薄膜技术发展历程.doc

薄膜技术发展历程(一)：镀膜发展史 化学镀膜最早用于在光学元件表面制备保护膜。随后，1817年，Fraunhofe在德国用浓硫酸或硝酸侵蚀玻璃，偶然第一次获得减反射膜，1835年以前有人用化学湿选法淀积了银镜膜它们是最先在世界上制备的光学薄膜。后来，人们在化学溶液和蒸气中镀制各种光学薄膜。50年代，除大快窗玻璃增透膜的一些应用外，化学溶液镀膜法逐步被真空镀膜取代。 真空蒸发和溅射这两种真空物理镀膜工艺，是迄今在工业撒谎能够制备光学薄膜的两种最主要的工艺。它们大规模地应用，实际上是在1930年出现了油扩散泵-机械泵抽气系统之后。 1935年，有人研制出真空蒸发淀积的单层减反射膜。但它的最先应用是1945年以后镀制在眼镜片上。1938年，美国和欧洲研制出双层减反射膜，但到1949年才制造出优质的产品。1965年，研制出宽带三层减反射系统。在反射膜方面，美国通用电气公司1937年制造出第一盏镀铝灯。德国同年制成第一面医学上用的抗磨蚀硬铑膜。在滤光片方面，德国1939年试验淀积出金属介质薄膜Fabry-Perot型干涉滤光片。 在溅射镀膜领域，大约于1858年，英国和德国的研究者先后于实验室中发现了溅射现象。该技术经历了缓慢的发展过程。1955年，Wehner提出高频溅射技术后，溅射镀膜发展迅速，成为了一种重要的光学薄膜工艺。现有两极溅射、三极溅射、反应溅射、磁控溅射和双离子溅射等淀积工艺。 自50年代以来，光学薄膜主要在镀膜工艺和计算机辅助设计两个方面发展迅速。在镀膜方面，研究和应用了一系列离子基新技术。1953年，德国的Auwarter申请了用反应蒸发镀光学薄膜的专利，并提出用离子化的气体增加化学反应性的建议。1964年，Mattox在前人研究工作的基础上推出离子镀系统。那时的离子系统在10Pa压力和2KV的放电电压下工作，用于在金属上镀耐磨和装饰等用途的镀层，不适合镀光学薄膜。后来，研究采用了高频离子镀在玻璃等绝缘材料上淀积光学薄膜。70年代以来，研究和应用了离子辅助淀积、反应离子镀和等离子化学气相等一系列新技术。它们由于使用了带能离子，而提供了充分的活化能，增加了表面的反应速度。提高了吸附原子的迁移性，避免形成柱状显微结构，从而不同程度地改善了光学薄膜的性能，是光学薄膜制造工艺的研究和发展方向。 实际上，真空镀膜的发展历程要远远复杂的多。我们来看一个这个有两百年历史的科技历程： 19世纪 真空镀膜已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。探索者的艰辛在此期间得到充分体现。1805年, 开始研究接触角与表面能的关系(Young)。1817年, 透镜上形成减反射膜(Fraunhofer)。1839年, 开始研究电弧蒸发(Hare)。1852年, 开始研究真空溅射镀膜(Grove;Pulker)。1857年, 在氮气中蒸发金属丝形成薄膜(Faraday;Conn)。 1874年, 报道制成等离子体聚合物(Dewilde;Thenard)。1877年,薄膜的真空溅射沉积研究成功(Wright)。1880年, 碳氢化合物气相热解(Sawyer;Mann)。1887年, 薄膜的真空蒸发(坩埚) (Nahrwold;Pohl;Pringsheim)。1896年, 开始研制形成减反射膜的化学工艺。1897年, 研究成功四氯化钨的氢还原法(CVD); 膜厚的光学干涉测量法(Wiener)。 20世纪的前50年 1904年, 圆筒上溅射镀银获得专利(Edison)。 1907年, 开始研究真空反应蒸发技术(Soddy)。1913年, 吸附等温线的研究(Langmuir,Knudsen,Knacke等)。1917年, 玻璃棒上溅射沉积薄膜电阻。1920年, 溅射理论的研究(Guntherschulzer)。1928年, 钨丝的真空蒸发(Ritsehl,Cartwright等) 。1930年, 真空气相蒸发形成超微粒子(Pfund)。1934年, 半透明玻璃纸上金的卷绕镀(Kurz,Whiley); 薄膜沉积用的玻璃的等离子体清洗(Bauer,Strong)。1935年, 金属纸电容器用的Cd:Mg和Zn的真空蒸发卷绕镀膜研究成功(Bausch,Mansbridge); 帕洛马100英寸望远镜镜面镀铝(Strong);光学透镜上镀制单层减反射膜(Strong,Smakula); 金属膜生长形态的研究(Andrade,Matindale)。1937年, 使用铅反射器的密封光束头研制成功(Wright); 真空卷绕蒸发镀膜研制成功(Whiley); 磁控增强溅射镀膜研制成功(Penning)。1938年, 离子轰击表面后蒸发取得专利(Berghaus)。