物理氣相沉積-8-1解析課件

第八章氣相沉積技術(shù)第八章氣相沉積技術(shù)1氣相沉積技術(shù):發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛→→表面成膜技術(shù)application→→制備各種特殊力學(xué)性能的薄膜涂層，如超硬、高耐蝕、耐熱和抗氧化等。制備各種功能薄膜材料和裝飾薄膜涂層等。氣相沉積技術(shù):application→→制備各種特殊力學(xué)性2since1970s→→薄膜技術(shù)和薄膜材料→→發(fā)展突飛猛進(jìn)→→成果累累當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域微電子工業(yè)乃至信息工業(yè)的基礎(chǔ)工藝:氣相沉積技術(shù)+微細(xì)加工技術(shù)（光刻腐蝕、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子注入和離子束混合改性等在內(nèi)的微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域）since1970s→→微電子工業(yè)乃至信息工業(yè)的基礎(chǔ)工藝:3可沉積的物質(zhì)：金屬膜、合金膜，化合物、非金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、塑料膜等。沉積薄膜物質(zhì)無限制→→基體無限制可沉積的物質(zhì)：4application1.大量用于電子器件和大規(guī)模集成電路制作2.制取磁性膜及磁記錄介質(zhì)、絕緣膜、電介質(zhì)膜、壓電膜、光學(xué)膜、光導(dǎo)膜、超導(dǎo)膜、傳感器膜和耐磨、耐蝕、自潤(rùn)滑膜、裝飾膜以及各種特殊需要的功能膜等在促進(jìn)電子電路小型化、功能高度集成化方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。application5薄膜技術(shù)：1.薄膜材料與制備技術(shù)2.薄膜沉積過程監(jiān)測(cè)控制技術(shù)3.薄膜檢測(cè)技術(shù)與薄膜應(yīng)用技術(shù)

薄膜產(chǎn)業(yè)→→門類齊全。薄膜技術(shù)：68.1物理氣相沉積（PVD）

物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，簡(jiǎn)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)。包括:真空蒸發(fā)鍍膜濺射鍍膜離子鍍膜物理氣相沉積8.1物理氣相沉積（PVD）真空蒸發(fā)鍍膜濺射鍍膜離子鍍膜物7PVD設(shè)備

PVD設(shè)備8與其他鍍膜或表面處理方法相比，物理氣相沉積具有以下特點(diǎn)：（1）鍍層材料廣泛，可鍍各種金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物等化合物鍍層，也能鍍制金屬、化合物的多層或復(fù)合層；與其他鍍膜或表面處理方法相比，物理氣相沉積9（2）鍍層附著力強(qiáng)；工藝溫度低，工件一般無受熱變形或材料變質(zhì)等問題，如用離子鍍得到TiN等硬質(zhì)鍍層，其工件溫度可保持在550℃以下，這比化學(xué)氣相沉積法制備同樣的鍍層所需的1000℃要低得多；鍍層純度高、組織致密；工藝過程主要由電參數(shù)控制，易于控制、調(diào)節(jié)；對(duì)環(huán)境無污染。雖然存在設(shè)備較復(fù)雜、一次投資較大等缺陷，但由于以上特點(diǎn)，物理氣相沉積技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。（2）鍍層附著力強(qiáng)；工藝溫度低，工件一般無受熱108.1.1物理氣相沉積的基本過程（1）氣相物質(zhì)的產(chǎn)生一類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；另一類是用具有一定能量的離子轟擊靶材（鍍料），從靶材上擊出鍍料原子，稱為濺射鍍膜。（2）氣相物質(zhì)的輸送氣相物質(zhì)的輸送要求在真空中進(jìn)行，這主要是為了避免氣體碰撞妨礙氣相鍍料到達(dá)基片。8.1.1物理氣相沉積的基本過程11（3）氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)在基片上沉積是一個(gè)凝聚過程。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。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，稱為反應(yīng)鍍。在鍍料原子凝聚成膜的過程中，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)稱為離子鍍。（3）氣相物質(zhì)的沉積12蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本鍍膜技術(shù)。以此為基礎(chǔ)，又衍生出反應(yīng)鍍和離子鍍。其中反應(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；而離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列為另一類鍍膜技術(shù)。蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本鍍膜技術(shù)。138.1.2蒸發(fā)鍍膜

