第八章 無機(jī)材料后處理工藝

1、1、內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力 無機(jī)材料的內(nèi)應(yīng)力按其產(chǎn)生的性質(zhì)可分為三類：無機(jī)材料的內(nèi)應(yīng)力按其產(chǎn)生的性質(zhì)可分為三類：（1）熱應(yīng)力）熱應(yīng)力 由于材料中存在溫差而產(chǎn)生的。玻璃及其制品由于材料中存在溫差而產(chǎn)生的。玻璃及其制品最具代表性。按其產(chǎn)生的特點(diǎn)又可分為最具代表性。按其產(chǎn)生的特點(diǎn)又可分為暫時(shí)應(yīng)力暫時(shí)應(yīng)力和和永久應(yīng)力永久應(yīng)力。達(dá)到使用及裝達(dá)到使用及裝配總體要求配總體要求無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料外形規(guī)格尺寸的形態(tài)加工外形規(guī)格尺寸的形態(tài)加工金剛石砂輪切割工具金剛石砂輪切割工具制品制品表面表面電解液電解液制品制品表面表面 1. 1.目的：目的：部件接合裝配部件接合裝配 2.2.方法：方法：機(jī)械機(jī)械接合（銷接、鉚

2、接）接合（銷接、鉚接） 粘結(jié)：加入高粘度的粘合劑粘結(jié)：加入高粘度的粘合劑玻璃與金屬封接玻璃與金屬封接燈泡、電子管燈泡、電子管等電真空器件等電真空器件真空氣密性真空氣密性熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度真空熔封法真空熔封法金屬氧化物金屬陽離子電價(jià)金屬陽離子半徑與氧離子半徑比值潤濕角MnO240.37120Mn2O330.5100MnO20.6530玻璃與低價(jià)金屬氧化物的結(jié)合性好玻璃與低價(jià)金屬氧化物的結(jié)合性好金屬氧化物的氧化程度與潤濕角的關(guān)系 玻璃與金屬的玻璃與金屬的熱膨脹熱膨脹特性特性封接應(yīng)力：封接件的加工或使用過程中因封接應(yīng)力：封接件的加工或使用過程中因受受 熱或冷卻在玻璃中產(chǎn)生應(yīng)力熱或冷卻在

3、玻璃中產(chǎn)生應(yīng)力要求：熱膨脹系數(shù)的平均值相近要求：熱膨脹系數(shù)的平均值相近 熱膨脹曲線也一致熱膨脹曲線也一致陶瓷與金屬的封接陶瓷與金屬的封接金屬化金屬化焊接玻璃法焊接玻璃法被銀法被銀法燒結(jié)金屬粉末法燒結(jié)金屬粉末法活性金屬法：活性金屬法：Ti，Zr抗堿金抗堿金屬腐蝕屬腐蝕性性玻璃與金屬封接玻璃與金屬封接燈泡、電子管燈泡、電子管等電真空器件等電真空器件真空氣密性真空氣密性熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度真空熔封法真空熔封法花紋、圖案花紋、圖案氫氟酸氫氟酸玻璃表面玻璃表面光澤表面光澤表面形成富硅層形成富硅層淬火玻璃受力時(shí)應(yīng)力沿厚度分布圖淬火玻璃受力時(shí)應(yīng)力沿厚度分布圖a：鋼化玻璃的應(yīng)力分布；：鋼化玻璃的應(yīng)

4、力分布；b：退火玻璃受力時(shí)應(yīng)力分布；：退火玻璃受力時(shí)應(yīng)力分布；c：鋼化玻璃受力時(shí)應(yīng)力分布；：鋼化玻璃受力時(shí)應(yīng)力分布； 2Ag+Sn2+=Sn4+2Ag Pd2+Sn2+=Sn4+Pd有機(jī)硅處理有機(jī)硅處理 Physical vapor deposition依靠依靠動(dòng)量動(dòng)量交換作用使交換作用使鍍料分子進(jìn)入氣相鍍料分子進(jìn)入氣相MgO Substrate Sputtered by Ar Plasma設(shè)備簡(jiǎn)單，鍍膜效率低設(shè)備簡(jiǎn)單，鍍膜效率低鍍膜效率高，高速低溫濺射技術(shù)鍍膜效率高，高速低溫濺射技術(shù) 沉積介質(zhì)材料，速率高，膜層致密沉積介質(zhì)材料，速率高，膜層致密降低雜質(zhì)氣體含量，膜層質(zhì)量降低雜質(zhì)氣體含量，膜層

