙,并有柱状或海绵状微细结构,这些微细结构有较大的空隙和较大的内表面。除此以外,膜层对基底的附着力很差,抗磨损能力和硬度都很低。由于膜的密度小,膜的折射率比块状氧化物折射率低得多。膜的吸收水蒸气和其他气体使其折射率和其他物理性质改变。在反应蒸发之前,把基底加热到300 ℃左右,可以提高膜的质量。虽然加热基底可能会导致较粗糙的膜结构、增加表面粗糙度,但是加热基底已成为镀膜过程的不可缺少的步骤。

　　c) 真空阴极磁控溅射镀膜（又称离线镀膜）[5]，分为热反射镀膜和低辐射Low-E镀膜。除此以外，采用真空磁控溅射镀膜法生产热反射镀膜玻璃，还具有膜层牢固和均匀，化学稳定性能好等优点，并且能获得多种理想光学性能和丰富的反射颜色。

　　采用热反射镀膜时，可以进行多层膜的生产，可形成的材料极多。离线低辐射Low-E镀膜需镀一层纯银薄膜作为功能膜，纯银薄膜在两层金属氧化物膜之间，金属氧化膜对纯银膜提供保护，且作为膜层之间的中间层，能增加颜色的纯度及光的透射水平。由于有多种金属靶材[6]可以选择，及多种金属靶材组合，所以溅射法生产的离线低辐射Low-E镀膜可由多种配置，在颜色和纯度方面溅射镀膜液优于热喷涂，而且离线法的新产品开发方面也比较灵活。最主要的优点在于溅射生产的离线低辐射Low-E镀膜[7]的中空玻璃其“U”值优于热解法产品的“U”值，但它的缺点就是膜层比较脆弱。

　　2 工艺比较

　　a) 溅射镀膜与蒸发镀膜相比，有许多优点,如任何物质均可以溅射，尤其是高熔点，低蒸气压元素和化合物；溅射膜与基板之间的附着性好；薄膜密度较高；膜厚可控制性和重复性较好等。缺点是设备比较复杂，需要高压装置；

　　b) 将蒸发法与溅射法相结合，即为离子镀。这种方法的优点是得到的膜与基板间有极强的附着力，有较高的沉积速率，膜的密度高。蒸发镀膜过程可以实现连续化。这种镀膜可以通过微调阀控制镀膜室中气体的成分和含量，按照人名的需求制成各种不同性质的薄膜；

　　c) 溶胶-凝胶法制备薄膜比起传统的制膜方法，具有以下优势：(a) 镀膜设备简单，易于操作；(b) 工艺过程温度较低，镀膜通常在室温或接近室温的环境下，形成的薄膜纯度较高；(c) 可以在大尺寸以及各种形状不规则基底上镀膜；(d) 化学计量比准确，易于改性，掺杂量的范围加宽，可以有效控制薄膜成分及微观结构。

　　3 应用

　　溶胶-凝胶法制备薄膜主要被用在制备减反膜、高反膜、电致或光致变色薄膜、光波导等方面。用反应蒸发镀膜法在制备各种滤光片、反射镜等方面也用的比较多。

　　采用磁控溅射镀膜法生产热反射镀膜玻璃，是目前国际上大面积生产镀膜玻璃的最先进工艺方法，比传统的镀膜方法在产品来年说在功能、劳动生产率、成本等方面有显著的改进。磁控溅射镀膜能够按需要的比例控制太阳直接辐射的反射、透过和吸收，并产生需要的反射颜色。其产品的特点是：a) 有效限制太阳直接辐射的入射量，遮阳效果较明显；b) 具备丰富多彩的反射色调和极佳的装饰效果；c) 对室内物体和建筑构件具有良好的视线遮蔽功能；d) 较理想的可见光透过比和反射比，减弱紫外光的透过，并且可以加工成中空热反射玻璃、夹层热反射玻璃等复合产品。此外，离线低辐射（Low-E）镀膜产品具有以下特点：a) 装饰效果好，多为中性色调，清淡、高雅；b) 节能性较好，由于表面辐射率E低，从而具有更低的传热系数“U”值；c)舒适性能好，在隔绝热辐射的同时，很好的保证了自然采光；d) 遮蔽系数Sc范围广，可满足不同地区的使用需求。

　　4 前景展望

　　镀膜技术在现代光通讯、光显示、光存储以及光成像中都具有极为广泛、重要的应用。近十年来国内光学薄膜技术产业化发展迅速，新兴的光学薄膜产业已经形成。笔者看到，光学薄膜技术在产业化发展的同时，自身的设计理论与制备技术以及应用研究也在不断发展。除了向极限光学性能的光学薄膜技术（极短波长的光学薄膜、极高精度的相位型光学薄膜等）发展之外，也在向微结构型光学薄膜的方向发展。从上述对几种光学薄膜技术的比较和薄膜应用分析可知，光学薄膜的应用领域的市场前景非常广阔，相信在未来的日子中光学薄膜一定可以有更好更长远的发展的。

　　参考文献

　　[1]Yoldas B E. Alumina gels that form porous transparent Al2O3.Mater Sci, 1975, 10(11):1856-1860.

　　[2]Lombardi T, Klein L C. Processing alumina gels: effects on surface area and pore volume. Adv Ceram Mater,1988,3(2):167 ～170.

　　[3]张勤俭 李  敏，等.用溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层工程陶瓷的表面改性研究[J].硅酸盐学报, 2001(5):7-8.

　　[4]Jing Chengbin, Zhao Xiujian, Han Jianjun, et al. A new method of fabricating internally sol -gel coated capillary tubes. Surface and Coatings Technology,2003,162(2-3):228-233.

　　[5]陈举强.卷绕式高真空镀铝膜蒸发舟及其使用工艺的探讨[J].真空，2002,39（3）:41-43.

　　[6]达道安.真空设计手册(第3版)[M].北京:国防工业出版社,2004.1122-1146.

　　[7]Rogozin A， Shevchenko N， Vinnichenko M， et al． Realtime evolution of the indium tin oxide film properties and structure during annealing in vacuum ［J].Journal of Applied Physics,2004,85(5):212-215．