真空镀膜表面的大颗粒很多是自己长大的！

1) 提到真空镀膜大颗粒，大家多想到多弧，其实不是，磁控、蒸镀也都有！

2) 镀膜中的大颗粒原本没那么大，是“孕核”自己长大的。

3) “孕核”是啥？多弧液滴、飞溅，炉内灰尘、碎屑，或材料表面自带凸起等。然后怎么抑制大颗粒，请看下文！

引言

镀膜，无论多弧还是蒸镀和磁控，都会遇到膜层表面“颗粒”的问题。它是薄膜中的“牛皮藓”，如图1所示。大颗粒作为薄膜中的不连续点，破坏了薄膜与基体的结合、耐磨性以及耐蚀性等，严重影响了薄膜质量和使用寿命；表面“颗粒”缺陷的存在贯穿PVD行业的发展史，从开始的蒸发镀膜，到后来的电弧离子镀和磁控溅射镀膜。随着新型镀膜方法的提出和设备改进，大颗粒问题已经在一定程度上得到了改善，但是，始终无法根除！

图1. PVD镀膜表面的大颗粒。

既然前面已经有人趟路，就应该吸收前人经验。通过分析大颗粒的形成机理，然后克服它。

解析

斯洛文尼亚的Peter Panjan等人对薄膜中大颗粒的形成过程进行了综述分析。他们指出，大颗粒主要由微小缺陷“生长”形成，而这些“孕核”的来源贯穿了整个制备过程：(i) 基材的机械预处理，(ii) 基材离子蚀刻和 (iii) 沉积过程。该研究以题为“Review of Growth Defects in Thin Films Prepared by PVD Techniques”发表在《Coatings》杂志上。

通常，参与薄膜的沉积粒子在原子尺度，通过在基体表面吸附成膜，膜层较为平整。在“孕核”存在的情况下，膜层的平整性被破坏。受放电等作用，粒子优先在颗粒上方沉积，同时由于阴影效应，逐渐长大为一个独立的，越长越大的“大颗粒”。因此了解“孕核”的来源是问题的关键。

基板表面原有的任何结构缺陷都是形成“孕核”的来源。这些缺陷主要来源于预处理和刻蚀过程。如图2所示，不同硬度的粒子在这两个过程中损耗程度不同，相较于M2高速钢基体，硬质相损耗小，形成凸起；软质相损耗大，形成凹陷，并在后续的沉积过程中被逐渐成长为大颗粒和凹坑。

沉积过程也是“孕核”的来源之一，例如电弧离子镀中的熔滴和磁控溅射中的打火飞溅。这些粒子沉积在薄膜表面并随着沉积过程逐渐长大，与周围较为均匀的膜层结构形成强烈对比，膜层均匀性和完整性被破坏，如图3所示。除此之外，炉体内残留的灰尘和碎屑也会部分转移到膜层，成为“孕核”。

图2. 左侧的示意图说明了在涂层制备的各个步骤（抛光、离子蚀刻、沉积）中不同类型夹杂物的形貌变化。右侧的SEM图像显示了同一位置不同步骤后缺陷的变化过程，可以看到两种缺陷都在逐渐长大。

图3. 导致大颗粒形成的“孕核”的示意图：( a ) 碳化物夹杂物; ( b ) 基体表面形状不规则; ( c ) 基体夹杂; ( d ) 生长过程中的异物; ( e ) 剥离的碎片。

图4. 溅射沉积的多层薄膜，包括大颗粒截面图和对应表面形貌，其中“孕核”直径为0.1~0.2μm，大颗粒直径为6~8μm，长大了几十倍！

延伸

1) 任何“颗粒”杂物都可能形成缺陷，关键是它会自动放大。

2) 那“颗粒”来源就要注意了，如电弧、磁控、炉壁清理、转架等，关键还有电源，好的电源有效抑制微弧。

3) 工艺上可以下一些功夫，如偏压控制、如高一点气压，如利用磁偏转或机械遮挡等。

正确认识大颗粒产生原因，进而针对性的进行改进，避免大颗粒带来的不良影响。

论文链接：

https://doi.org/10.3390/coatings10050447

本文为所引文献赏析和随感

（由胡天时供稿）