第七章氣相沉積技術(shù)

1、第七章氣相沉積技術(shù)1 第七章第七章 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù) 物理 第七章氣相沉積技術(shù)2 氣相沉積技術(shù)是近氣相沉積技術(shù)是近3030年來(lái)迅速發(fā)展的表面技術(shù)，它利用氣相在年來(lái)迅速發(fā)展的表面技術(shù)，它利用氣相在 各種材料或制品的表面進(jìn)行沉積，制備單層或多層薄膜，使材料或各種材料或制品的表面進(jìn)行沉積，制備單層或多層薄膜，使材料或 制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。 這項(xiàng)技術(shù)早期也被稱(chēng)為這項(xiàng)技術(shù)早期也被稱(chēng)為“干鍍干鍍”，主要分，主要分 PVD 和和 CVD ： 物理氣相沉積物理氣相沉積 （Physical Vapor Deposition ） 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 （Chemic

2、al Vapor Deposition） 第七章氣相沉積技術(shù)3 負(fù)偏壓負(fù)偏壓 靶靶 基片基片 plasma 物理物理 氣相沉積氣相沉積 反應(yīng)性氣體反應(yīng)性氣體 基片基片 CH4 化學(xué)化學(xué) 氣相沉積氣相沉積 第七章氣相沉積技術(shù)4 氣相沉積基體過(guò)程包括三個(gè)步驟：氣相沉積基體過(guò)程包括三個(gè)步驟： （1）提供氣相鍍料；）提供氣相鍍料； 蒸發(fā)鍍膜蒸發(fā)鍍膜: 使鍍料加熱蒸發(fā)；使鍍料加熱蒸發(fā)； 濺射鍍膜濺射鍍膜: 用具有一定能量的離子轟擊，從靶材上擊出鍍料原子。用具有一定能量的離子轟擊，從靶材上擊出鍍料原子。 （2）鍍料向所鍍制的工件（或基片）輸送）鍍料向所鍍制的工件（或基片）輸送 （在真空中進(jìn)行，這主要是為了

3、避免過(guò)多氣體碰撞）（在真空中進(jìn)行，這主要是為了避免過(guò)多氣體碰撞） 高真空度時(shí)（真空度為高真空度時(shí)（真空度為 10-2Pa）：）： 鍍料原子很少與殘余氣體分子碰撞，基本上是從鍍?cè)粗本€(xiàn)前進(jìn)至基片；鍍料原子很少與殘余氣體分子碰撞，基本上是從鍍?cè)粗本€(xiàn)前進(jìn)至基片； 低真空度時(shí)（如真空度為低真空度時(shí)（如真空度為 10Pa）：）： 則鍍料原子會(huì)與殘余氣體分子發(fā)生碰撞而繞射，但只要不過(guò)于降低鍍膜則鍍料原子會(huì)與殘余氣體分子發(fā)生碰撞而繞射，但只要不過(guò)于降低鍍膜 速率，還是允許的。速率，還是允許的。 真空度過(guò)低，鍍料原子頻繁碰撞會(huì)相互凝聚為微粒，則鍍膜過(guò)程無(wú)法進(jìn)真空度過(guò)低，鍍料原子頻繁碰撞會(huì)相互凝聚為微粒，則鍍膜過(guò)

4、程無(wú)法進(jìn) 行。行。 7.1 氣相沉積的過(guò)程氣相沉積的過(guò)程 第七章氣相沉積技術(shù)5 （3）鍍料沉積在基片上構(gòu)成膜層。）鍍料沉積在基片上構(gòu)成膜層。 氣相物質(zhì)在基片上沉積是一個(gè)凝聚過(guò)程。根據(jù)凝聚條件的不氣相物質(zhì)在基片上沉積是一個(gè)凝聚過(guò)程。根據(jù)凝聚條件的不 同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜。同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜。 其中沉積過(guò)程中若沉積粒子來(lái)源于化合物的氣相分解反應(yīng)，則稱(chēng)其中沉積過(guò)程中若沉積粒子來(lái)源于化合物的氣相分解反應(yīng)，則稱(chēng) 為化學(xué)氣相沉積（為化學(xué)氣相沉積（CVD），否則稱(chēng)為物理氣相沉積（），否則稱(chēng)為物理氣相沉積（PVD）。）。 第七章氣相沉積技術(shù)6 反應(yīng)鍍反應(yīng)鍍 鍍料原子在沉積時(shí)，

5、可與其它活性氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而鍍料原子在沉積時(shí)，可與其它活性氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而 形成化合物膜，稱(chēng)為反應(yīng)鍍。反應(yīng)鍍?cè)诠に嚭驮O(shè)備上變化不大，形成化合物膜，稱(chēng)為反應(yīng)鍍。反應(yīng)鍍?cè)诠に嚭驮O(shè)備上變化不大， 可以認(rèn)為是蒸鍍和濺射的一種應(yīng)用；可以認(rèn)為是蒸鍍和濺射的一種應(yīng)用； 離子鍍離子鍍 在鍍料原子凝聚成膜的過(guò)程中，還可以同時(shí)用具有一定能量在鍍料原子凝聚成膜的過(guò)程中，還可以同時(shí)用具有一定能量 的離子轟擊膜層，目的是改變膜層的結(jié)構(gòu)和性能，這種鍍膜技術(shù)的離子轟擊膜層，目的是改變膜層的結(jié)構(gòu)和性能，這種鍍膜技術(shù) 稱(chēng)為離子鍍。稱(chēng)為離子鍍。 離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較

