新型真空镀膜工艺：行业科普5G产业之真空镀膜技术深度解析

博顿导读

5G是全球信息技术发展最新成果，5G的产业化应用将彻底改变生活、产业结构的方方面面。利用5G极高的速率、极大的容量、极低的时延的三大特点，5G将作为承载4K/8K视频、AR/VR、物联网、自动驾驶等应用的主要技术支撑，将成为下一代科技浪潮的驱动。

镀膜工艺是现代化生产中极其重要的一种工艺，而镀膜工艺则必须依赖配置了高端离子源等关键部件的镀膜设备，国内在此领域长期受制于人。博顿新型离子源产品系列可面向精密光学、光通信、国防军事、航天导航、LED、半导体、空间探索、生物医疗等多行业领域，提供纳米级超高精度多层镀膜、表面刻蚀及表面抛光等高端微纳加工应用。

今天博顿君分享5G产业之真空镀膜技术深度解析，希望对大家有帮助。

一、5G产业链中的真空镀膜技术

真空镀膜技术的定义

由于中文一词多义，镀膜的膜和薄膜的膜常常被混淆为相同的概念。在英文中，Coating是指在原有基体材料上添加一层新物质的过程，厚度可以从nm到μ不等，即我们说的镀膜。如光学镜头表面镀制的光学镀膜、刀具表面镀制的硬质镀膜等。除此以外，Coating有时候也被用来形容一些较厚的附着物如热喷涂涂层，焊接涂层等。

而Membrane与Coating完全不同，Membrane表示本身厚度可以从μ到毫米不等，具备独立结构的薄膜状材料。如过滤水使用的陶瓷薄膜，锂电池中的SEI膜等。

Film一次有时候表示membrane，有时候也在Coating过程中表示上面的某一层膜结构，需要按上下文来理解其意思。

本文所说的真空镀膜，是指使用真空技术所做的厚度在μ及以下厚度的Coating，主要包含CVD和PVD两类技术。

网络接入中的真空镀膜

2.1 基片隔离器/环形器

5G中使用的基片隔离器/环形器目前有两个方面可能用到真空镀膜技术，一是在陶瓷表面制作金属底电极[2]，二是YIG薄膜本身也使用真空镀膜技术（如PLD激光脉冲沉积）制备[3][4]。

2.2 陶瓷介质滤波器

在5G时代，为了满足大功率、高频低损耗的信号传输要求，陶瓷介质滤波器迎来发展期。陶瓷介质滤波器的金属化方案目前主要是银浆工艺和真空镀膜工艺[5]。

2.2.1 银浆工艺

目前陶瓷滤波器的银浆工艺主如下图示，分为预处理、涂覆银浆、烘银、烧银和电镀镍（防氧化、可选）五部工序。其中涂覆银浆的方式又可以分为注银、丝网印银、喷银、浸银等。

2.2.2 PVD工艺

目前学界认为，PVD做陶瓷表面金属化具有优于其他沉积技术的优点，如更好的附着力、更少的污染、改善沉积样品的结晶度，获得更高质量的膜层[6]。

2.3 WDM中的介质薄膜滤波器（TFF）

基于薄膜滤光片的器件可用于多信道MUX/DEMUX，被广泛用于前传和中传的WDM方案中。薄膜滤光片目前主要使用带光控的等离子体辅助电子束蒸发镀膜（IAD）或者离子束直接溅射镀膜方式制作。

移动终端中的真空镀膜

3.1 手机背板装饰镀

由于5G更多的采用了高频信号，对高频信号屏蔽明显的金属（导电）手机背板材料确定退出了市场舞台，取而代之的是玻璃背板和陶瓷背板。

由于无法使用传统的阳极氧化铝合金染色工艺，从华为P20的极光色开始，光学装饰镀成为玻璃染色的首选工艺。而陶瓷背板从小米MIX导入开始，也将磁控溅射作为印制logo、装饰条纹的首选方案。

