真空鍍膜技術與應用（簡體書）

本書系統全面地闡述了真空鍍膜技術的基本理論知識體系以及各種真空鍍膜方法、設備及工藝。對的薄膜類型、性能檢測及評價、真空鍍膜技術及裝備等內容也進行了詳細的介紹，如金剛石薄膜的應用及大面積制備技術、工藝、性能評價等。
本書敘述深入淺出，內容豐富而精煉，工程實踐性強，在強化理論的同時，重點突出了工程應用，具有很強的實用性，通俗易懂、簡單易學。
本書適用於從事真空鍍膜技術、薄膜與表面工程、材料工程等領域相關研究、設計、設備操作及維護工作的技術人員，也可以作為與真空鍍膜技術有關的研究人員和真空專業的本科生、研究生教材及參考書使用。

遼寧省高校創新團隊帶頭人，入選遼寧省百千萬人才工程“百人層次”和榮獲省YOUXIU科技工作者、沈陽市“十大科技英才”等稱號，全國光學功能薄膜材料標準化技術會員會委員、全國硬切削材料刀具分技術委員會委員。
主要從事金剛石塗層刀具、硬脆性材料精密加工技術等方面研究，其中基於金剛石塗層刀具性能和切削加工工藝的研究成果，為金剛石塗層刀具在難加工材料精加工領域的推廣奠定了技術基礎。先後承擔完成了GJ級、省（部）級以上課題45項，發表高水平論文80多篇，被三大檢索數據庫收錄42篇，公開出版著作3部，授權專利8項，獲中國專利金獎、遼寧省技術發明一等獎在內科研獎勵16項。

書系統全面地闡述了真空鍍膜技術的基本理論知識體系以及各種真空鍍膜方法、設備及工藝。對的薄膜類型、性能檢測及評價、真空鍍膜技術及裝備等內容也進行了詳細的介紹，如金剛石薄膜的應用及大面積制備技術、工藝、性能評價等方面。
本書敘述深入淺出，內容豐富而精煉，工程實踐性強，在強化理論的同時，重點突出了工程應用，具有很強的實用性，通俗易懂、簡單易學。

真空鍍膜技術是當前最有發展前途的表面技術之一，在高技術產業化的發展中已展現出誘人的市場前景。為了進一步推廣真空鍍膜技術在國民經濟各個領域中的應用，按照技術實用性、系統性的編寫指導原則，並吸納國內外真空鍍膜技術最新發展成果，我們編著了《真空鍍膜技術與應用》。本書的內容適合從事真空鍍膜技術工作的相關人員進行系統性學習，對解決真空鍍膜方面的工程問題也具有指導性的作用。
全書共9章。介紹了真空鍍膜技術的基礎，包括薄膜的應用、真空鍍膜的理論基礎、薄膜生長機理及影響因素；還介紹了各種真空鍍膜方法、設備及工藝實例，包括蒸發鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜、離子束（輔助）沉積以及化學氣相沉積（CVD）等；後面又介紹了真空鍍膜的共性內容，包括薄膜厚度及特性測量、結構表征及性能分析等。
本書具有一定的理論基礎性、技術針對性和通用通識性。
需要重點說明的是：
（1）本書是在《真空鍍膜》（李云奇編著）的基礎上，進行了內容的調整，並增加了最新的真空鍍膜新技術及應用方面的內容。
（2）本人在東北大學讀書期間，曾獲得李云奇老師在真空鍍膜知識方面的直接傳授，因此本書也是李云奇老師真空鍍膜知識體系的傳承與發展，在此對李云奇老師表示真誠的感謝和崇高的敬意！
（3）本書第1章真空鍍膜技術概論中的1.5.3~1.6.1節，是由崔遂先高級工程師編寫完成的，第4章4.3.4大面積連續式磁控濺射鍍膜設備是由談治信高級工程師編寫完成的，在此對他們表示崇高的敬意和感謝！
（4）本書的內容策劃工作由徐成海教授主持，在書稿組織過程中也得到了張世偉教授的指導，對兩位老師的辛勤工作表示衷心的感謝！
（5）新增內容的整理和校對工作由鄭桐翔和丁藝完成，在此一並致謝！
（6）本書在編寫過程中，還得到化學工業出版社的大力支持，在此表示誠摯的謝意！
由於編著者水平有限，編寫時間也比較倉促，書中難免存在疏漏及不當之處，懇請讀者指出並多提寶貴意見。