5、質(zhì)量高高成膜速率低成膜速率低蒸發(fā)與濺射的區(qū)別蒸發(fā)與濺射的區(qū)別真空蒸發(fā)遮擋效應(yīng)負(fù)偏壓負(fù)偏壓靶靶基片基片plasma 濺射技術(shù)濺射技術(shù)轟擊工件轟擊工件鍍膜鍍膜鍍料蒸氣鍍料蒸氣正離子正離子高壓直流高壓直流加速加速鍍料鍍料l 如圖1所示,它比較簡(jiǎn)單地說明了CVD工藝中的主要現(xiàn)象成核和生長的過程。l 圖1中示意的主要過程有:l (a)反應(yīng)氣體被強(qiáng)迫導(dǎo)入系統(tǒng);l (b)反應(yīng)氣體由擴(kuò)散和整體流動(dòng)(粘滯流動(dòng))穿l 過邊界層;l (c)氣體在基體表面的吸附;l (d)吸附物之間的或者吸附物與氣態(tài)物質(zhì)之間l 的化學(xué)反應(yīng);l (e)吸附物從基體解吸;l (f)生成氣體從邊界層到整體氣體的擴(kuò)散和整l 體流動(dòng);l (g

6、)將氣體從系統(tǒng)中強(qiáng)制排出。加熱加熱等離子激勵(lì)等離子激勵(lì)光輻射光輻射氣態(tài)物質(zhì)氣態(tài)物質(zhì)氣相或氣固界面氣相或氣固界面固態(tài)沉積物固態(tài)沉積物化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)能源能源化學(xué)氣相沉積法（化學(xué)氣相沉積法（CVDCVD）的原理）的原理加熱爐加熱爐石英舟石英舟基底基底石英管石英管進(jìn) 氣 口進(jìn) 氣 口端端出氣口端出氣口端電源線電源線熱電偶熱電偶控溫儀控溫儀基片基片界面界面邊界邊界層層反應(yīng)反應(yīng)氣體氣體(a) 反應(yīng)氣體擴(kuò)散反應(yīng)氣體擴(kuò)散(b) 氣體分子吸附氣體分子吸附(c) 化學(xué)反應(yīng)和表面遷移化學(xué)反應(yīng)和表面遷移(d) 解吸，進(jìn)入主氣流解吸，進(jìn)入主氣流(e) 抽離反應(yīng)系統(tǒng)抽離反應(yīng)系統(tǒng)(a) 熱能傳遞熱能傳遞(b) 動(dòng)量傳遞動(dòng)

7、量傳遞(c) 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞輸輸運(yùn)運(yùn)傳導(dǎo)傳導(dǎo)輻射輻射對(duì)流對(duì)流 熱分解法熱分解法襯底襯底反應(yīng)氣態(tài)源物質(zhì)真空或惰性氣氛薄膜薄膜 氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)SiH4 + 2O2 +2H2O（325475）SiH4 + B2H6 + 5O2+5H2O （300500）Al2(CH3)6 + 12 O2 +9H2O +6CO2（450）WF6 + 3H2 + 6HF （約300）SiCl4 + 2 H2 + 4HCl （11501200） 化學(xué)合成反應(yīng)化學(xué)合成反應(yīng)SiH4 + 2O2+ 2 H2O（325475）3SiH4 + 4NH3 + 12H2 （750）3SiCl4 + 4NH3 + 12HCl

8、（850900）SiH4+B2H6+5O2 +5H2O（300500）Al2(CH3)6 +12O2 +9H2O+6CO2（450）2TiCl4 + N2 + 4H2 + 8HCl（12001250） 化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)2HgS(s) 21TT 2Hg(g) +S2(g)2ZnS(s) + 2I2(g) 2ZnI2(g) +S2(g) 2ZnI2(g) +Se2(g)2ZnSe(s) + 2I2(g) 高溫氣化分解高溫氣化分解, ,稍冷的地方反應(yīng)沉積稍冷的地方反應(yīng)沉積 本身不易發(fā)生分解，而添加另一種物質(zhì)（稱為本身不易發(fā)生分解，而添加另一種物質(zhì)（稱為輸運(yùn)劑輸運(yùn)劑）來促進(jìn)輸運(yùn)中間氣態(tài)產(chǎn)物的生

9、成）來促進(jìn)輸運(yùn)中間氣態(tài)產(chǎn)物的生成 21TT21TT 等離子體增強(qiáng)的反應(yīng)等離子體增強(qiáng)的反應(yīng)SiH4 + xNH3 C350約 SiNx（或SiNxHy）+ 其他能源增強(qiáng)的反應(yīng)其他能源增強(qiáng)的反應(yīng)W(CO)6 激光束 W + 6 CO壓力：常壓，低壓壓力：常壓，低壓結(jié)構(gòu)：水平，直立，管狀等結(jié)構(gòu)：水平，直立，管狀等溫度：熱壁式，冷壁式溫度：熱壁式，冷壁式氣源控制部件氣源控制部件沉積反應(yīng)室沉積反應(yīng)室溫控部件溫控部件排氣部件排氣部件反應(yīng)裝置和工藝反應(yīng)裝置和工藝 常壓化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD, atmospheric pressure CVD) 低壓化學(xué)氣相沉積低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD

