氣相沉積技術(shù)分析

氣相沉積技術(shù)分析一、薄膜的定義和基本性質(zhì)

1．薄膜的定義薄膜可以定義為：按照一定的需要，利用特殊的制備技術(shù)，在基體表面形成厚度為亞微米至微米級的膜層。從原子尺度來看，薄膜的表面呈不連續(xù)性，高低不平，薄膜內(nèi)部有空位、位錯等缺陷，并且有雜質(zhì)的混入。用各種工藝方法，控制一定的工藝參數(shù)，可以得到不同結(jié)構(gòu)的薄膜，如單晶薄膜、多晶薄膜、非晶態(tài)薄膜、亞微米級的超薄膜以及晶體取向外延薄膜等。2．薄膜的基本性質(zhì)(1)力學(xué)性質(zhì)。其彈性模量接近體材料，但抗拉強度明顯地高于體材料，有的高達(dá)200倍左右。這與薄膜內(nèi)部高密度缺陷有關(guān)。(2)導(dǎo)電性。其與電子平均自由程λf和膜厚t有關(guān)。在t<λf時：如果薄膜為島狀結(jié)構(gòu)，則電阻率極大；t增大到數(shù)十納米后，電阻率急劇下降；·多晶薄膜因晶界的接觸電阻大而使其電阻比單晶薄膜大。在t》λf時，薄膜的電阻率與體材料接近，但比體材料大。2．薄膜的基本性質(zhì)(3)電阻溫度系數(shù)。一般金屬薄膜的電阻溫度系數(shù)也與膜厚t有關(guān)，t小于數(shù)十納米時為負(fù)值，而大于數(shù)十納米時為正值。(4)密度。一般來說，薄膜的密度比體材料低。(5)時效變化。薄膜制成后，它的部分性質(zhì)會隨時間延長而逐漸變化；在一定時間或在高溫放置一定時間后，這種變化趨于平緩。二、薄膜的形成過程及生長模式

薄膜的形成過程氣相生長薄膜的過程大致上可分為形核和生長兩個階段?；妆砻嫖酵鈦碓雍?，鄰近原子的距離減小，它們在基底表面進(jìn)行擴散，并且相互作用，使吸附原子有序化，形成亞穩(wěn)的臨界核，然后長大成島和迷津結(jié)構(gòu)。島的擴展接合形成連續(xù)膜，在島的接合過程中將發(fā)生島的移動及轉(zhuǎn)動，以調(diào)整島之間的結(jié)晶方向。臨界核的大小，即所含原子的數(shù)目，決定于原子間，原子與基底間的鍵能，并受薄膜制備方法的影響，一般只含2-3個原子。臨界核是二維還是三維，對薄膜的生長模式有決定作用。薄膜一般有以下三種生長模式：

(1)島狀生長。一般的物理氣相沉積都是這種生長模式。首先在基底上形成臨界核，當(dāng)原子不斷地沉積時，核以三維方向長大，不僅增高而且擴大，形成島狀，同時還會出現(xiàn)新的核繼續(xù)長大成島。當(dāng)島在基底上不斷擴大時，島會相互聯(lián)系起來，構(gòu)成島的通道。當(dāng)原子繼續(xù)沉積，通道的橫向也會連接起來，形成連續(xù)的薄膜。這種薄膜表面起伏較大，表面粗糙。薄膜一般有以下三種生長模式：

(2)層狀生長。當(dāng)覆蓋度日小于1時，在基底上生成一些分立的單分子層組成的臨界核，繼續(xù)沉積時就會形成一連續(xù)的單分子層，然后在第一層上再生長單分子層的粒子。當(dāng)覆，蓋度日大于2時，形成兩個分子層，并在連續(xù)層上再出現(xiàn)分立的單分子層的粒子。繼續(xù)沉積，將一層一層地生長下去，形成一定厚度的連續(xù)膜。(3)層狀加島狀生長。隨原子沉積量的增加，即有單分子形成，在連續(xù)層上又有島的生長。薄膜的分析技術(shù)由于表面分析技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在可用多種方法來觀察薄膜的形成過程，如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、場離子顯微鏡(FIM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等。其中最方便的是原子力顯微鏡，因為薄膜在不同階段沉積后，樣品可不作任何處理便可直接觀察。雖然原子力顯微鏡的分辨率相當(dāng)高，但仍然不能看到臨界核，所看到的是臨界核長大后的粒子或島，然后島長大、接合，出現(xiàn)迷津結(jié)構(gòu)。隨著原子沉積增加，使通道加寬，空洞減少，最后形成連續(xù)的薄膜。常用的氣相沉積技術(shù)PVDCVD物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，簡稱PVD法），是利用熱蒸發(fā)、輝光放電或弧光放電等物理過程，在基材表面沉積所需涂層的技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程?；瘜W(xué)氣相沉積的過程可以在常壓下進(jìn)行，也可以在低壓下進(jìn)行。CVD技術(shù)是當(dāng)前獲得固態(tài)薄膜的方法之一。PVD/CVD比較PVD/CVD比較PVD/CVD比較工業(yè)實例：

氣相沉積技術(shù)在模具中的應(yīng)用提高模具的精度、壽命、硬度和耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫性能通常包括三個方面：①正確選擇模具材料；②對模具基體的熱處理；③對模具表面的改性處理。模具表面改性處理的方法很多，有鍍硬鉻、合金的電鍍法，有氮化、碳化及氧化等化學(xué)處理方法，有化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理真空鍍(PVD)法等鍍膜的方法.PVD法與CVD法的比較

金屬表面的處理方法中，CVD法應(yīng)用較早，我國從70年代開始，主要用于超硬涂層。但耐沖擊性能較差，特別是在間斷切削時，很容易發(fā)生脆裂。PVD法可以克服這個缺點，它可以在工具鋼的退火溫度以下形成涂層。兩者比較見表1。在模具的處理中，CVD法有些方面適用，尤其是用于凸模類的冷鍛。然而，由于CVD是在工具鋼的變態(tài)點以上的高溫處進(jìn)行處理，所以就必須有真空淬火和回火的后續(xù)處理，因此會發(fā)生變形，難于滿足高精度的要求。相比之下，用PVD法就完全不發(fā)生變形。PVD法是能夠在工具鋼(高速鋼、模具鋼)的回火溫度下，在金屬表面上沉積一層硬質(zhì)膜的方法。由于此法比較簡單，均可在真空槽內(nèi)進(jìn)行，因此被廣泛用于表面硬化技術(shù)中。沖壓是大批量零件成型生產(chǎn)實用工藝之一。在沖壓生產(chǎn)過程中，模具出現(xiàn)的問題最多，它是整個沖壓生產(chǎn)要素中最重要的因素。直接影響到生產(chǎn)效率和成本。影響到產(chǎn)品的交貨周期。模具問題主要集中在模具損壞、產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和模具的刃磨等，它們長期困擾著行業(yè)生產(chǎn)。模具損壞是指模具開裂、折斷、漲開等，見圖2所示。

PVD涂層技術(shù)針對沖壓／成型模具的解決方案

在模具的使用過程中，早期失效經(jīng)常出現(xiàn)。失效的因數(shù)通常是磨損、腐蝕、融合、粘著等。而PVD涂層技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各類磨損、咬合、腐蝕、粘著、融合等引起失效的工具、模具、機械零件、醫(yī)療器械等。其中，因磨損