3.2 电磁屏蔽膜

5G时代Massive MIMO天线数量多，高频高速趋势明显，对电磁屏蔽需求进一步提高[7] 。电磁屏蔽膜主要以卷绕式磁控溅射方式生产。

方邦股份电磁屏蔽膜

3.3 摄像头和滤光片

从3G-4G-5G，每一代的通信网络都支持了更大信息量的吞吐，反应在终端上，主流手机无一例外的增加了摄像头数量，单个摄像头的像素提升也成为显著趋势。

在这一趋势下，手机摄像头的镜头数和红外截止滤光片数量显著增加，大大增加了光学镀膜的需求量。

3.4 AR/VR设备

Gartner新兴技术曲线2017

Gartner新兴技术曲线2018

从4G时代以来，智能手机似乎进入瓶颈，所有人都想知道下一代消费电子终端会是什么。而这其中呼声最高的莫过于VR/AR/MR，并且在似乎昙花一现的绽放后，VR/AR设备已经低调地跨过了泡沫破裂后的沉默低谷，逐渐以更成熟的技术和商业化出现在人们面前。

无论是VR/AR还是MR，其核心特性都是新型显示系统。除了基础的图像提供器件（微显示）之外，最为核心的就是近眼显示（Near-eye Display）光学透镜组（lenses）。微显示主要是Micro-OLED/Micro-LED/超高分辨率LCD等，我们将在后续的文章中涉及这些领域，本文中主要探讨光学镀膜相关的透镜组。

AR的透镜方案目前主要有棱镜、自由曲面、光波导几种方案，以平面光波导为主流。目前平面光波导（几何）主要通过光学镀膜制造。

VR透镜目前主要是菲涅尔透镜，主要需要两类真空镀膜，镜片内侧的防雾气镀膜，镜片减反射镀膜。

二、主要CVD技术概述

CVD技术，是指通过气体之间的化学反应，在基片（通常需要加热）表面或附近形成固态沉积物的工艺过程。在实际的使用中，CVD技术涉及到热力学、等离子体物理、分子动力学、流体力学和化学等多学科的知识[8]。

在CVD过程中，气体之间可涉及的化学反应包括热解反应、氧化还原反应、水解反应、歧化作用、碳化氮化等。通常使用温度来为前驱体提供化学反应的能量，但是也可以用等离子体、激光、微波等方式来提供能量，帮助前驱体跨越反应势垒。

较为重要的CVD技术包括以下几种：

LPCVD（Low Pressure CVD）

LPCVD主要指气压在Torr数量级的气压下，以控制产率方式发生反应，相比APCVD，提供了更好的台阶覆盖性和更高纯度，在0.25-2Torr下通常用于制备化合物半导体、金属化和钝化层[9] ，20Torr附近多使用硅烷沉积非晶硅。

PECVD（Plasma Enhanced CVD）

PECVD可以认为是LPCVD的一种，在LPCVD的环境下，使用等离子体来活化前驱体，可以使CVD在低温下（250℃~350℃）生成薄膜。一方面热损失少，一方面抑制了气体和衬底材料之间的反应，同时也可以适用于不耐高温的材料。具体细分又可以分为微波PECVD和射频PECVD等。

早期该技术曾被称作“辉光放电沉积”，后又被称作“等离子体CVD”，最终定名为PECVD（Plasma Enhanced CVD）或者PACVD（Plasma assisted CVD）。该技术最早由M. Berthelot在1869年提出设想，1953年H. Schmellenmeier 就用该技术制备了DLC涂层[10]。

热丝CVD（Hot Filament CVD/Hot Wire CVD/Cat-CVD）

热丝CVD常用于沉积高分子薄膜，将单体蒸发后在基片表面冷却聚合。热丝CVD也被用于沉积DLC，主要的前驱体为甲烷等碳氢化合物。

ALD（Atomic Layer Deposition）

ALD可以认为是LPCVD的一种，但是ALD与传统化学气相沉积（CVD）技术不同的是，所用的气相前驱体通过交替脉冲的方式进入反应腔，前驱体彼此在气相中不相遇，通过惰性气体(Ar、N2)冲洗隔开并实现前驱体在基片表面的单层饱和吸附反应。其反应属于自限制性反应，即当一种前驱体与另一种前驱体反应达到饱和时，反应自动终止。基于原子层生长的自限制性特点，以原子层沉积制备的薄膜具有优异的厚度控制性能，可以通过控制脉冲的周期数来精确的控制薄膜生长的厚度。在具备高深宽比结构（如深孔）的物质表面，ALD方法也具有最好的台阶覆盖性。

由于前驱体是通过交替脉冲的方式进入反应腔，原子层沉积中，薄膜的生长是以一种周期性的方式进行的。一个周期包括四个阶段：第一种前驱体蒸汽通入反应腔体；惰性气体冲洗；第二种前驱体蒸汽通入反应腔体；惰性气体冲洗。每个周期薄膜生长一定的厚度，通过控制这种周期的次数可以得到所需厚度的薄膜。