10、, low pressure CVD) 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD, plasma enhanced CVD) 有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD, metal organic CVD) 激光化學(xué)氣相沉積激光化學(xué)氣相沉積 (LCVD, laser CVD) 常壓化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積 (APCVD)定義：在壓力接近定義：在壓力接近常壓常壓下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積用途：?jiǎn)尉庋由L和多晶薄膜沉積用途：?jiǎn)尉庋由L和多晶薄膜沉積反應(yīng)器種類：反應(yīng)器種類： 臥式反應(yīng)器臥式反應(yīng)器 立式反應(yīng)器立式反應(yīng)器 桶式反應(yīng)器桶式反應(yīng)器 常壓化

11、學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積 (APCVD)臥式反應(yīng)器臥式反應(yīng)器3-43-4片襯底片襯底/ /次次微粒微粒壓力近壓力近1atm1atm進(jìn)行進(jìn)行氣體分子間碰撞頻率很高氣體分子間碰撞頻率很高均勻成核的氣相反應(yīng)均勻成核的氣相反應(yīng)微粒微粒薄膜的覆著薄膜的覆著 常壓化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積 (APCVD)基本原理基本原理氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程單位體積的分子數(shù)單位體積的分子數(shù)n單位體積的分子數(shù)單位體積的分子數(shù)n=P/KT在低壓在低壓(102Pa)進(jìn)行化學(xué)沉積反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)沉積反應(yīng)低壓下氣體分子擴(kuò)散快低壓下氣體分子擴(kuò)散快厚度均勻的薄膜厚度均勻的薄膜 低壓化學(xué)氣相沉積低壓化學(xué)氣相沉積 (LP

12、CVD) LPCVDAPCVD質(zhì)量質(zhì)量均勻性好、均勻性好、穩(wěn)定穩(wěn)定均勻性不好、均勻性不好、不穩(wěn)定不穩(wěn)定氧化物夾層氧化物夾層無無有有單片均勻性單片均勻性3%5%8%10%片與片均勻性片與片均勻性5%10%批與批均勻性批與批均勻性8%無法測(cè)量無法測(cè)量晶粒結(jié)構(gòu)晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)而密細(xì)而密疏松疏松生長多晶硅后情況生長多晶硅后情況不需清洗不需清洗要清洗要清洗 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積結(jié)合的工藝過程物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積結(jié)合的工藝過程使原本需要在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)由于反應(yīng)氣使原本需要在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)由于反應(yīng)氣體的電激活而在相當(dāng)?shù)偷臏囟认逻M(jìn)行。體的

13、電激活而在相當(dāng)?shù)偷臏囟认逻M(jìn)行。 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)反應(yīng)裝置反應(yīng)裝置特點(diǎn)特點(diǎn)低溫成膜低溫成膜低壓成膜低壓成膜改善薄膜的內(nèi)應(yīng)力改善薄膜的內(nèi)應(yīng)力可在不同基體上制備多種薄膜可在不同基體上制備多種薄膜等離子體引入其他氣體等離子體引入其他氣體膜層晶粒度細(xì)，膜層與基體結(jié)合好膜層晶粒度細(xì)，膜層與基體結(jié)合好膜厚及成份均勻，組織致密膜厚及成份均勻，組織致密 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)LPCVDPECVD沉積速率沉積速率低低高高沉積溫度沉積溫度高高低低薄膜應(yīng)力薄膜應(yīng)力大大小小薄膜厚度薄膜厚度小小厚厚薄膜質(zhì)量薄膜質(zhì)量選擇性腐蝕選擇性腐蝕

14、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)基本原理：基本原理：在熱解或光解作用下，金屬有在熱解或光解作用下，金屬有 機(jī)鹽可在較低的溫度沉積出相機(jī)鹽可在較低的溫度沉積出相 應(yīng)的各種無機(jī)材料。應(yīng)的各種無機(jī)材料。真空豎式豎式MOCVDMOCVD原料極毒且易燃原料極毒且易燃密封密封尾氣處理尾氣處理 有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)沉積溫度低；沉積溫度低；能沉積多種薄膜；能沉積多種薄膜；可大規(guī)模制備；可大規(guī)模制備；沉積能力強(qiáng)；沉積能力強(qiáng)；沉積微米級(jí)的表面層；沉積微米級(jí)的表面層；原料毒性大；原料毒性大；特點(diǎn)：特點(diǎn)： 有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)反應(yīng)裝置和工藝反應(yīng)裝置和工藝 APCVD LPCVD PECVD MOCVD激光化學(xué)氣相沉積激光化學(xué)氣相沉積整個(gè)基體表面沉積整個(gè)基體表面沉積 激光化學(xué)氣相沉積激光化學(xué)氣相沉積 (LCVD)選區(qū)沉積選區(qū)沉積局部加熱局部加熱低溫沉積，基低溫沉積，基體溫度為體溫度為200熱處