1939年, 双层减反射膜镀制成功(Cartwright,Turner)。 1941年, 真空镀铝网制成雷达用的金属箔。1942年, 三层减反射膜的镀制(Geffcken); 同位素分离用的金属离子源研制成功。1944年, 玻璃的电子清洗研制成功(Rice,Dimmick)。1945年, 多层光学滤波器研制成功(Banning,Hoffman)。1946年, 用X射线法吸收法测量薄膜的厚度(Friedman,Birks); 英国Goodfellow公司成立。1947年,200英寸望远镜镜面镀铝成功。1948年，美国国家光学实验室（OCLI）建立；沉积粒子的真空快速蒸发（Harris，Siegel）；用光透过率来控制薄膜的厚度（Dufour）。1949年，非金属膜生长形态的研究（Schulz）。 1950年，溅射理论开始建立（Wehner）；半导体工业开始起步；各种微电子工业开始起步；冷光镜研制成功（Turner，Hoffman，Schroder）；塑料装饰膜开始出现（holland等）。 20世纪的后50年 这是薄膜技术获得腾飞的50年。真空获得、真空测量取得的进展是薄膜技术迅速实现产业化的决定性的因素。1952年，表面自动洁净的溅射清洗方法研制成功；开始研究新的反应蒸发方法（Auwarter，Brinsmaid）；开始研究耐腐蚀的等离子体聚合物膜。 1953年，美国真空学会成立；以卷绕镀膜的方法制成抗反射的薄膜材料（3M公司）。1954年，开始研制新型真空蒸发式卷绕镀膜机（Leybold公司）。1955，薄膜沉积的电子束蒸发技术开始成熟（Ruhle）；开始提出介质的射频溅射方法（Wehner）。1956年，美国第一台表面镀有金属膜的汽车问世（Ford汽车公司）。1957年,真空镀镉方法被航空工业所接受; 研究光学膜的反应蒸镀方法(Brismaid,Auwarter等); 美国真空镀膜学会成立.1958年, 薄膜的外延生长技术研制成功(Gunther); 美国航空航天局(NASA) 成立.1959年, 磁带镀膜设备研制成功(Temescal公司).1960年, 聚合物表面等离子体活性沉积方法出现(Sharp,Schorhorm); 电推进器用离子源研制成功(Kauffman); 石英晶体膜厚测量仪研制成功.1961年, 低辐射率玻璃研制成功(Leybold公司); 开始研究元素的溅射产额(Laegried,Yamamura等).1962年, 开始研究用于化学分析的溅射方法; 碳(Massey) 和金属(Lucas) 的电弧气相沉积; 研究作为清洗用的介质的射频溅射方法(Stuart,Anderson等);Leybold公司的产品进入美国市场; 开始考虑元素的蒸气压(Hoenig).1963年, 开始研制部分暴露大气的连续镀膜设备(Charschan,Savach等); 离子镀膜工艺研制成功(Mattox).1964年, 光生伏打薄膜的PECVD(等离子体增强化学气相沉积) 方法研制成功(Bradley等).1965年, 偏压溅射沉积方法研制成功(Maissel等); 薄膜的激光气相沉积方法研制成功(Smith,Turner); 绝缘材料的射频溅射沉积方法研制成功(Davidse,Anderson等); 脉冲激光沉积方法研制成功(Smith等); 醋酸纤维膜所用的多层真空金属网带膜研制成功(Galileo).1966年，核反应堆中的离子镀铝(Mattox等); 作为润滑剂用的软金属的离子镀膜研制成功(Spalvins); 附着性能好的阳光反射膜(3M公司).1967年, 刀具上溅射镀铬成功(Lane);真空离子镀膜方法取得专利(Mattox); 三极溅射方法研制成功(Baun,Wan等); 高真空条件下，引爆膜的沉积(Mattox).1968年, 旋转箱中，小型部件的离子镀膜(Mattox,Klein), 这个方法后来在航天工业中叫做离子气相沉积.1969年, 磁控溅射在半球形部件内部进行，多种滋控溅射源取得专利(Mullay);Leybold公司的新型溅射镀膜机问世；蒸发薄膜形态图出版发行。 20世纪70年代各种真空镀膜技术的应用全面实现产业化。薄膜技术的发展进入黄金时期。1970年，真空蒸发的空心阴极电子源研制成功（ULVAC公司）；高沉积速率多层光学镀膜机研制成功（OCLI）；空心阴极离子镀膜设备在日本出现（ULVAC公司）。1971年，用离子轰击的方法在玻璃上镀膜的公司在不少国家大量涌现；硬碳膜研制成功（Aisenberg等）；锥形部件内的磁控溅射方法取得专利（Clarke）；任意位置的阳极电弧蒸发源出现（Snaper，Sablev）；蒸发过程中，活性气体的等离子体激活（Heitman，Auwarter等）；镀铝的香烟包装纸研制成功（Galileo）；使用电子束蒸发源的离子镀膜设备出现（Chamber公司）。