等离子体聚合（Plasma Polymerization—PP）

借助高分子合成领域的成果，如果使用有机物作为前驱体，就可以得到几乎所有有机化合物或有机金属化合物的聚合体。使用这种方法可以得到无针孔、三维网状结构的有机物薄膜，而且台阶覆盖性非常好。

这种方法通常用于天然高分子材料表面处理如羊毛皮革的润湿性和染色性，也可以用于材料表面亲水性处理，还可以用来制作保护膜[11][12]。

派瑞林热区制程（Parylene Hot Zone Process）

该制程最早由Michael M. Swarc在1940年代发明，用于镀制ParyleneN，后来经过数次改良。这种CVD方法是将气压约为1Torr的派瑞林的双体气体通过热区（约为680℃），在高温下派瑞林双体蒸汽会变为单体蒸汽，最后单体蒸汽在沉积物表面上沉积成保型涂层，即具有完美的台阶覆盖能力。

由于派瑞林具备良好的介电性能、隔水性能、生物亲和力，因此被广泛的用于微电子集成电路、印刷电路板、生物医用电子、MEMS和传感器等行业。

三、主要PVD技术概述

PVD目前最广泛使用的主要是有蒸发镀膜（Vacuum Evaporating）、磁控溅射镀膜（Sputtering）和多弧离子镀（Arc Vapor Deposition）三类方法，其他原子级方法如MBE在本文中不做详细论述。

蒸发镀膜（Vacuum Evaporating）[13]

蒸发镀膜通常而言就是在一定的真空镀下，将膜材料气化，从而沉积到薄膜表面的过程。其核心是较高的真空度（e-4torr）和加热方式。目前最为常用的加热方式为电阻蒸发，和用于熔点1500℃以上的物质的电子束蒸发，结构如图所示。

一种常见的电子转向270°的电子束蒸发装置原理图

蒸发镀膜的最显著的缺点主要是蒸发出的原子能量较低，因此仅仅用蒸发形成的膜层填充率要低于溅射镀膜，低的填充率容易引起薄膜性能不稳定和附着力较差的问题；

此外由于目前广泛使用的电子束蒸发源为点蒸发源，从下图可以看到，点蒸发源的膜厚非常显著的随着角度变化。在实际生产中，往往使用伞形工件架来获得大的可镀面积，但是其可镀面积基本上和设备的占地面积成正比，相比滚筒式磁控溅射（可镀面积正比于：设备占地面积×设备高度）产能较低；

蒸发镀膜的第三个缺点在于镀制合金和混合物时候很难做到均匀，由于拉乌尔定律，一种物质的蒸发速度和其饱和蒸气压成正比，例如在镀制Cu-Au合金时，膜层开始的Au成分比例偏高，镀制到后面Cu比例偏高，在膜层中形成合金浓度梯度。蒸发的这个特性有时候会变成优点（比如梯度合金可能会有特定用途），但是更多时候为了弥补这种浓度梯度的变化，需要放置一个额外的补偿蒸发源，增加了系统的复杂性。

蒸发镀膜的优点首先在于蒸发成膜的速度较快，最快可以达到100埃/s的薄膜沉积速率，是溅射镀膜速度的100倍。因此在对膜层均匀性、致密度要求不高的领域常用电子束蒸发卷绕镀膜，多用于包装材料的镀铝等大幅面低质量应用[14][15]。

除了以上所述的蒸发技术，蒸发镀膜技术还包括用于小区域沉积的Beam Vapor，可以用于镀制线材的Confined Vapor，利用激光等手段瞬间加热一小块蒸发料的闪蒸法（Flash Evaporate /Pulsed Laser Deposition）在此不做详细论述。

电子束热蒸发镀膜是2000年-2015年间最为主流的镀膜方式，是利用电子束来加热局部蒸发料，使膜成分以原子团或者离子的形式蒸发出来，通过成膜过程沉积在基片表面形成薄膜。电子束蒸发镀膜是最为传统的光学镀膜方式，低端机时候做透镜尤其是塑胶透镜AR镀膜；辅以晶控/光控，离子束辅助沉积后，可以做出质量较高的CWDM/940/荧光显微镜级别的滤光片。

电子束蒸发镀膜设备结构

目前蒸发式镀膜机以日本光驰OTFC-1300/1550/1800（选配离子束辅助沉积、选配光控或者晶控、滤光片方向、水晶光电的主力机型）、日本光驰Gener1300/2350（普通光学镜片方向）为代表。

