半岛彩票:柔性薄膜制备技术的发展前景及待解决的问题

　　当前，新材料的研发向多功能化、复合化、低维化发展，在柔性基材表面制备柔性功能薄膜是一个重要的方向。功能薄膜与柔性基材的复合制备柔性薄膜在卫生、环保、电子、机械、印刷、航空航天等领域都有着重要的应用和广阔的前景，因此越来越受到各国研究机构和工业界的重视，并投入大量人力、物力、财力进行相关研发。在柔性基材表面制备柔性功能薄膜最常见的就是高分子薄膜上沉积铝薄膜，实现表面金属化，从而大大提高了气密性。当人们设计并制造出高速、大面积沉积铝薄膜的卷绕镀设备后[1]，便宜、可任意加工的表面金属化塑料、纸张等材料很快就在包装行业得到了广泛的应用。

　　科学家与工程师们可以在柔性基材表面制备磁性、光学、电学和热学等不同物理、化学性质的柔性功能薄膜，包括金属、无机非金属和有机高分子薄膜。现已发展出很多新型的制备技术，包括物理气相沉积、化学气相沉积、电化学方法、转印技术等。基材的种类也在不断改进与更新中，涉及到各种特殊的纸张、高分子薄膜、金属箔材(如铝箔、铜箔、镍带、钢带等)等柔性材料。

　　制备柔性功能薄膜的方法主要有真空卷绕镀膜技术，即将柔性基材卷绕在真空室里的轮筒上，在转动的过程中镀膜，薄膜沉积方法包括热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射和化学气相沉积等技术[2]。传统的热蒸发卷绕镀膜机的结构如图1所示，真空室内包括卷绕机构和蒸发机构。卷绕机构由放轮、收轮和冷轮组成，冷棍冷却温度可达–120 ℃。卷绕速度根据镀膜厚度确定，这种由放轮到收轮的过程又称为卷对卷制备技术[3]。蒸发机构位于冷轮下方，主要由热蒸发舟组成，可自动送丝，蒸发舟的位置经过合理设置后可以保证镀膜的均匀性，该方法比较适合低熔点的 材料，如Al、Ag为减小柔性基材和功能薄膜的厚度、提高后续器件的集成度，就需要提高所沉积薄膜质量。一般采用镀膜前预处理的办法，如图2所示，塑料薄膜从放轮出来后先经过等离子体轰击区，将表面用等离子体活化、粗糙化，以增强蒸发镀膜的附着力，然后被压轮压在冷轮上，冷轮转到电子束辐射区时，用电子束进行预扫描，可以有效降低沉积薄膜时表面温度、提高沉积速度、减少[4]。

　　当镀膜材料熔点增高，而且不能变形(如无机氧化物材料)，不能采用连续送丝的方法供料时，就需要采用电子束蒸发的方法[5]。电子束蒸发卷绕镀设备与热蒸发的结构相似，所不同的是采用电子枪作为蒸发源，将物料装载在一个很大的绀蜗里，电子束可以在物料上以很高的速度扫描，以保持镀膜的均匀性。

　　磁控溅射适合合金和各种化合物薄膜材料的制备，而且具有附着力强、不受材料熔点限制等特点。靶的设计和靶材的利用率是这种技术的关键。一般来说磁控溅射的沉积速率低于电子束蒸发，所以通常采用多个靶连续溅射，如图3中所示5靶溅射卷绕镀设备。磁控溅射靶除平面靶外，还有孪生靶，适用于磁性薄膜的表面等离子体扫描式溅射靶[6]和圆柱靶[7]。图4示出由清华大学研制的磁控溅射卷绕镀设备。

　　真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景比如是在制造大规模集成电路的电学膜；数字式纵向与横向均可磁化的数据纪录储存膜；在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜；在计算机显示用的感光膜；在TFT、PDP平面显示器上的导电膜和增透膜；在建筑、汽车行业上应用的玻璃镀膜和装饰膜；在包装领域用防护膜、阻隔膜；在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功能膜；在工、模具上应用的耐磨超硬膜；在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等等都是真空镀膜技术及设备在广泛应用的基础上得到的不断发展的领域。