編著者
2021.9

第1章真空鍍膜技術概論1
1.1概述1
1.2影響固體表面結構、形貌及其性能的因素2
1.2.1原子和分子構成固體物質2
1.2.2多晶體物質結構2
1.2.3材料受到的各種應力負荷2
1.2.4材料加工所帶來的缺陷2
1.2.5基片表面塗敷硬質薄膜的必要性2
1.3基片與薄膜的匹配3
1.3.1基片的表面形貌、熱膨脹系數對薄膜的影響3
1.3.2基片與薄膜的選擇原則3
1.4真空鍍膜及其工藝特點和應賦予塗層的功能4
1.5薄膜的特徵4
1.5.1薄膜的結構特徵5
1.5.2金屬薄膜的電導特徵5
1.5.3金屬薄膜電阻溫度系數特徵5
1.5.4薄膜的光學特徵6
1.5.5薄膜的密度特徵6
1.5.6薄膜的時效變化特徵6
1.6薄膜的應用6
1.6.1電子工業用薄膜7
1.6.2光學工業中應用的各種光學薄膜7
1.6.3光伏產業中薄膜的應用8
1.6.4刀具行業中薄膜的應用8
1.6.5機械、化工、石油等工業中應用的硬質膜、耐蝕膜和潤滑膜8
1.6.6有機分子薄膜9
1.6.7民用及食品工業中的裝飾膜和包裝膜9
1.7真空鍍膜的發展歷程及最新進展9
參考文獻10

第2章真空鍍膜技術基礎11
2.1真空鍍膜物理基礎11
2.1.1真空及真空狀態的表征和測量11
2.1.2氣體的基本性質12
2.1.3氣體的流動與流導17
2.1.4氣體分子與固體表面的相互作用18
2.2真空鍍膜低溫等離子體基礎22
2.2.1等離子體及其分類與獲得23
2.2.2低氣壓下氣體的放電24
2.2.3低氣壓下氣體放電的類型32
2.2.4低氣壓下冷陰極氣體輝光放電32
2.2.5低氣壓非自持熱陰極弧光放電41
2.2.6低氣壓自持冷陰極弧光放電43
2.2.7磁控輝光放電44
2.2.8空心冷陰極輝光放電46
2.2.9高頻放電47
2.2.10等離子體宏觀中性特徵及其中性空間強度的判別49
2.3薄膜的生長與膜結構51
2.3.1膜的生長過程及影響膜生長的因素51
2.3.2薄膜的結構及其結構缺陷54
2.4薄膜的性質及其影響因素57
2.4.1薄膜的力學性質及其影響因素57
2.4.2薄膜的電學性質61
2.4.3薄膜的光學性質及其影響膜折射率的因素62
2.4.4薄膜的磁學性質62
參考文獻63

第3章真空蒸發鍍膜64
3.1真空蒸發鍍膜技術64
3.1.1真空蒸發鍍膜原理及蒸鍍條件64
3.1.2薄膜材料70
3.1.3合金膜的蒸鍍77
3.1.4化合物膜的蒸鍍78
3.1.5影響真空蒸鍍性能的因素80
3.2分子束外延技術81
3.2.1分子束外延生長的基本原理與過程81
3.2.2分子束外延生長的條件、制備方法與特點81
3.2.3分子束外延生長參數選擇82
3.2.4影響分子束外延的因素83
3.2.5分子束外延裝置84
3.3脈衝激光沉積技術(PLD)87
3.3.1PLD的基本原理及特點87
3.3.2PLD技術的應用88
3.4真空蒸發鍍膜設備89
3.4.1真空蒸發鍍膜機的類型及其結構89
3.4.2真空蒸發鍍膜機中的主要構件103
3.4.3蒸發源109
3.5真空蒸發塗層的制備實例140
3.5.1真空蒸鍍鋁塗層140
3.5.2真空蒸鍍Cd(Se，S)塗層141
3.5.3真空蒸鍍ZrO2塗層143
3.5.4分子束外延生長金單晶塗層144
參考文獻146

第4章真空濺射鍍膜148
4.1真空濺射鍍膜的復興與發展148
4.2真空濺射鍍膜技術148
4.2.1真空濺射鍍膜的機理分析及其濺射過程148
4.2.2靶材粒子向基體上的遷移過程154
4.2.3靶材粒子在基體上的成膜過程154
4.2.4濺射薄膜的特點及濺射方式155
4.2.5直流濺射鍍膜158
4.2.6磁控濺射鍍膜161
4.2.7射頻濺射鍍膜179
4.2.8反應濺射鍍膜182
4.2.9中頻濺射與脈衝濺射鍍膜184
4.2.10對向靶等離子體濺射鍍膜189
4.2.11偏壓濺射鍍膜190
4.2.12非平衡磁控濺射191
4.3真空濺射鍍膜設備192
4.3.1濺射靶192
4.3.2間歇式真空濺射鍍膜機195
4.3.3半連續磁控濺射鍍膜機196
4.3.4大面積連續式磁控濺射鍍膜設備198
參考文獻214