1972年，粒子束团沉积方法研制成功（Tagaki）；采用离子枪的高真空溅射镀膜设备出现（Weissmantel）；薄膜形态的同步轰击效应的研究（mattox等）；细网上镀膜的设备获得广泛应用。1973年，电镀行业采用新型质优价廉的离子镀膜设备（Bell公司）；等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法在平形板反应堆中应用（Reinberg）。1974年，超紫外臭氧清洗技术出现（Sowell，Cuthrell等）；离子轰击膜中压缩应力的研究(Sowell,Cuthrell等); 平面磁控镀膜技术取得专利(Chapin).1975年，反应离子镀膜技术研制成功(Murayama等); 柱状阴极磁控溅射技术取得专利(Penfold等); 族半导体材料的分子束外延（MBE）研制成功（Cho，Arthur）；交替式离子镀膜技术研制成功（Schiller）；汽车车架上镀铬出现（Chevrolet）。1976年，离子枪用于沉积薄膜的同步轰击（Weissmantel）。1977年，中频平面磁控反应溅射沉积法研制成功（Cormia等）；ITO膜的真空卷绕镀研制成功（Sierracin，Sheldahl等）；幕墙玻璃在线溅射镀膜设备研制成功（Airco Temescal公司）；溅射薄膜形态图出版发行（Thornton等）；在细网上溅射加热镀镜面膜（Chahroudi）。1978年，在细网上镀制光衍射膜成功（Coburn公司）；可控电弧蒸发源研制成功（Dorodnov）；等离子体暗弧蒸发研制成功（Aksenov等）；窗用ITO膜溅射沉积方法研制成功（后来简称CP膜）；微弯柔性电路板问世（3M公司）。1979年，商用在线低辐射率玻璃镀膜设备投入使用；溅射沉积网状膜实现产业化（Cormia Chahroudi公司）；平面磁控阴极溅射取得专利（BOCCT公司）；在线高沉积速率玻璃溅射镀膜设备问世（Leybold公司）。 1980年，离子枪改善蒸镀铬膜的应力（Hoffman，Gaerttner）；第一台大型溅射卷绕镀膜设备问世（Leybold公司）；多弧气相沉积在美国实现产业化；Ag基热控镀膜实现产业化（Leubold公司）。1981年，在工具上用物理气相沉积法镀硬膜；装饰硬件的装饰膜和多功能膜（Leybold公司）；装饰膜的溅射离子镀（Leybold公司）；溅射卷绕镀设备问世（Leybold公司）；高沉积速率的在线ITOAgITO镀膜设备问世（Leybold公司）；表面镀银的反射膜研制成功（3M公司）。1982年，超微粒子的气相蒸发实现产业化（ULVAC公司）；旋转磁控柱状阴极取得专利（Mckelvey）；旋转平面溅射靶研制成功（Tico Titanium公司）.1983年，轰击增强化学活性的研究(Lincoln,Geis等); 旋转柱状磁控溅射靶研制成功(Robinson); 高密度光盘问世(Phillips,Sony公司); 磁带用网状镀膜设备产业化(Leybold公司); 蒸发区真空度不断变化时形成金属化细网(Galileo公司).1984年，a-Si光生伏打薄膜的网状镀制(Energy Conversion Devices公司).1985年，真空蒸镀多层聚合物膜取得专利(GE公司).1986年，非平衡磁控溅射法的研究(Windows等)。1987年，高温超导薄膜的激光剥离沉积（Dijkkamp等）；无栅极的霍尔离子源研制成功（Kaufman，Robinson等）；彩色喷墨打印问世（OCLI）。1988年，双阴极中频溅射离子源研制成功（Este等）；直流柱状旋转磁控溅射技术实现产业化（BOCCT公司）；溅射沉积薄膜时控制应力的加压脉冲法研制成功（Cuthrell，Mattox）。1989年，考陶尔兹功能薄膜问世，现在通称为CP膜。 1990年，双交流中频磁控溅射技术成熟（Leybold公司）；用于金融柜安全的细网镀膜设备研制成功（ULVAC公司）；用于细网镀膜的摇盘研制成功（Leybold公司）；氧化铝的中频反应溅射沉积方法研制成功(Leybold公司.1991年, 丙烯酸类聚合物上镀膜成功;ZrN装饰膜产业化(Leybold).1993年，刮刀镀膜技术取得专利（Gillette公司）；1995年，氧化硅阻挡膜取得专利（BOCCT公司）；用于汽车车灯的在线团束溅射镀膜技术研制成功（Leybold公司）。1997年，丙烯酸类聚合物镀膜技术更名为V技术；硅上用物理气相沉积法镀TaN和Cu（IBM公司）；用于装饰膜的离线团束镀膜设备研制成功（Leybold公司）。1998年，采用滤波电弧源的刮刀镀膜设备投产（Gillette公司）。1999年，V技术用于大面积玻璃的纵向镀膜。