6、大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列 為另一類(lèi)鍍膜技術(shù)。為另一類(lèi)鍍膜技術(shù)。 第七章氣相沉積技術(shù)7 7.2 物理氣相沉積物理氣相沉積 n在真空條件下，利用各種物理方法，將鍍料氣化成原在真空條件下，利用各種物理方法，將鍍料氣化成原 子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面 上的方法稱(chēng)為物理氣相沉積（上的方法稱(chēng)為物理氣相沉積（PVD）。）。 n物理氣相沉積法主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子物理氣相沉積法主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子 鍍膜等。鍍膜等。 第七章氣相沉積技術(shù)8 n物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）技術(shù)經(jīng)歷了由最初的真空蒸鍍到）技術(shù)經(jīng)歷了

7、由最初的真空蒸鍍到 1963年離子鍍技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。年離子鍍技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。20世紀(jì)世紀(jì)70年代末磁控年代末磁控 濺射技術(shù)有了新的突破。濺射技術(shù)有了新的突破。 n近年來(lái)，各種復(fù)合技術(shù)，如離子注入與各種近年來(lái)，各種復(fù)合技術(shù)，如離子注入與各種PVD方法的方法的 復(fù)合，已經(jīng)在新材料涂層、功能涂層、超硬涂層的開(kāi)發(fā)復(fù)合，已經(jīng)在新材料涂層、功能涂層、超硬涂層的開(kāi)發(fā) 制備中成為必不可少的工藝方法。制備中成為必不可少的工藝方法。 nPVD法已廣泛用于機(jī)械、航空、電子、輕工和光學(xué)等工法已廣泛用于機(jī)械、航空、電子、輕工和光學(xué)等工 業(yè)部門(mén)中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、磁性、光學(xué)、業(yè)部門(mén)中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)

8、電、磁性、光學(xué)、 裝飾、潤(rùn)滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層。裝飾、潤(rùn)滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層。 n隨著物理氣相沉積設(shè)備的不斷完善、大型化和連續(xù)化，隨著物理氣相沉積設(shè)備的不斷完善、大型化和連續(xù)化， 它的應(yīng)用范圍和可鍍工件尺寸不斷擴(kuò)大，已成為國(guó)內(nèi)外它的應(yīng)用范圍和可鍍工件尺寸不斷擴(kuò)大，已成為國(guó)內(nèi)外 近近20年來(lái)爭(zhēng)相發(fā)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。年來(lái)爭(zhēng)相發(fā)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。 第七章氣相沉積技術(shù)9 1. 1. 蒸發(fā)鍍膜蒸發(fā)鍍膜 在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝 聚在基體表面的方法稱(chēng)蒸發(fā)鍍膜（簡(jiǎn)稱(chēng)蒸鍍）。聚在基體表面的方法稱(chēng)蒸發(fā)鍍膜（簡(jiǎn)稱(chēng)蒸鍍）

9、。 原理：原理： n和液體一樣，固體在任何溫度下也或多或少地氣化（升華），和液體一樣，固體在任何溫度下也或多或少地氣化（升華）， 形成該物質(zhì)的蒸氣。形成該物質(zhì)的蒸氣。 n在高真空中，將鍍料加熱到高溫，相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣向上在高真空中，將鍍料加熱到高溫，相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣向上 散發(fā)，蒸發(fā)原子在各個(gè)方向的通量并不相等。散發(fā)，蒸發(fā)原子在各個(gè)方向的通量并不相等。 n基片設(shè)在蒸氣源的上方阻擋蒸氣流，蒸氣則在其上形成凝固膜?；O(shè)在蒸氣源的上方阻擋蒸氣流，蒸氣則在其上形成凝固膜。 為了彌補(bǔ)凝固的蒸氣，蒸發(fā)源要以一定的比例供給蒸氣。為了彌補(bǔ)凝固的蒸氣，蒸發(fā)源要以一定的比例供給蒸氣。 n蒸發(fā)粒子具有的動(dòng)能

10、是蒸發(fā)粒子具有的動(dòng)能是 0.1-1.0 eV，膜對(duì)基體的結(jié)合力較弱，膜對(duì)基體的結(jié)合力較弱， 一般要對(duì)基板進(jìn)行加熱。一般要對(duì)基板進(jìn)行加熱。 第七章氣相沉積技術(shù)10 真空容器真空容器(提供蒸發(fā)所需提供蒸發(fā)所需 的真空環(huán)境的真空環(huán)境)。 蒸發(fā)源蒸發(fā)源(為蒸鍍材料的蒸為蒸鍍材料的蒸 發(fā)提供熱量發(fā)提供熱量)。 基片基片(即被鍍工件，在它即被鍍工件，在它 上面形成蒸發(fā)料沉積層上面形成蒸發(fā)料沉積層)， 基片架基片架(安裝夾持基片安裝夾持基片)。 加熱器。加熱器。 蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng) 第七章氣相沉積技術(shù)11 蒸發(fā)成膜過(guò)程是由蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和沉蒸發(fā)成膜過(guò)程是由蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和沉 積三個(gè)