蒸發(fā)鍍是PVD方法中最早用于工業(yè)生產(chǎn)的一種，該方法工藝成熟，設(shè)備較完善，低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)效果高，可用于制備介質(zhì)膜、電阻、電容等，也可以在塑料薄膜和紙張上連續(xù)蒸鍍鋁膜。定義：在真空條件下，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為蒸發(fā)鍍膜，簡(jiǎn)稱蒸鍍。8.1.2蒸發(fā)鍍膜14一、蒸發(fā)原理

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蒸發(fā)鍍膜（簡(jiǎn)稱蒸鍍）。蒸發(fā)鍍膜過程是由鍍材物質(zhì)蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和蒸發(fā)材料粒子在基板表面沉積三個(gè)過程組成。

一、蒸發(fā)原理15物理氣相沉積-8-1解析課件16蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離子鍍膜相比有如下優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、工藝容易掌握、可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，鍍膜的形成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，多數(shù)物質(zhì)均可采用真空蒸發(fā)鍍膜；但鍍層與基片的結(jié)合力差，高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的鍍膜很難制作，如鉑、鋁等金屬，蒸發(fā)物質(zhì)所用坩堝材料也會(huì)蒸發(fā)，混入鍍膜之中成為雜質(zhì)。蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離17二、蒸發(fā)方法蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱為蒸發(fā)源，也稱加熱器。蒸鍍方法主要有下列幾種：1.電阻加熱法：讓大電流通過蒸發(fā)源，加熱待鍍材料，使其蒸發(fā)的簡(jiǎn)單易行的方法。二、蒸發(fā)方法18對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點(diǎn)，低蒸氣壓，在蒸發(fā)溫度下不會(huì)與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等性質(zhì)。常用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬材料。按照蒸發(fā)材料的不同，可制成絲狀、帶狀和板狀等。

對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：19電阻加熱蒸發(fā)源

電阻加熱蒸發(fā)源20二、蒸發(fā)方法2.電子束加熱：即用高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。由于是直接在蒸發(fā)物質(zhì)中加熱，避免了蒸發(fā)物質(zhì)與容器的反應(yīng)和蒸發(fā)源材料的蒸發(fā)，故可制備高純度的膜層。一般用于電子原件和半導(dǎo)體用的鋁和鋁合金，此外，用電子束加熱也可以使高熔點(diǎn)金屬（如W，Mo，Ta等）熔化、蒸發(fā)。二、蒸發(fā)方法213.高頻感應(yīng)加熱：在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍的材料置于坩鍋中，通過高頻交流電使材料感應(yīng)加熱而蒸發(fā)。此法主要用于鋁的大量蒸發(fā)，得到的膜層純凈而且不受帶電粒子的損害。

3.高頻感應(yīng)加熱：在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍22高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源

高頻感應(yīng)加熱238.1.3濺射鍍膜

在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在工件表面沉積的過程。8.1.3濺射鍍膜24在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射。用離子束轟擊靶而發(fā)生的濺射，則稱為離子束濺射。在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。25

一、濺射鍍膜方法（1）直流二極濺射二極濺射是最早采用的一種濺射方法。以鍍膜材料為陰極，而被鍍膜材料為陽極。陰極上接1～3kV的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。工作時(shí)先抽真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。

一、濺射鍍膜方法26

一、濺射鍍膜方法（1）直流二極濺射接通電源，陰極靶上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陰極電位降作用下，加速轟擊陰極靶、使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。

一、濺射鍍膜方法27物理氣相沉積-8-1解析課件28這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。缺點(diǎn)有：因工作壓力較高,膜層有沾污；沉積速率低，不能鍍10μm以上的膜厚；由于大量二次電子直接轟擊基片使基片溫升過高。這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。29（2）三極濺射三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極—熱陰極，發(fā)射熱電子，熱電子在電場(chǎng)吸引下穿過靶與基極間的等離子體區(qū)，使熱電子強(qiáng)化放電，它既能使使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方便。這樣，濺射速率提高，由于沉積真空度提高，鍍層質(zhì)量得到改善。物理氣相沉積-8-1解析課件30