第5章真空離子鍍膜215
5.1真空離子鍍膜及其分類215
5.2離子鍍膜原理及其成膜條件216
5.3離子鍍膜過程中等離子體的作用及到達基體入射的粒子能量217
5.4離子轟擊在離子鍍過程中產生的物理、化學效應218
5.5離化率與中性粒子和離子的能量及膜層表面上的活化系數219
5.5.1離化率219
5.5.2中性粒子所帶的能量220
5.5.3離子能量220
5.5.4膜層表面的能量活化系數220
5.6離子鍍塗層的特點及其應用範圍221
5.7離子鍍膜的參數223
5.7.1鍍膜室的氣體壓力223
5.7.2反應氣體的分壓224
5.7.3蒸發源功率224
5.7.4蒸發速率225
5.7.5蒸發源和基體間的距離225
5.7.6沉積速率225
5.7.7基體的負偏壓226
5.7.8基體溫度226
5.8離子鍍膜裝置及常用的幾種鍍膜設備227
5.8.1直流二極、三極及多極型離子裝置227
5.8.2活性反應離子鍍膜裝置228
5.8.3空心陰極放電離子鍍膜裝置230
5.8.4射頻放電離子鍍膜裝置233
5.8.5磁控濺射離子鍍膜裝置233
5.8.6真空陰極電弧離子鍍膜裝置236
5.8.7冷電弧陰極離子鍍膜裝置244
5.8.8熱陰極強流電弧離子鍍膜裝置245
參考文獻246

第6章離子束沉積與離子束輔助沉積247
6.1離子束沉積技術247
6.1.1離子束沉積原理及特點247
6.1.2直接引出式離子束沉積技術248
6.1.3質量分離式離子束沉積技術248
6.1.4離化團束沉積技術249
6.1.5等離子體浸沒式沉積技術250
6.1.6氣固兩用離子束沉積技術251
6.2離子束輔助沉積技術251
6.2.1離子束輔助沉積過程的機理252
6.2.2離子束輔助沉積的方式及其能量選擇範圍252
6.2.3離子束輔助沉積技術的特點253
6.2.4離子束輔助沉積裝置253
6.2.5微波電子回旋等離子體增強濺射沉積裝置258
6.2.6離子源258
參考文獻261

第7章化學氣相沉積262
7.1概述262
7.2CVD技術中的各類成膜方法及特點262
7.3CVD技術的成膜條件及其反應類型263
7.3.1CVD反應的條件263
7.3.2CVD技術的反應類型263
7.4化學氣相沉積用先驅反應物質的選擇265
7.5影響CVD沉積薄膜質量的因素266
7.5.1沉積溫度對膜質量的影響266
7.5.2反應氣體濃度及相互間的比例對膜質量的影響267
7.5.3基片對膜質量的影響267
7.6常壓化學氣相沉積技術與裝置268
7.6.1常壓CVD技術的一般原理268
7.6.2常壓的CVD裝置270
7.7低壓化學氣相沉積(LPCVD)271
7.7.1LPCVD的原理及特點271
7.7.2LPCVD裝置的組成271
7.7.3LPCVD制備塗層的實例272
7.8等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)273
7.8.1PECVD的成膜過程及特點274
7.8.2PECVD裝置275
7.8.3PECVD薄膜的工藝實例277
7.9熱絲化學氣相沉積279
7.9.1HFCVD的工作原理及特點280
7.9.2HFCVD的裝置構成280
7.9.3HFCVD金剛石薄膜的工藝281
7.10微波等離子體化學氣相沉積283
7.10.1MPCVD的基本原理及特點283
7.10.2MPCVD的裝置構成284
7.10.3MPCVD設備的應用實例287
7.11金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)287
7.12光輔助化學氣相沉積(PHCVD)289
7.13原子層沉積290
參考文獻291

第8章薄膜的測量與監控292
8.1概述292
8.2薄膜厚度的測量292
8.2.1薄膜厚度的光學測量法293
8.2.2薄膜厚度的電學測量法299
8.2.3薄膜厚度的機械測量法304
8.3薄膜應力的測量305
8.3.1基片變形法305
8.3.2衍射法307
8.4薄膜的附著力測量307
8.4.1膠帶剝離法308
8.4.2拉倒法308
8.4.3拉張法309
8.4.4劃痕法309
8.5薄膜的硬度測量310
8.5.1維氏硬度311
8.5.2努氏硬度311
8.6薄膜的光譜特性測量312
參考文獻313

第9章薄膜性能分析315
9.1概述315
9.2電子作用於固體表面上所產生的各種效應316
9.2.1背散射電子316
9.2.2二次電子317
9.2.3吸收電子和透射電子317
9.2.4俄歇電子318
9.2.5特徵X射線318
9.2.6陰極熒光318
9.2.7電子束感生電流318
9.3離子作用於固體表面所產生的效應319
9.3.1一次離子的表面散射319
9.3.2反向散射離子319
9.3.3正負二次電子319
9.4光子作用於固體表面所產生的效應320
9.4.1波長較短的X射線320
9.4.2波長較長的X射線320
9.5薄膜形貌觀察與結構分析320
9.5.1光學顯微鏡320
9.5.2掃描電子顯微鏡321
9.5.3透射電子顯微鏡323
9.5.4X射線衍射儀324
9.5.5低能電子衍射和反射式高能電子衍射325
9.5.6掃描探針顯微鏡327
9.6薄膜組成分析328
9.6.1俄歇電子能譜儀328
9.6.2二次離子質譜分析儀330
9.6.3盧瑟福背散射分析儀331
9.6.4X射線光電子能譜儀333
參考文獻335