11、過(guò)程所組成。積三個(gè)過(guò)程所組成。 被鍍材料被鍍材料 蒸發(fā)過(guò)程蒸發(fā)過(guò)程 蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料 粒子遷移粒子遷移 過(guò)程過(guò)程 蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料 粒子沉積粒子沉積 過(guò)程過(guò)程 蒸發(fā) 材料 蒸發(fā)材 料粒子 基片 (工件) 第七章氣相沉積技術(shù)12 n 在真空容器中將蒸鍍材料在真空容器中將蒸鍍材料(金屬或非金屬金屬或非金屬)加熱，當(dāng)達(dá)加熱，當(dāng)達(dá) 到適當(dāng)溫度后，便有大量的原子和分子離開(kāi)蒸鍍材料的到適當(dāng)溫度后，便有大量的原子和分子離開(kāi)蒸鍍材料的 表面進(jìn)入氣相。表面進(jìn)入氣相。 n 因?yàn)槿萜鲀?nèi)氣壓足夠低，這些原子或分子幾乎不經(jīng)碰因?yàn)槿萜鲀?nèi)氣壓足夠低，這些原子或分子幾乎不經(jīng)碰 撞地在空間內(nèi)飛散，撞地在空間內(nèi)飛散， n 當(dāng)?shù)竭_(dá)

12、表面溫度相對(duì)低的被鍍工件表面時(shí)，便凝結(jié)而當(dāng)?shù)竭_(dá)表面溫度相對(duì)低的被鍍工件表面時(shí)，便凝結(jié)而 形成薄膜。形成薄膜。 第七章氣相沉積技術(shù)13 n根據(jù)蒸發(fā)鍍的原理可知，通過(guò)采用單金屬鍍膜材料或合金根據(jù)蒸發(fā)鍍的原理可知，通過(guò)采用單金屬鍍膜材料或合金 鍍膜材料就可在基體上得到單金屬膜層或得到合金膜層。鍍膜材料就可在基體上得到單金屬膜層或得到合金膜層。 但由于在同一溫度下，不同的金屬具有不同的飽和蒸氣壓，但由于在同一溫度下，不同的金屬具有不同的飽和蒸氣壓， 其蒸發(fā)速度也不一樣，蒸發(fā)速度快的金屬將比蒸發(fā)速度慢其蒸發(fā)速度也不一樣，蒸發(fā)速度快的金屬將比蒸發(fā)速度慢 的金屬先蒸發(fā)完，這樣所得的膜層成分就會(huì)與合金鍍料的的

13、金屬先蒸發(fā)完，這樣所得的膜層成分就會(huì)與合金鍍料的 成分有明顯的不同。所以，通過(guò)蒸發(fā)鍍獲得合金鍍膜比獲成分有明顯的不同。所以，通過(guò)蒸發(fā)鍍獲得合金鍍膜比獲 得單金屬鍍膜困難。得單金屬鍍膜困難。 第七章氣相沉積技術(shù)14 真空蒸鍍時(shí)，蒸發(fā)粒子動(dòng)能為真空蒸鍍時(shí)，蒸發(fā)粒子動(dòng)能為0.11.0eV,膜對(duì)基體的附著膜對(duì)基體的附著 力較弱，為了改進(jìn)結(jié)合力，一般采用力較弱，為了改進(jìn)結(jié)合力，一般采用: n在基板背面設(shè)置一個(gè)加熱器，加熱基極，使基板保持適當(dāng)在基板背面設(shè)置一個(gè)加熱器，加熱基極，使基板保持適當(dāng) 的溫度，這既凈化了基板，又使膜和基體之間形成一薄的的溫度，這既凈化了基板，又使膜和基體之間形成一薄的 擴(kuò)散層擴(kuò)散層

14、,增大了附著力。增大了附著力。 n對(duì)于蒸鍍像對(duì)于蒸鍍像Au這樣附著力弱的金屬，可以先蒸鍍像這樣附著力弱的金屬，可以先蒸鍍像Cr， Al等結(jié)合力高的薄膜作底層。等結(jié)合力高的薄膜作底層。 第七章氣相沉積技術(shù)15 蒸發(fā)鍍用途蒸發(fā)鍍用途 n蒸鍍只適用于鍍制對(duì)蒸鍍只適用于鍍制對(duì) 結(jié)合強(qiáng)度要求不高的結(jié)合強(qiáng)度要求不高的 某些功能膜，例如用某些功能膜，例如用 作電極的導(dǎo)電膜，光作電極的導(dǎo)電膜，光 學(xué)透鏡的反射膜及裝學(xué)透鏡的反射膜及裝 飾用的金膜、銀膜。飾用的金膜、銀膜。 第七章氣相沉積技術(shù)16 蒸鍍純金屬膜中蒸鍍純金屬膜中90是鋁膜，鋁膜有廣泛的用途。是鋁膜，鋁膜有廣泛的用途。 n目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采用

15、蒸鍍，以鋁代銀，節(jié)約貴目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采用蒸鍍，以鋁代銀，節(jié)約貴 重金屬。重金屬。 n集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后再刻蝕出導(dǎo)線(xiàn)。在聚酯集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后再刻蝕出導(dǎo)線(xiàn)。在聚酯 薄膜上鍍鋁具有多種用途，可制造小體積的電容器；制作薄膜上鍍鋁具有多種用途，可制造小體積的電容器；制作 防止紫外線(xiàn)照射的食品軟包裝袋等；經(jīng)陽(yáng)極氧化和著色后防止紫外線(xiàn)照射的食品軟包裝袋等；經(jīng)陽(yáng)極氧化和著色后 即得色彩鮮艷的裝飾膜。即得色彩鮮艷的裝飾膜。 n雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。 第七章氣相沉積技術(shù)17 2. 濺射鍍膜濺射鍍膜 離子束