一、濺射鍍膜方法（3）磁控濺射磁控濺射是70年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術(shù)。其特點(diǎn)是在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在電磁場(chǎng)作用下，被壓縮在近靶面作回旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了到達(dá)陽極的路程，大大提高了與氣體原子的碰撞概率，因而提高濺射率。

一、濺射鍍膜方法31物理氣相沉積-8-1解析課件32物理氣相沉積-8-1解析課件33

一、濺射鍍膜方法（3）磁控濺射磁控濺射目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。這是由于磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。具有沉積速率、基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小等優(yōu)點(diǎn)。1974年Chapin發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動(dòng)作用。

一、濺射鍍膜方法34一、濺射鍍膜方法（4）反應(yīng)濺射在陰極濺射中，真空槽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。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體（如O2，N2等），因而能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。一、濺射鍍膜方法35一、濺射鍍膜方法（6）反應(yīng)濺射其實(shí)際裝置，除為了混合氣體需設(shè)置兩個(gè)氣體引入口以及將基片加熱到500℃以外，與兩極濺射和射頻濺射無多大差別。濺射是物理氣相沉積技術(shù)中最容易控制合金成分的方法。一、濺射鍍膜方法36二、濺射鍍膜的特點(diǎn)與真空蒸鍍法相比，有如下特點(diǎn)：①結(jié)合力高；②容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；③可以在較大面積上得到均一的薄膜；④容易控制膜的組成；⑤可以長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；⑥有良好的再現(xiàn)性；⑦幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。

二、濺射鍍膜的特點(diǎn)37三、濺射的用途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。前者包括耐摩、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、光等功能薄膜材料等。三、濺射的用途38采用Cr，Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,CH4等氣氛中進(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Cr的顯微硬度為425～840HV，CrN為1000～350OHV，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆、速率慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。采用Cr，Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,39用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、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、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高3～10倍。TiN，TiC，Al2O3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，可作基體材料保護(hù)膜。用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、模具等表面，摩擦408.1.4離子鍍膜

一、離子鍍的原理離子鍍是在真空條件下，借助于一種惰性氣體的輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后對(duì)帶負(fù)電荷的基體轟擊的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基體上。

離子鍍的技術(shù)基礎(chǔ)是真空蒸鍍，其過程包括鍍膜材料的受熱，蒸發(fā)，離子化和電場(chǎng)加速沉積的過程。物理氣相沉積-8-1解析課件41二、離子鍍的特點(diǎn)（1）離子鍍可在較低溫度下進(jìn)行?；瘜W(xué)氣相沉積一般均需在900℃以上進(jìn)行，所以處理后要考慮晶粒細(xì)化和變形問題，而離子鍍可在900℃下進(jìn)行，可作為成品件的最終處理工序。（2）膜層的附著力強(qiáng)。如在不銹鋼上鍍制20～50μｍ厚的銀膜，可達(dá)到300N/mm2粘附強(qiáng)度。二、離子鍍的特點(diǎn)42二、離子鍍的特點(diǎn)主要原因：離子轟擊時(shí)基片產(chǎn)生濺射，使表面雜質(zhì)層清除、吸附層解吸，使基片表面清潔，提高了膜層附著力；濺射使膜離子向基片注入和擴(kuò)散，膜晶格中結(jié)合不牢的原子將被再濺射，只有結(jié)合牢固的粒子留成膜；二、離子鍍的特點(diǎn)43轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)蒸鍍表面產(chǎn)生了自動(dòng)加熱效應(yīng)，提高表層組織的結(jié)晶性能，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)，而離子轟擊產(chǎn)生的晶體缺陷與自加熱效應(yīng)的共同作用，增強(qiáng)了擴(kuò)散作用；飛散在空間的基片原子有一部分再返回基片表面與蒸發(fā)材料原子混合和離子注入基片表面，促進(jìn)了混合界面層的形成。轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?duì)蒸鍍表面產(chǎn)生44（3）繞鍍能力強(qiáng)。首先，蒸發(fā)物質(zhì)由于在等離子區(qū)被電離為正離子，這些正離子隨電場(chǎng)的電力線運(yùn)動(dòng)而終止在帶負(fù)電的基片的所有表面，因而在基片的正面、反面甚至基片的內(nèi)孔、凹槽、狹縫等都能沉積上薄膜。其次是由于氣體的散射效應(yīng)，特別是在工件壓強(qiáng)較高時(shí)，沉積材料的蒸氣離子和蒸氣分子在它到達(dá)基片的路徑上將與殘余氣體發(fā)生多次碰撞，使沉積材料散射到基片周圍，因而基片所有表面均能被鍍覆。（3）繞鍍能力強(qiáng)。首先，蒸發(fā)物質(zhì)由于在等離子45（4）沉積速度快，鍍層質(zhì)量好。離子鍍獲得的膜層，組織致密，氣孔、氣泡少。而且鍍前對(duì)工件清洗，處理較簡(jiǎn)單，成膜速度快，可達(dá)