　　从中国的真空镀膜技术及设备的发展历史来看，是从20世纪60年始的，从无到有，从模仿设计、自行研制到技术引进，并在技术引进的基础上促进了自行研制和发展，特别是在20世纪80-90年代我国的真空镀膜技术及设备都取得了长足的发展，在一些薄膜的应用领域里甚至得到了跨越式的进展。但随着中国进入WTO和世界经济全球化进程的加快，我国的真空镀膜技术及设备已经面临和正在面临着国外拥有先进的真空镀膜技术和设备的跨国公司的强有力的竞争和挑战，这种竞争和挑战迫使我们要同世界贸易组织的成员国一样，在同等条件下参与整个世界市场的竞争。但机遇也伴随竞争和挑战降临，主要的机遇在于中国入世后将逐步成为世界各经济国的加工基地，同时设备制造的国际性优质配件的采购也将更容易，采购成本也会降低，国产设备的品质会得到大幅度的提高。

　　近年来，国内外真空镀膜技术在各种领域上的应用是发展得非常快的，在各种光学零件的光学镀膜方面，主要是利用传统的电阻蒸发、电子束蒸发、低压等离子辅助镀膜、磁控溅射的方法来制备各种具有光学特性的镜片和棱镜，在有机或无机材料上镀宽带增透膜、红外膜、激光膜、冷光反射等光学薄膜，它主要是利用高速磁控溅射技术在大面积的玻璃表面镀制膜层厚度均匀，并且具有各种光学特性的薄膜，如高透明度、色泽中性、低辐射率薄膜；用于TFT、PDP平板显示技术的透明导电膜和防护膜；用于背投电视的反射成像膜层等。完成光学薄膜制备的设备主要是箱式真空镀膜机、隧道式连续磁控溅射台等。国外的生产厂家生产的设备有日本SHINCRON生产的CES系列连续式真空镀膜机、日本OPTORUN生产的OTFC-1100型箱式真空镀膜机、德国Leybold Optics生产的SYRUS系列箱式真空镀膜机、韩国Hanil生产的HVC-900系列箱式真空镀膜机等等。国内的生产厂家生产的设备有固投南光有限公司生产的ZZS500--2200系列箱式真空镀膜机、北京北仪生产的ZZSX系列箱式真空镀膜机、上海曙光机器厂生产的KD系列箱式真空镀膜机、广东振华生产的GX系列箱式真空镀膜机等等；在电子学、半导体器件、大规模集成电路制造上，真空镀膜技术利用电阻蒸发和电子束蒸发主要用于基片的金属化、混合电路与无源电路组件的制造，利用磁控溅射技术制作半导体的单层或多层金属化膜、透明导电膜与用于电子学的ITO膜、继电器的电接触组件与控制电路元件金属化膜等电学膜等等。国外已经研发出的技术有美国NOVELLUE公司的In OVA磁控溅射系统、美国VARIAN公司的XM-90磁控溅射系统、日本ULVAC公司的CERAUS ZX-1000磁控溅射系统。国内已经研发出的技术有国投南光有限公司JC500-2／D磁控溅射系统、沈阳科仪的JGP240磁控溅射系统、北京北仪创新JDS-800磁控溅射系统等等；卷绕真空镀膜主要是利用电阻蒸发、电子束蒸发、磁控溅射技术在带状的非金属和金属基材上镀制具有装饰和保护特性的包装和装饰膜材、具有电学特性的电容器用金属化薄膜带材，具有磁纪录特性的录像带、软盘用带材等等。卷绕真空镀膜设备国外主要厂家有德国应用薄膜、意大利伽里略。国内主要厂家设备有国投南光有限公司生产的ZZ65O-D电容器类设备、上海曙光机器厂生产的ZZB-2500系列包装装饰类设备等等。

　　与国外厂家同类设备相比，我国生产的设备主要的差距在于设备的自动化程度低，镀层控制精度低，设备的可靠性和生产效率低，全自动控制较少，设备的研发落后于镀膜工艺技术的发展和市场的需求，比如在半导体集成电路生产用的磁控溅射设备和电子束蒸发设备研究上，国内研制已有近三十年的历史，虽然在技术性能和水平方面有很大的进步，但在设备的可靠性和金属化薄膜沉积工艺开发方面与国际先进水平相比差距还很大，国内集成电路生产线所使用的溅射设备绝大部分是进口设备，而国产的磁控溅射设备多数出在研究所的试验室内，用于作工艺的研究[8]。