16、射向一塊固體材料時(shí)，有三種可能：離子束射向一塊固體材料時(shí)，有三種可能： 1入射離子把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，入射離子把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面， 這個(gè)現(xiàn)象叫做濺射。這個(gè)現(xiàn)象叫做濺射。 2入射離子從固體材料表面彈了回來(lái)，或者穿出固體材料入射離子從固體材料表面彈了回來(lái)，或者穿出固體材料 而去，這些現(xiàn)象叫做散射。而去，這些現(xiàn)象叫做散射。 3入射離子受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來(lái)，并入射離子受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來(lái)，并 最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。 第七章氣相沉積技術(shù)18 n 在真空室內(nèi)用幾十電

17、子伏持或更高動(dòng)能的荷能粒子在真空室內(nèi)用幾十電子伏持或更高動(dòng)能的荷能粒子 ( (通通 常是常是Ar+)Ar+)轟擊陰極轟擊陰極( (沉積材料做的靶沉積材料做的靶) )，將其原子濺射出，將其原子濺射出， 遷移到基片遷移到基片( (工件工件) )上沉積形成鍍層的過(guò)程稱(chēng)為濺射鍍膜。上沉積形成鍍層的過(guò)程稱(chēng)為濺射鍍膜。 n 在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱(chēng)為靶。在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱(chēng)為靶。 第七章氣相沉積技術(shù)19 二極濺射是最基本二極濺射是最基本 最簡(jiǎn)單的濺射裝置。最簡(jiǎn)單的濺射裝置。 在右圖的直流二極在右圖的直流二極 濺射裝置中，主要部濺射裝置中，主要部 件為件為 靶靶(陰極陰極)、工件、工件 (基片基

18、片)和陽(yáng)極。和陽(yáng)極。 第七章氣相沉積技術(shù)20 1）基本原理）基本原理 n其中靶是一平板，由欲沉積的材料組成，一般將它與電其中靶是一平板，由欲沉積的材料組成，一般將它與電 源的負(fù)極相連，故此法又常稱(chēng)為陰極濺射鍍膜。源的負(fù)極相連，故此法又常稱(chēng)為陰極濺射鍍膜。 n固定裝置可以使工件接地、懸空、偏置、加熱、冷卻或固定裝置可以使工件接地、懸空、偏置、加熱、冷卻或 同時(shí)兼有上述幾種功能。真空室中需要充入氣體作為媒同時(shí)兼有上述幾種功能。真空室中需要充入氣體作為媒 介，使輝光放電得以啟動(dòng)和維持，最常用的氣體是氬氣。介，使輝光放電得以啟動(dòng)和維持，最常用的氣體是氬氣。 n工作時(shí)，真空室預(yù)抽到工作時(shí)，真空室預(yù)抽到6

19、.5 10-3Pa，通入，通入Ar 氣使壓強(qiáng)維持氣使壓強(qiáng)維持 在在1.3 10 1.3 Pa， n接通直流高壓電源，陰極靶上的負(fù)高壓在極間建立起等離接通直流高壓電源，陰極靶上的負(fù)高壓在極間建立起等離 子區(qū)，其中帶正電的子區(qū)，其中帶正電的Ar+離子受電場(chǎng)加速轟擊陰極靶，濺離子受電場(chǎng)加速轟擊陰極靶，濺 射出靶物質(zhì)，射出靶物質(zhì)， n濺射粒子以分子或原子狀態(tài)沉積于工件表面，形成鍍膜。濺射粒子以分子或原子狀態(tài)沉積于工件表面，形成鍍膜。 第七章氣相沉積技術(shù)21 濺射鍍膜的基本過(guò)程濺射鍍膜的基本過(guò)程 靶面原子靶面原子 的濺射的濺射 濺射原子向?yàn)R射原子向 基片的遷移基片的遷移 濺射原子在濺射原子在 基片沉積基

20、片沉積 靶 基 片 濺射原子 正離子 第七章氣相沉積技術(shù)22 n陰極濺射時(shí)濺射下來(lái)的材料原子具有陰極濺射時(shí)濺射下來(lái)的材料原子具有1035eV 的動(dòng)能，比蒸鍍時(shí)原子動(dòng)能（的動(dòng)能，比蒸鍍時(shí)原子動(dòng)能（0.11.0eV）大得）大得 多，因此濺射鍍膜的附著力也比蒸鍍膜大。多，因此濺射鍍膜的附著力也比蒸鍍膜大。 第七章氣相沉積技術(shù)23 2）濺射鍍膜的特點(diǎn)）濺射鍍膜的特點(diǎn) 與真空蒸鍍法相比，陰極濺射有如下特點(diǎn)：與真空蒸鍍法相比，陰極濺射有如下特點(diǎn)： n膜層與基體結(jié)合力高。膜層與基體結(jié)合力高。 n容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜。容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜。 n可以在較大面積上得到均勻的薄膜?？梢栽谳^大面積上得到均勻的薄膜