1～50μm/min，而濺射只有0.01～1μm/min。離子鍍可鍍制厚達(dá)30μm的膜層，是制備厚膜的重要手段。（4）沉積速度快，鍍層質(zhì)量好。離子鍍獲得的膜層，組織致密，氣46（5）工件材料和鍍膜材料選擇性廣。工件材料除金屬以外，陶瓷、玻璃、塑料均可以，鍍膜材料可以是金屬和合金，也可以是碳化物、氧化物和玻璃等，并可進(jìn)行多元素多層鍍覆。

（5）工件材料和鍍膜材料選擇性廣。工件材料除金47三、離子鍍的類型離子鍍?cè)O(shè)備要在真空、氣體放電的條件下完成鍍膜和離子轟擊過程。因此，離子鍍?cè)O(shè)備要由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。

三、離子鍍的類型48

1．空心陰極離子鍍（HCD）1972年Moley和Smith最先把空心熱陰極放電技術(shù)用于薄膜沉積。1973年日本真空株式會(huì)社也開始這方面的研究。當(dāng)時(shí)的目的之一是利用真空的辦法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水溶液電鍍鉻，以解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。1．空心陰極離子鍍（HCD）49HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體?？招你g管作為陰極，氬氣通過鉭管流入真空室，輔助陽極距陰極較近，二者作為引燃弧光放電的兩極。陽極是鍍料?；」夥烹姇r(shí)，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時(shí)基片加上負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引氬離子向基片轟擊，實(shí)現(xiàn)離子鍍。HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體。空50物理氣相沉積-8-1解析課件51空心陰極離子鍍有顯著優(yōu)點(diǎn)，可鍍材料廣泛，既可以鍍單質(zhì)膜，也可以鍍化合物膜。目前廣泛用于鍍制高速鋼刀具TiN超硬膜?？招年帢O離子鍍有顯著優(yōu)點(diǎn)，可鍍材料廣52

2．活性反應(yīng)離子鍍?cè)陔x子鍍的過程中，若在真空室中導(dǎo)入與金屬蒸氣起反應(yīng)的氣體，比如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或摻在Ar之中，并用各種不同的放電方式，使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在工件表面就可以獲得化合物鍍層。這種方法稱為活性反離子鍍法。2．活性反應(yīng)離子鍍53物理氣相沉積-8-1解析課件54ARE活性蒸鍍有如下特點(diǎn)：（1）工藝溫度低因電離而增加了反應(yīng)物的活性，在較低溫度下就能獲得硬度高、附著性良好的鍍層。ARE活性蒸鍍有如下特點(diǎn)：55CVD的工藝溫度高達(dá)1000℃，而ARE法的工藝溫度可在500℃以下。（2）可得到多種化合物通過導(dǎo)入各種反應(yīng)氣體，就可以得到各種化合物。幾乎所有過渡族元素均能形成氮化物、碳化物。CVD的工藝溫度高達(dá)1000℃，而ARE法的56（3）可在任何基體上涂覆由于使用了大功率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，因此幾乎可以蒸鍍所有的金屬和化合物，也可在非金屬材料如陶瓷、玻璃上鍍膜。（3）可在任何基體上涂覆由于使用了大功57（4）鍍層生長(zhǎng)速度快成膜速度可達(dá)4.5mm/h。通過改變蒸發(fā)源功率及改變蒸發(fā)源與工件之間的距離，都可以對(duì)鍍層生成速度進(jìn)行控制。（4）鍍層生長(zhǎng)速度快成膜速度可達(dá)58