　　真空镀膜工艺技术的不断发展，也推动了真空镀膜设备的不断更新，真可谓是一代工艺、一代设备，而各类新的真空镀膜设备的出现，又为先进、复杂的工艺应用于工业化生产提供了可靠的保证。

　　原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到固体(称为衬底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。根据蒸发源形式的不同，真空蒸发镀膜又可以分为下列几种:

　　采用钽，钼，钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料,让气流通过,对蒸发材料进行直接加热蒸发,或者把待蒸发材料放入氧化铝，氧化铍等坩锅中进行间接加热蒸发，这就是电阻加热蒸发法。

　　利用电阻加热器加热蒸发的镀膜机结构简单，造价便宜，使用可靠，可用于熔点不太高的材料的蒸发镀膜，尤其适用于对镀膜质量要求不太高的大批量的生产中，迄今为止，在镀铝制镜的生产中仍然大量使用着电阻加热蒸发的工艺。

　　电阻加热方式的缺点是:加热所能达到的最高温度有限，加热器的寿命液较短。近年来，为了提高加热器的寿命，国内外已采用寿命较长的氮化硼合成的导电陶瓷材料作为加热器。据日本专利报道，可采用20% ~ 30%的氮化硼和能与其相熔的耐火材料所组成的材料来制作坩锅，并在表面涂上一层含62%~82%

　　将蒸发材料放入水冷钢坩锅中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜,是真空蒸发镀膜技术中的一-种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。

　　依靠电子束轰击蒸发的真空蒸镀技术，根据电子束蒸发源的形式不同，又可分为环形枪，直枪，e型枪和空心阴极电子枪等几种。

　　环形枪是由环形的阴极来发射电子束，经聚焦和偏转后打在坩锅内使金属材料蒸发。它的结构较简单，但是功率和效率都不高，基本上只是一种实验室用的设备，目前在生产型的装置中已经不再使用。

　　直枪是一种轴对称的直线加速枪，电子从灯丝阴极发射，聚成细束，经阳极加速后打在坩锅中使镀膜材料融化和蒸发。直枪的功率从几百瓦至几百千瓦的都有，有的可用于真空蒸发，有的可用于真空冶炼。直枪的缺点是蒸镀的材料会污染枪体结构，给运行的稳定性带来困难，同时发射灯丝、上逸出的钠离子等也会引起膜层的污染，最近由西德公司研究，在电子束的出口处设置偏转磁场，并在灯丝部位制成一套独立的抽气系统而做成直枪的改进形式,不但彻底干便了灯丝对膜的污染，而且还有利于提高枪的寿命。

　　e型电子枪，即270摄氏度偏转的电子枪克服了直枪的缺点，是目前用的较多的电子束蒸发源之一。e型电子枪可以产生很多的功率密度，能融化高熔点的金属，产生的蒸发粒子能量高，使膜层和基底结合牢固，成膜的质量较好。缺点使电子枪要求较高的真空度，并需要使用负高压，真空室内要求有查压板，这些造成了设备结构复杂，安全性差，不易维护，造价也较高。

　　空心阴极电子枪是利用低电压，大电流的空心阴极放电产生的等离子电子束作为加热源。空心阴极电子枪用空心的钽管作为阴极，坩锅作为阳极，钽管附近装有辅助阳极。利用空心阴极电子枪蒸镀时，产生的蒸发离子能量高，离化率也高，因此，成膜质量好。空心阴极电子枪对真空室的真空度要求比e型电子枪低，而且是使用低电压.工作，相对来说，设备较简单和安全，造价也低。目前，在我国e型电子枪和空心阴极电子枪都已成功地应用于蒸镀及离子镀的设备中。枪的功率可达10 几万千瓦，已经为机械，电子等工业镀出了各种薄膜。

　　(1)电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。可以将高达3000度以上的材料蒸发，并且能有较高的蒸发速度;

　　(2)由于被蒸发的材料是置于水冷坩锅内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要;

　　高频感应蒸发源是将装有蒸发材料的石墨或陶瓷坩锅放在水冷的高频螺旋线圈中央，使蒸发材料在高频带内磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失(对铁磁体)，致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。膜材的体积越小，感应的频率就越高。在钢带上连续真空镀铝的大型设备中，高频感应加热蒸镀工艺已经取得令人满意的结果。

　　采用激光束蒸发源的蒸镀技术是一种理想的薄膜制备方法。这是由于激光器可能安装在真空室之外，这样不但简化了真空室内部的空间布。