21、。 n容易控制膜的組成，膜層致密，無(wú)氣孔。容易控制膜的組成，膜層致密，無(wú)氣孔。 n幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。 第七章氣相沉積技術(shù)24 3）濺射鍍膜工藝與應(yīng)用）濺射鍍膜工藝與應(yīng)用 n濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為機(jī)械功能膜和濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為機(jī)械功能膜和 物理功能膜兩大類(lèi)。物理功能膜兩大類(lèi)。 n前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等表面強(qiáng)化薄膜材料、前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等表面強(qiáng)化薄膜材料、 固體潤(rùn)滑薄膜材料；后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜固體潤(rùn)滑薄膜材料；后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜 材料等。材料等。 第七章氣相沉積技術(shù)25 n采用

22、采用Cr、Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在等合金靶或鑲嵌靶，在N2、CH4等氣氛等氣氛 中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍Cr、CrC、 CrN等鍍層。純鉻膜的顯微硬度為等鍍層。純鉻膜的顯微硬度為425840HV，CrN膜膜 為為1000350OHV，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水 溶液電鍍鉻。溶液電鍍鉻。 n用用TiN、TiC等超硬鍍層熔覆刀具、模具等表面，摩擦系等超硬鍍層熔覆刀具、模具等表面，摩擦系 數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、 耐沖擊等性能

23、，既可以提高刀具、模具等的使用性能，又耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的使用性能，又 可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高310倍。倍。 nTiN、TiC、Al2O3等膜層化學(xué)性能穩(wěn)定，在許多介質(zhì)中具等膜層化學(xué)性能穩(wěn)定，在許多介質(zhì)中具 有良好的耐蝕性，可以作為基體材料保護(hù)膜。有良好的耐蝕性，可以作為基體材料保護(hù)膜。 第七章氣相沉積技術(shù)26 太陽(yáng)能真空管一般為玻璃雙層同軸結(jié)構(gòu)，采用高硼硅太陽(yáng)能真空管一般為玻璃雙層同軸結(jié)構(gòu)，采用高硼硅3.3特特 硬玻璃制造，在內(nèi)管外壁采用磁控濺射鍍膜技術(shù)，濺射選硬玻璃制造，在內(nèi)管外壁采用磁控濺射鍍膜技術(shù)，濺射選 擇性吸收

24、涂層，如鋁、純銅、不銹鋼或鋁氮鋁擇性吸收涂層，如鋁、純銅、不銹鋼或鋁氮鋁(AL-N-AL)等。等。 如銅、不銹鋼、氮化鋁三靶干涉膜真空管，最里層是銅反如銅、不銹鋼、氮化鋁三靶干涉膜真空管，最里層是銅反 射層，中間是不銹鋼吸收層，最外是氮化鋁減反層。射層，中間是不銹鋼吸收層，最外是氮化鋁減反層。 第七章氣相沉積技術(shù)27 3.離子鍍離子鍍 n將真空室中的輝光放電等離子體技術(shù)與真空蒸將真空室中的輝光放電等離子體技術(shù)與真空蒸 發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種PVD技術(shù)。技術(shù)。 n在真空條件下，借助于一種惰性氣體的輝光放在真空條件下，借助于一種惰性氣體的輝光放 電使欲鍍金屬或合金蒸發(fā)離子

25、化，在帶負(fù)電荷電使欲鍍金屬或合金蒸發(fā)離子化，在帶負(fù)電荷 的基體（工件）上形成鍍膜的技術(shù)稱(chēng)為離子鍍。的基體（工件）上形成鍍膜的技術(shù)稱(chēng)為離子鍍。 第七章氣相沉積技術(shù)28 n 鍍前將真空室抽空至鍍前將真空室抽空至6.5 10-3Pa以上以上 真空，然后通入真空，然后通入Ar作為工作氣體，使作為工作氣體，使 真空度保持在真空度保持在1.3 1.3 10-1Pa。 n 當(dāng)接通高壓電源后，在蒸發(fā)源與工當(dāng)接通高壓電源后，在蒸發(fā)源與工 件之間產(chǎn)生氣體放電。由于工件接在件之間產(chǎn)生氣體放電。由于工件接在 放電的陰極，便有離子轟擊工件表面，放電的陰極，便有離子轟擊工件表面， 對(duì)工件作濺射清洗。對(duì)工件作濺射清洗。 n

26、 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，加熱蒸發(fā)源使鍍經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，加熱蒸發(fā)源使鍍 料氣化蒸發(fā)，蒸發(fā)后的鍍料原子進(jìn)入料氣化蒸發(fā)，蒸發(fā)后的鍍料原子進(jìn)入 放電形成的等離子區(qū)中，其中一部分放電形成的等離子區(qū)中，其中一部分 被電離，在電場(chǎng)加速下轟擊工件表面被電離，在電場(chǎng)加速下轟擊工件表面 并沉積成膜；一部分鍍料原子則處于并沉積成膜；一部分鍍料原子則處于 激發(fā)態(tài)，而未被電離，因而在真空室激發(fā)態(tài)，而未被電離，因而在真空室 內(nèi)呈現(xiàn)特定顏色的輝光。內(nèi)呈現(xiàn)特定顏色的輝光。 第七章氣相沉積技術(shù)29 離子鍍膜的基本過(guò)程離子鍍膜的基本過(guò)程 蒸發(fā) 材料 蒸發(fā)材料 被電離 基片 (工件) 鍍膜材料的蒸發(fā)、材料離子化、離子加速、離子轟擊鍍膜材