3．多弧離子鍍多弧放電蒸發(fā)源是在70年代由前蘇聯(lián)發(fā)展起來的。美國(guó)在1980年從蘇聯(lián)引進(jìn)這種技術(shù)，至今歐美一些公司都在大力發(fā)展多弧離子鍍技術(shù)。近十幾年來國(guó)內(nèi)引進(jìn)多臺(tái)鍍制TiN超硬膜的設(shè)備，其中大多數(shù)是多弧離子鍍裝置。3．多弧離子鍍59物理氣相沉積-8-1解析課件60多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，這種裝置不需要熔池。電弧的引燃是依靠引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材表面的一個(gè)或幾個(gè)密集的弧斑處進(jìn)行?；“叩闹睆皆?00μ以下?；“叩碾娏髅芏葹?05～107A/cm2，溫度高達(dá)8000～40000K。

多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰61多弧離子鍍的特點(diǎn)是從陰極直接產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡(jiǎn)化。入射粒子能量高，膜的致密度高，強(qiáng)度好，膜基界面產(chǎn)生原子擴(kuò)散，結(jié)合強(qiáng)度高，離化率高，一般可達(dá)60%～80%。從應(yīng)用角度講，多弧離子鍍的突出優(yōu)點(diǎn)是蒸鍍速率快，TiN膜可達(dá)10～1000nm/s。多弧離子鍍的特點(diǎn)是從陰極直接產(chǎn)生等離子體，不62多弧離子鍍的應(yīng)用面廣，實(shí)用性強(qiáng)，特別在高速鋼刀具和不銹鋼板表面上鍍覆TiN膜層等方面得到了迅速發(fā)展。多弧離子鍍的應(yīng)用面廣，實(shí)用性強(qiáng)，特別在高速鋼63項(xiàng)目真空蒸鍍陰極濺射離子鍍粒子能量0.1-1ev1-10ev數(shù)百-數(shù)千ev沉積速度μm/min0.1-750.01-0.50.1-50附著性一般相當(dāng)好非常好繞射性不好好好項(xiàng)目真空蒸鍍陰極濺射離子鍍粒子能量0.1-1ev1-10ev64制備熱障涂層熱障涂層是為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而發(fā)展起來的。它通過將陶瓷沉積在部件表面，提高其高溫腐蝕能力。等離子噴涂形成等軸晶，EB-PVD產(chǎn)生柱狀晶結(jié)構(gòu)。制備熱障涂層熱障涂層是為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而發(fā)展起來的。它65制備熱障涂層等離子噴涂形成等軸晶，EB-PVD產(chǎn)生柱狀晶結(jié)構(gòu)。制備熱障涂層66第八章氣相沉積技術(shù)第八章氣相沉積技術(shù)67氣相沉積技術(shù):發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛→→表面成膜技術(shù)application→→制備各種特殊力學(xué)性能的薄膜涂層，如超硬、高耐蝕、耐熱和抗氧化等。制備各種功能薄膜材料和裝飾薄膜涂層等。氣相沉積技術(shù):application→→制備各種特殊力學(xué)性68since1970s→→薄膜技術(shù)和薄膜材料→→發(fā)展突飛猛進(jìn)→→成果累累當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域微電子工業(yè)乃至信息工業(yè)的基礎(chǔ)工藝:氣相沉積技術(shù)+微細(xì)加工技術(shù)（光刻腐蝕、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子注入和離子束混合改性等在內(nèi)的微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域）since1970s→→微電子工業(yè)乃至信息工業(yè)的基礎(chǔ)工藝:69可沉積的物質(zhì)：金屬膜、合金膜，化合物、非金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、塑料膜等。沉積薄膜物質(zhì)無限制→→基體無限制可沉積的物質(zhì)：70application1.大量用于電子器件和大規(guī)模集成電路制作2.制取磁性膜及磁記錄介質(zhì)、絕緣膜、電介質(zhì)膜、壓電膜、光學(xué)膜、光導(dǎo)膜、超導(dǎo)膜、傳感器膜和耐磨、耐蝕、自潤(rùn)滑膜、裝飾膜以及各種特殊需要的功能膜等在促進(jìn)電子電路小型化、功能高度集成化方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。application71薄膜技術(shù)：1.薄膜材料與制備技術(shù)2.薄膜沉積過程監(jiān)測(cè)控制技術(shù)3.薄膜檢測(cè)技術(shù)與薄膜應(yīng)用技術(shù)