目前最为复杂的镀膜技术分子束外延MBE（Molecular Beam Epitaxy，也可称作VPE，Vapor Phase Epitaxy）也可以算是一种蒸发镀膜技术，只是真空度需要从e-4Torr提升到e-10Torr，同时严密监控蒸发腔内的蒸汽状态，并使用RHEED（反射电镜）或者HEED等手段实施监控晶体外延生长情况，目前MBE仅仅用于半导体制造。

溅射镀膜（Sputtering）

溅射镀膜作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被普遍和成功地应用于许多方面。其特点可归纳为：可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包括各种金属、半导体、铁磁材料，以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质，尤其适合高熔点和低蒸气压的材料沉积镀膜；可通过多元靶材共同溅射的方式形成化合物薄膜；通过控制气压、溅射功率，基本上可以获得稳定的沉积速率；进一步通过控制镀膜时间，容易获得均匀的高精度的膜厚，且重复性好；基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上，且由于溅射粒子带有高能量，在成膜面会继续表面扩散得到硬且致密的薄膜，同时高能量使基片只要较低的温度就可结晶；薄膜形成初期成核密度高，可以产生厚度10nm以下的极薄连续膜。

由于磁控溅射镀膜的以上特性，其被广泛的用于制备超硬膜、耐腐蚀摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜以及微电子薄膜（集成电路中晶体管的金属电极层），逐渐成为了制造许多产品的一种常用手段，并在最近十几年，发展出一系列新的溅射技术。在光学领域产生了对靶溅射、反应溅射（分区氧化或者射频离子源反应溅射）、离子源直接溅射等适用与不同精度的工艺，而在工具镀领域的最主要发展是HIPIMS技术部分解决了磁控溅射制造工具镀层速度太慢的问题，以及VEECO发明了离子束溅射方法。

磁控溅射沉积的主要优势有：①粒子能量高，获得的薄膜结构致密稳定，不会出现电子束热蒸发镀膜出现的波长漂移等现象；②由于可以设置为滚筒式磁控溅射，可以用真空腔的圆柱侧表面积来衡量可镀面积，在较低的沉积速率下，在手机装饰镀等领域获得了比蒸发镀膜更高的生产效率；③溅射相较于蒸发膜层折射率稳定，因此可以使用镀膜时间来控制膜层的光学厚度。④获得致密膜层无需对薄膜进行加热，适用于PET膜等耐温不超过100℃的材料。⑤工艺一旦调成重复性非常高；

磁控溅射的缺点主要是：①成膜的沉积速率要低于蒸发镀膜（但是如上述被可镀面积弥补）；②射出粒子能量高，形成薄膜应力大，不适合于塑胶镜片（常用材料为PC）等较为柔软的基材。③设备结构相对复杂，价格较为昂贵。④溅射镀膜相对蒸发镀膜而言工程师基础较差，很多“镀膜师傅”有蒸发机经验而无溅射机经验。

光驰NSC系列

LeyboldHelios原理图[16]

目前磁控溅射领域的代表型设备为Leybold Helios和光驰的NSC系列，除了本身具备磁控溅射之外，还加入了氧化功能，即先通过磁控溅射镀制纯物质如铌、硅，然后再通过氧气、氮气将其氧化为三氧化二铌、SiO2，SiN等光学介质。其中Leybold Helios为使用了APS离子源做氧化的反应溅射，产能小但是精度较高，目前可以做CWDM滤波片。光驰的NSC系列主要采用分区氧化的方式，使用的是诱导耦合离子源（ICP），更适合做手机背板装饰镀。

近年来溅射技术的发展受到磁控溅射的启发，VEECO开发了离子束直接溅射镀膜，目前只有国内的杰徕特真空仿制其设备路线。主要原理是使用均一性很好的离子束直接轰击靶材，将靶材上的材料轰击出来，沉积在基片上面形成薄膜。由于轰击的材料均匀性很好，镀膜速度较慢，该设备对膜层控制精度很高，适合于镀制DWDM等200层以上的高精度滤光片。

离子束直接溅射原理示意图[9]

电弧/多弧离子镀（Arc Vapor Deposition）[17]