27、料的蒸發(fā)、材料離子化、離子加速、離子轟擊 工件表面沉積成膜。工件表面沉積成膜。 離子加速 氣體光輝放電 第七章氣相沉積技術(shù)30 離子鍍膜的特點(diǎn)離子鍍膜的特點(diǎn) n 膜層的附著力強(qiáng)，不易脫落，這是離子鍍膜的重要特性。膜層的附著力強(qiáng)，不易脫落，這是離子鍍膜的重要特性。 如在不銹鋼上鍍制如在不銹鋼上鍍制20 50 m厚的銀膜，可以達(dá)到厚的銀膜，可以達(dá)到300MPa的的 粘附強(qiáng)度，鋼上鍍鎳，粘附強(qiáng)度也極好。粘附強(qiáng)度，鋼上鍍鎳，粘附強(qiáng)度也極好。 n 繞射性好繞射性好。 基片的正面反面甚至內(nèi)孔、凹槽、狹縫等，都能沉積上薄膜?；恼娣疵嫔踔羶?nèi)孔、凹槽、狹縫等，都能沉積上薄膜。 n 沉積速率快，鍍層質(zhì)量好沉

28、積速率快，鍍層質(zhì)量好 。 離子鍍膜獲得的鍍層組織致密，針孔、氣泡少。而且鍍前離子鍍膜獲得的鍍層組織致密，針孔、氣泡少。而且鍍前 對(duì)工件對(duì)工件(基片基片)清洗處理較簡(jiǎn)單。成膜速度快，可達(dá)清洗處理較簡(jiǎn)單。成膜速度快，可達(dá)75 m/min， 可鍍制厚達(dá)可鍍制厚達(dá)30 m的鍍層，是制備厚膜的重要手段。的鍍層，是制備厚膜的重要手段。 第七章氣相沉積技術(shù)31 n 可鍍材質(zhì)廣泛可鍍材質(zhì)廣泛 離子鍍膜可以在金屬表面或非金屬表面上鍍制金屬膜或非離子鍍膜可以在金屬表面或非金屬表面上鍍制金屬膜或非 金屬膜，甚至可以鍍塑料、石英、陶瓷、橡膠?？梢藻儐谓饘倌ぃ踔量梢藻兯芰?、石英、陶瓷、橡膠?？梢藻儐?質(zhì)膜，也可以鍍化

29、合物膜。各種金屬、合金以及某些合成質(zhì)膜，也可以鍍化合物膜。各種金屬、合金以及某些合成 材料，熱敏材料，高熔點(diǎn)材料，均可鍍覆。材料，熱敏材料，高熔點(diǎn)材料，均可鍍覆。 采用不同的鍍料，不同的放電氣體及不同的工藝參數(shù)，就采用不同的鍍料，不同的放電氣體及不同的工藝參數(shù)，就 能獲得與基體表面附著力強(qiáng)的耐磨鍍層，表面致密的耐蝕能獲得與基體表面附著力強(qiáng)的耐磨鍍層，表面致密的耐蝕 鍍層，潤(rùn)滑鍍層，各種顏色的裝飾鍍層以及電子學(xué)、光學(xué)、鍍層，潤(rùn)滑鍍層，各種顏色的裝飾鍍層以及電子學(xué)、光學(xué)、 能源科學(xué)等所需的特殊功能鍍層。能源科學(xué)等所需的特殊功能鍍層。 第七章氣相沉積技術(shù)32 離子鍍的應(yīng)用離子鍍的應(yīng)用 n大多數(shù)精密刀

30、具都是高速鋼大多數(shù)精密刀具都是高速鋼 制造的，這些刀具制造復(fù)雜，制造的，這些刀具制造復(fù)雜， 價(jià)格昂貴，消耗貴金屬，迫價(jià)格昂貴，消耗貴金屬，迫 切需要延長(zhǎng)使用壽命。切需要延長(zhǎng)使用壽命。 n涂層高速鋼刀具是離子鍍最涂層高速鋼刀具是離子鍍最 成功的應(yīng)用之一，氮化鈦化成功的應(yīng)用之一，氮化鈦化 合物膜具有很高的硬度，顏合物膜具有很高的硬度，顏 色金黃，廣泛用于高速鋼刀色金黃，廣泛用于高速鋼刀 具和裝飾涂層，引起了一場(chǎng)具和裝飾涂層，引起了一場(chǎng) 刀具的刀具的“黃色革命黃色革命 ”。 第七章氣相沉積技術(shù)33 n離子鍍超硬涂層是在較低溫度下沉積的，一般離子鍍超硬涂層是在較低溫度下沉積的，一般 不超過(guò)基體材料的回

31、火溫度，同時(shí)離子鍍膜工不超過(guò)基體材料的回火溫度，同時(shí)離子鍍膜工 藝不降低工件的表面光潔度。因此，離子鍍通藝不降低工件的表面光潔度。因此，離子鍍通 常做為最后一道工序進(jìn)行。常做為最后一道工序進(jìn)行。 第七章氣相沉積技術(shù)34 離子鍍?cè)谌粘Ｉ钪械膽?yīng)用 第七章氣相沉積技術(shù)35 離子鍍 的手表 第七章氣相沉積技術(shù)36 電 鍍 真空蒸發(fā) 真空濺射 離子鍍膜 鍍覆物質(zhì) 金 屬 金屬 某些化合物 金屬、合金、化 合物、陶瓷、高 分子物質(zhì) 金屬、合金、陶 瓷、化合物 方 法電 解 真空蒸鍍真空等離子體法 離子束法 真空等離子體法 離子束法 粒子動(dòng)能(Ev)0.20.1 1.0幾個(gè) 100幾十 5000 沉積速率