薄膜產(chǎn)業(yè)→→門類齊全。薄膜技術(shù)：728.1物理氣相沉積（PVD）

物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，簡(jiǎn)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)。包括:真空蒸發(fā)鍍膜濺射鍍膜離子鍍膜物理氣相沉積8.1物理氣相沉積（PVD）真空蒸發(fā)鍍膜濺射鍍膜離子鍍膜物73PVD設(shè)備

PVD設(shè)備74與其他鍍膜或表面處理方法相比，物理氣相沉積具有以下特點(diǎn)：（1）鍍層材料廣泛，可鍍各種金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物等化合物鍍層，也能鍍制金屬、化合物的多層或復(fù)合層；與其他鍍膜或表面處理方法相比，物理氣相沉積75（2）鍍層附著力強(qiáng)；工藝溫度低，工件一般無受熱變形或材料變質(zhì)等問題，如用離子鍍得到TiN等硬質(zhì)鍍層，其工件溫度可保持在550℃以下，這比化學(xué)氣相沉積法制備同樣的鍍層所需的1000℃要低得多；鍍層純度高、組織致密；工藝過程主要由電參數(shù)控制，易于控制、調(diào)節(jié)；對(duì)環(huán)境無污染。雖然存在設(shè)備較復(fù)雜、一次投資較大等缺陷，但由于以上特點(diǎn)，物理氣相沉積技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。（2）鍍層附著力強(qiáng)；工藝溫度低，工件一般無受熱768.1.1物理氣相沉積的基本過程（1）氣相物質(zhì)的產(chǎn)生一類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；另一類是用具有一定能量的離子轟擊靶材（鍍料），從靶材上擊出鍍料原子，稱為濺射鍍膜。（2）氣相物質(zhì)的輸送氣相物質(zhì)的輸送要求在真空中進(jìn)行，這主要是為了避免氣體碰撞妨礙氣相鍍料到達(dá)基片。8.1.1物理氣相沉積的基本過程77（3）氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)在基片上沉積是一個(gè)凝聚過程。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。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，稱為反應(yīng)鍍。在鍍料原子凝聚成膜的過程中，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)稱為離子鍍。（3）氣相物質(zhì)的沉積78蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本鍍膜技術(shù)。以此為基礎(chǔ)，又衍生出反應(yīng)鍍和離子鍍。其中反應(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；而離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列為另一類鍍膜技術(shù)。蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本鍍膜技術(shù)。798.1.2蒸發(fā)鍍膜

蒸發(fā)鍍是PVD方法中最早用于工業(yè)生產(chǎn)的一種，該方法工藝成熟，設(shè)備較完善，低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)效果高，可用于制備介質(zhì)膜、電阻、電容等，也可以在塑料薄膜和紙張上連續(xù)蒸鍍鋁膜。定義：在真空條件下，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為蒸發(fā)鍍膜，簡(jiǎn)稱蒸鍍。8.1.2蒸發(fā)鍍膜80一、蒸發(fā)原理

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蒸發(fā)鍍膜（簡(jiǎn)稱蒸鍍）。蒸發(fā)鍍膜過程是由鍍材物質(zhì)蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和蒸發(fā)材料粒子在基板表面沉積三個(gè)過程組成。

