4.离子镀膜
离子镀就是在镀膜的同时，采用荷能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击就是既有离子又有原子的粒子轰击。粒子中不但有氩粒子，还有镀料粒子，在镀膜初期还会有由基片表面溅射出来的基材粒子。离子轰击的目的在于改善膜层的性能。
无论是蒸镀还是溅射都可以发展成离子镀。例如，在真空室内通入1Pa量级的氩气后，在基片上加上1000V以上的负偏压，即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基片，也称为二级离子镀；在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，再加上数百伏的偏压，即有能量为100eV量级的离子向基片轰击，从而实现离子镀。
离子镀离子绕射性强，沉积没有明显的方向性，工件的各个表面都能镀上；镀层均匀性好，并且具有较高的致密度和细的晶粒度，即使是经镜面研磨的工件，进行离子镀后，表面依然光洁致密，无须再进行研磨。
图9-24 离子镀系统示意图
1—基板（阴极） 2—阴极暗部 3—辉光放电区 4—蒸发灯丝（阳极） 5—绝缘管 6—灯丝电源 7—高压电源
（1）离子镀设备
离子镀设备要在真空、气体放电的条件下完成镀膜和离子轰击过程。设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。图9-24所示为离子镀系统示意图。
（2）离子镀的基本原理
离子镀的基本原理是借助于一种惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸气离子化。离子经电场加速而沉积在带负电荷的基体上。惰性气体一般采用氩气，压力为133×10-3～133×10-2 Pa，两极电压为500～2000V。离子镀包括镀膜材料（如TiC、TiN）的受热、蒸发、沉积过程。蒸发的镀膜材料原子在经过辉光区时，一小部分发生电离，并在电场的作用下飞向工件，以几千电子伏的能量射到工件（模具）表面上，可以打入基体几纳米的深度，从而大大提高镀层的结合力。而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。惰性气体离子与镀膜材料离子在基板表面上发生的溅射还可以清除工件表面的污染物，从而提高结合力。
（3）离子镀工艺
提高金属蒸气原子的离子化程度，可以增大镀层的结合力，为此发展了一系列的离子镀设备和方法，如高频离子镀、空心阴极放电离子镀、热阴极离子镀、感应加热离子镀、活性化蒸发离子镀、低压等离子镀等。国内外常用的离子镀工艺为多弧离子镀、空心阴极离子镀和离子束辅助沉积。
1）多弧离子镀。近年来多弧离子镀由于设备结构简单、操作方便、镀层均匀、生产率高，而受到人们的重视。其工作特点是：
① 多弧离子镀是从阴极直接产生等离子体，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，也可多源联合工作，使夹具大为简化，有利于大件镀膜。多弧蒸发源既是蒸发器又是离化源，无须增加辅助离化源，也无须通入惰性气体轰击清洗工件，并且不需要烘烤装置，设备简单，工艺稳定。
② 入射粒子能量高，膜的致密度高，强度好，膜基界面产生原子扩散，结合强度高，离化率高，一般可达60%～80%，有利于改善膜层的质量，特别适用于活性反应沉积化合物膜层。
③ 多弧蒸发源接电源负极，真空室外壳接正极，调整工作电流，靶材表面进行弧光放电，同时蒸发出阴极金属蒸气，其中部分发生电离并在基板负偏压的吸引下轰击工件表面，从而起到洁净工件表面的作用和使工件的温度升高达到沉积所需温度。此后，逐渐降低基板负压，靶粒子飞向基板形成镀膜。如果同时通入适当流量的反应气体，则可在工件表面沉积得到化合物膜层。
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图9-25 空心阴极离子镀装置
1—HCD枪 2—Ar气 3—钟罩 4—工件 5—高压电源 6—水冷铜坩埚
④ 多弧蒸发源在蒸发阴极材料时，往往有液滴沉积在工件表面，造成工件表面具有较高的表面粗糙度值。所以减少和细化蒸发材料液滴是当前多弧离子镀工艺的关键问题。
2）空心阴极离子镀（HCD）。空心阴极离子镀利用空心热阴极放电产生等离子体，如图9-25所示。
① 以空心钽管作为阴极，辅助阳极距阴极较近，二者作为引燃弧光放电的两极，阳极是镀料。弧光放电主要在管口部位产生，该部位在离子轰击下温度高达2500K左右，于是放射电子使弧光放电得以维持。HCD枪引出的电子束初步聚焦后，在偏转磁场作用下，直径收缩而聚焦在坩埚上。HCD枪既是镀料的汽化源，也是蒸发粒子的离化源。由于带电粒子密度大，而且具有大量的高速中性粒子，所以离化率较高，实际测量的金属离化率是20%～40%。
② 空心阴极离子镀可广泛应用于镀制高速工具钢工件形成TiN超硬膜，镀膜时基片所加偏压不高（20～50V），可避免刃口受到离子严重轰击而变钝，或过热而回火软化。轰击基片的离子能量为数十电子伏，这已远超过表面吸附气体的物理吸附能0.1～0.5eV，也超过了化学吸附能1～10eV，因而能起清洗作用。这样的离子能量还可避免膜层严重溅射而变得粗糙和降低镀膜速率。
3）离子束辅助沉积。离子束辅助沉积是在蒸镀的同时，用离子束轰击基片，离子束由宽束离子源产生。与一般的离子镀相比采用单独的离子源产生离子束，可以精确控制离子的束流密度、能量和入射方向，而且在离子束辅助沉积中，沉积室的真空度很高，可获得高质量的膜层。
双离子束镀是一种将离子注入和常规气相沉积镀膜结合起来、兼有两者优点的高新技术。其基本特征是在气相沉积镀膜的同时，用具有一定能量的离子束轰击不断沉积着的物质。离子轰击引起沉积膜与基体材料间原子互相混合，界面原子互相渗透融为一体，形成一个过渡层，从而大大改善了膜基的结合强度。双离子束镀原理示意图如图9-26所示。
① 图中离子束1用于轰击耙材，使耙材原子溅射并沉积在基片上；另一个高能的离子束2起轰击（注入）作用。
② 在室温或近室温下能合成具有良好性能的合金、化合物或特种膜层，以满足材料表面改性的需要。
③ 轰击离子既可以是惰性气体原子如Xe、Ar、Ne、He等，也可以是反应气体原子如N、O、H以及各种有机化合物气体。
④ 这种离子束辅助沉积可以看成是物理气相沉积和离子注入两种技术改造后有机结合在一起形成的。虽然使用的离子能量比一般离子注入低，但不需要加热器这类昂贵的设备（比一般气相沉积设备还是要贵得多）。
图9-26 双离子束镀原理示意图
1—离子束1 2—离子束2 3—靶 4—原子溅射 5—基片薄膜
主要应用于要求精度高、耐磨性特别好的工具、模具，例如处理压印纪念币的模具，印出的金、银币要求花纹一致，且重量也必须严格控制。