32、中 等高(1m/min) (3 75m/min) 慢(0.1m/min)高(1m/min) (達(dá) 50m/min) 附著力較 好一 般 好很 好 膜的性質(zhì)可 能 有 針 孔、凸起 不太均勻高密度、針孔少高密度、針孔少 基片溫度(C)30 200150 500150 800 壓強(qiáng)(Pa) 6.510-2Ar 1.310-1 6.51.310-1 6.5 膜的純度 取決于鍍槽 的清潔和鍍 液的純度 取決于蒸發(fā)物 質(zhì)的純度 取決于靶材料的 純度 取決于鍍覆物質(zhì) 的純度 基板(工件)尺寸 受鍍槽大小 及電源功率 的限制 受真空室大小 的限制 受真空室大小的 限制 受真空室大小的 限制 鍍覆能力 (對(duì)復(fù)

33、雜形狀) 能鍍所有的 表面，但厚 度不均勻 只鍍基片的直 射表面 只鍍基片的直射 表面 能鍍基片所有表 面，鍍層厚度均 勻 三種物理氣相沉積技術(shù)與電鍍的比較三種物理氣相沉積技術(shù)與電鍍的比較 第七章氣相沉積技術(shù)37 7.3 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 n所謂化學(xué)氣相沉積（所謂化學(xué)氣相沉積（CVD），就是利用化學(xué)反應(yīng)），就是利用化學(xué)反應(yīng) 的原理，從氣相物質(zhì)中析出固相物質(zhì)沉積于工件的原理，從氣相物質(zhì)中析出固相物質(zhì)沉積于工件 表面形成涂層或薄膜的新工藝。表面形成涂層或薄膜的新工藝。 n化學(xué)氣相沉積與物理氣相沉積不同的是，沉積?；瘜W(xué)氣相沉積與物理氣相沉積不同的是，沉積粒 子來(lái)源于化合物的氣相分解反應(yīng)。子來(lái)

34、源于化合物的氣相分解反應(yīng)。 第七章氣相沉積技術(shù)38 產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)生揮發(fā)性 運(yùn)載化合物運(yùn)載化合物 把揮發(fā)性化合把揮發(fā)性化合 物運(yùn)到沉積區(qū)物運(yùn)到沉積區(qū) 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 形成固態(tài)產(chǎn)物形成固態(tài)產(chǎn)物 化學(xué)氣相沉積包括三個(gè)過(guò)程：化學(xué)氣相沉積包括三個(gè)過(guò)程： n 一是將含有薄膜元素的反應(yīng)物質(zhì)在較低溫度下氣化一是將含有薄膜元素的反應(yīng)物質(zhì)在較低溫度下氣化 n 二是將反應(yīng)氣體送入高溫的反應(yīng)室二是將反應(yīng)氣體送入高溫的反應(yīng)室 n 三是氣體在基體表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，析出金屬或化三是氣體在基體表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，析出金屬或化 合物沉積在工件表面形成涂層。合物沉積在工件表面形成涂層。 1. CVD的一般原理的一般原理

35、第七章氣相沉積技術(shù)39 CVD反應(yīng)必須滿(mǎn)足的三個(gè)揮發(fā)性條件：反應(yīng)必須滿(mǎn)足的三個(gè)揮發(fā)性條件： n反應(yīng)物必須具有足夠高的蒸氣壓，要保證能以適當(dāng)?shù)乃俣确磻?yīng)物必須具有足夠高的蒸氣壓，要保證能以適當(dāng)?shù)乃俣?被引入反應(yīng)室；被引入反應(yīng)室； n除了涂層物質(zhì)之外的其它反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的；除了涂層物質(zhì)之外的其它反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的； n沉積物本身必須有足夠低的蒸氣壓，以使其在反應(yīng)期間能沉積物本身必須有足夠低的蒸氣壓，以使其在反應(yīng)期間能 保持在受熱基體上。保持在受熱基體上。 第七章氣相沉積技術(shù)40 n以沉積以沉積TiC涂層為例，可向涂層為例，可向8501100的反應(yīng)室中通入的反應(yīng)室中通入 TiCl4、CH4、

36、H2，其中，其中H2氫氣作為載體氣和稀釋劑。經(jīng)氫氣作為載體氣和稀釋劑。經(jīng) 過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)，最終生成過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)，最終生成 TiC 沉積在工件表面。沉積在工件表面。 TiCl4 CH4 + H2 TiC 4HCl +H2 第七章氣相沉積技術(shù)41 2. CVD的分類(lèi)的分類(lèi) 按沉積的壓力不同，化學(xué)氣相沉積分為按沉積的壓力不同，化學(xué)氣相沉積分為 n常壓化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積 n低壓化學(xué)氣相沉積低壓化學(xué)氣相沉積 n兼有兼有CVD和和PVD兩者特點(diǎn)的等離子化學(xué)氣相沉積兩者特點(diǎn)的等離子化學(xué)氣相沉積 （PCVD）等。）等。 第七章氣相沉積技術(shù)42 按沉積的溫度不同，化學(xué)氣相沉積分為按沉積的溫度不同