电弧离子镀是一种利用电极放电产生电弧，从而使膜材气化的镀膜手段，最早的工业化应用在1970s发源于前苏联，后来在1980s在西方国家也得到应用 [18]。在电弧离子镀中，电弧产生的高温迅速的将待镀物质气化成分子团和液滴，然后在强电场下电离并飞往被镀物，形成镀层。按照拉弧方式可以将电弧离子镀分为真空电弧（Vacuum Arc）、阴极弧（Catholic）离子镀、阳极弧（Anodic）离子镀和高气压电弧（Gaseous Arc）。高气压电弧（Gaseous Arc）往往用于喷涂、焊接和电火花镀（一种电火花强化方法）中。

多弧离子镀的结构示意和原理（Vacuum Arc）示意

阴极弧离子镀的设备主要包括阴极弧源（靶材）、真空镀膜室、基片、负偏压电源、真空系统等。其中核心为阴极弧源（多需要水冷）。工作过程中阴极弧源（靶材）首先进行表面拉弧烧蚀，将靶材变成等离子体，然后靶材材料等离子体在负偏压电位的作用下飞向基片（工件）并沉积在基片（工件表面。）多弧离子镀的沉积材料由细小的电弧烧蚀产生，靶材离化率高，沉积速度快。但是缺点是在烧蚀靶材的时候如果电弧不均匀，靶材极易飞出微小的带电液滴（Macros），将大大影响在基片（工件）表面沉积的质量。目前控制多弧离子镀的主要手段在于控制阴极电弧的形态。

阴极弧离子镀和阳极弧离子镀原理图

较为常用的一种工艺形式是将阴极弧离子镀功能与溅射功能组合，通过调节磁场的方法来切换两种镀膜模式。通常用带过滤液滴的阴极弧离子镀来做前处理，例如用Cr离子轰击钢材表面形成清洗、渗透的效果，然后再使用磁控溅射完成CrN镀层，可以显著的提升镀层的附着力与组织金相。

四、结语

本文仅在作者了解范围内介绍了5G中的真空镀膜应用，在5G这一基础性的通信产业变革中，真空镀膜技术还有更多的发挥空间。

除了5G之外，真空镀膜还被广泛应用于除了在5G之外在光学、电子学、半导体、光伏、包装、机械以及表面处理等领域。作为一种基础而重要的微纳制造手段，随着人类对微观材料/器件加工手段的进一步提升，真空镀膜技术势必占据越发重要的地位。

引用

1. 新华社《5G建设：作用究竟有多大》

2. 钟智勇, 刘爽, 张怀武,等. 一种集成微带环行器及其制备方法:.

3. 晏学飞. 射频磁控溅射法制备环形器用YIG薄膜[D].2014.

4. 朱小明, 薛新忠, 高永全,等. 一种铁氧体微带环形器:.

5. 艾邦高分子：《陶瓷介质滤波器行业现状白皮书》

6. 王玲, 康文涛, 高朋召, et al. 陶瓷金属化的方法、机理及影响因素的研究进展[J]. 陶瓷学报, 2019(4):411-417.

7. 20200403-天风证券-方邦股份-688020.SH-稀缺高端电子材料平台型企业，技术同根多元成长

8.Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD) (Second Edition) Principles,Technology, and Applications, 1999, Pages 36-67

9.MJ Cooke, A review of LPCVD metallization for semiconductor devices,Vacuum,Volume 35, Issue 2, 1985,Pages 67-73

10.Lau, K. K. S., et al. "Hot-wire chemical vapor deposition (HWCVD)of fluorocarbon and organosilicon thin films." Thin Solid Films 395.1-2(2001): 288-291.

11.Yializis, Angelo, Gary L. Powers, and David G. Shaw. "A new hightemperature multilayer capacitor with acrylate dielectrics." IEEETransactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 13.4 (1990):611-616.

12.Shaw, D. G., et al. "Use of Evaporated Acrylate Coatings to Smooththe Surface of Polyester and Polypropylene Film Substrates." Rad Tech(1996).

13.Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing (Second Edition)Donald M.Mattox，2010, Pages 195-235

14. 夏正勋. 蒸发卷绕镀膜机几个关键技术问题的研究[J]. 真空与低温, 2001, 7(3):130-135.

15. 高德铨. 电子束卷绕真空镀膜技术概况[C]// 粤港澳大湾区真空科技创新发展论坛暨2018年广东省真空学会学术年会. 2018.

16.Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing (Second Edition)，Donald M.Mattox，2010, Pages 287-300

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18.Ehiasarian A P , Anders A , Petrov I . Combined filtered cathodic arcetching pretreatment–magnetron sputter deposition of highly adherent CrNfilms[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A Vacuum Surfaces &Films, 2007, 25(3):543-550.

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