37、，化學(xué)氣相沉積分為 n低溫沉積（低溫沉積（500以下）以下） n中溫沉積（中溫沉積（500800） n高溫沉積（高溫沉積（9001200） 第七章氣相沉積技術(shù)43 CVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： n 沉積層純度高，沉積層純度高， n 沉積層與基體的結(jié)合力強(qiáng)，沉積層與基體的結(jié)合力強(qiáng)， n 可以沉積各種單晶、多晶或非晶態(tài)無(wú)機(jī)薄膜材料，可以沉積各種單晶、多晶或非晶態(tài)無(wú)機(jī)薄膜材料， n 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，工藝上重現(xiàn)性好，適用于批量生設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，工藝上重現(xiàn)性好，適用于批量生 產(chǎn)和成本低廉。產(chǎn)和成本低廉。 3. CVD的特點(diǎn)的特點(diǎn) 第七章氣相沉積技術(shù)44 nCVD技術(shù)的最大缺點(diǎn)是需要較高的工作溫

38、度。由于技術(shù)的最大缺點(diǎn)是需要較高的工作溫度。由于CVD 技術(shù)是熱力學(xué)條件決定的熱化學(xué)過(guò)程，一般反應(yīng)溫度多技術(shù)是熱力學(xué)條件決定的熱化學(xué)過(guò)程，一般反應(yīng)溫度多 在在1000 C以上，因此限制了這一技術(shù)的應(yīng)用范圍以上，因此限制了這一技術(shù)的應(yīng)用范圍 n隨著目前等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、激光輔助化學(xué)氣隨著目前等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、激光輔助化學(xué)氣 相沉積的出現(xiàn)，能夠達(dá)到的沉積工作溫度在逐漸升高，相沉積的出現(xiàn)，能夠達(dá)到的沉積工作溫度在逐漸升高， 可沉積物質(zhì)的種類(lèi)在不斷擴(kuò)大，沉積層性能的范圍也在可沉積物質(zhì)的種類(lèi)在不斷擴(kuò)大，沉積層性能的范圍也在 逐漸擴(kuò)大。逐漸擴(kuò)大。 第七章氣相沉積技術(shù)45 4. CVD裝置裝

39、置 化學(xué)氣相沉積的典型裝置主要包括氣體的產(chǎn)生、凈化、化學(xué)氣相沉積的典型裝置主要包括氣體的產(chǎn)生、凈化、 混合及輸運(yùn)裝置、反應(yīng)室、基材加熱裝置和排氣裝置，混合及輸運(yùn)裝置、反應(yīng)室、基材加熱裝置和排氣裝置， 組成三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)：氣體供應(yīng)系統(tǒng)、反應(yīng)室及排組成三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)：氣體供應(yīng)系統(tǒng)、反應(yīng)室及排 氣系統(tǒng)氣系統(tǒng) 。 第七章氣相沉積技術(shù)46 第七章氣相沉積技術(shù)47 5. CVD技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用 CVD法主要應(yīng)用于兩大方向：法主要應(yīng)用于兩大方向： n一是沉積涂層，二是制取新材料。一是沉積涂層，二是制取新材料。 n目前已有數(shù)十種涂層材料，包括金屬、難熔材料目前已有數(shù)十種涂層材料，包括金屬、難熔材料

40、 的粉末和晶須以及金剛石、類(lèi)金剛石薄膜材料。的粉末和晶須以及金剛石、類(lèi)金剛石薄膜材料。 第七章氣相沉積技術(shù)48 CVDCVD法制備金剛石、 法制備金剛石、 類(lèi)金剛石薄膜材料類(lèi)金剛石薄膜材料 制備難熔材料的粉制備難熔材料的粉 未和晶須未和晶須 CVDCVD沉積金屬 沉積金屬 CVDCVD沉積各種功能涂層 沉積各種功能涂層 化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用 第七章氣相沉積技術(shù)49 1）CVD沉積金屬沉積金屬 n金屬有機(jī)化合物以及金屬羥基化合物已經(jīng)成功地用來(lái)沉金屬有機(jī)化合物以及金屬羥基化合物已經(jīng)成功地用來(lái)沉 積相應(yīng)的金屬。積相應(yīng)的金屬。 n用這種方法沉積的金屬包括用這種方法沉積的金屬包括Cu、Pb、Fe、Co、N

41、i、Ru、 In、Pt以及耐酸金屬以及耐酸金屬W、Mo等。其它金屬大部分可以通等。其它金屬大部分可以通 過(guò)它們的鹵化物的分解或歧化反應(yīng)來(lái)沉積，最普通的鹵過(guò)它們的鹵化物的分解或歧化反應(yīng)來(lái)沉積，最普通的鹵 化物就是氯化物?；锞褪锹然?。 第七章氣相沉積技術(shù)50 2）CVD沉積各種功能涂層沉積各種功能涂層 nCVD涂層可用于要求抗氧化、耐磨、耐蝕以及某些電學(xué)、涂層可用于要求抗氧化、耐磨、耐蝕以及某些電學(xué)、 光學(xué)和摩擦學(xué)性能的部件，主要是在工件表面沉積超硬耐光學(xué)和摩擦學(xué)性能的部件，主要是在工件表面沉積超硬耐 磨涂層或減摩涂層等。磨涂層或減摩涂層等。 n為進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，常在硬質(zhì)合金刀為進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，常在硬質(zhì)合金刀 具表面用具表面用CVD法沉積法沉積TiN，TiC