一、蒸發(fā)原理81物理氣相沉積-8-1解析課件82蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離子鍍膜相比有如下優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、工藝容易掌握、可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，鍍膜的形成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，多數(shù)物質(zhì)均可采用真空蒸發(fā)鍍膜；但鍍層與基片的結(jié)合力差，高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的鍍膜很難制作，如鉑、鋁等金屬，蒸發(fā)物質(zhì)所用坩堝材料也會(huì)蒸發(fā)，混入鍍膜之中成為雜質(zhì)。蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離83二、蒸發(fā)方法蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱為蒸發(fā)源，也稱加熱器。蒸鍍方法主要有下列幾種：1.電阻加熱法：讓大電流通過蒸發(fā)源，加熱待鍍材料，使其蒸發(fā)的簡(jiǎn)單易行的方法。二、蒸發(fā)方法84對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點(diǎn)，低蒸氣壓，在蒸發(fā)溫度下不會(huì)與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等性質(zhì)。常用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬材料。按照蒸發(fā)材料的不同，可制成絲狀、帶狀和板狀等。

對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：85電阻加熱蒸發(fā)源

電阻加熱蒸發(fā)源86二、蒸發(fā)方法2.電子束加熱：即用高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。由于是直接在蒸發(fā)物質(zhì)中加熱，避免了蒸發(fā)物質(zhì)與容器的反應(yīng)和蒸發(fā)源材料的蒸發(fā)，故可制備高純度的膜層。一般用于電子原件和半導(dǎo)體用的鋁和鋁合金，此外，用電子束加熱也可以使高熔點(diǎn)金屬（如W，Mo，Ta等）熔化、蒸發(fā)。二、蒸發(fā)方法873.高頻感應(yīng)加熱：在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍的材料置于坩鍋中，通過高頻交流電使材料感應(yīng)加熱而蒸發(fā)。此法主要用于鋁的大量蒸發(fā)，得到的膜層純凈而且不受帶電粒子的損害。

3.高頻感應(yīng)加熱：在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍88高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源

高頻感應(yīng)加熱898.1.3濺射鍍膜

在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在工件表面沉積的過程。8.1.3濺射鍍膜90在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射。用離子束轟擊靶而發(fā)生的濺射，則稱為離子束濺射。在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。91

一、濺射鍍膜方法（1）直流二極濺射二極濺射是最早采用的一種濺射方法。以鍍膜材料為陰極，而被鍍膜材料為陽極。陰極上接1～3kV的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。工作時(shí)先抽真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。

一、濺射鍍膜方法92

一、濺射鍍膜方法（1）直流二極濺射接通電源，陰極靶上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陰極電位降作用下，加速轟擊陰極靶、使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。

一、濺射鍍膜方法93物理氣相沉積-8-1解析課件94這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。缺點(diǎn)有：因工作壓力較高,膜層有沾污；沉積速率低，不能鍍10μm以上的膜厚；由于大量二次電子直接轟擊基片使基片溫升過高。這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。95（2）三極濺射三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極—熱陰極，發(fā)射熱電子，熱電子在電場(chǎng)吸引下穿過靶與基極間的等離子體區(qū)，使熱電子強(qiáng)化放電，它既能使使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方便。這樣，濺射速率提高，由于沉積真空度提高，鍍層質(zhì)量得到改善。物理氣相沉積-8-1解析課件96

一、濺射鍍膜方法（3）磁控濺射磁控濺射是70年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術(shù)。其特點(diǎn)是在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在電磁場(chǎng)作用下，被壓縮在近靶面作回旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了到達(dá)陽極的路程，大大提高了與氣體原子的碰撞概率，因而提高濺射率。

一、濺射鍍膜方法97物理氣相沉積-8-1解析課件98物理氣相沉積-8-1解析課件99

一、濺射鍍膜方法（3）磁控濺射磁控濺射目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。這是由于磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。具有沉積速率、基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小等優(yōu)點(diǎn)。1974年Chapin發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動(dòng)作用。

一、濺射鍍膜方法100一、濺射鍍膜方法（4）反應(yīng)濺射在陰極濺射中，真空槽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。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體（如O2，N2等），因而能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。一、濺射鍍膜方法101一、濺射鍍膜方法（6）反應(yīng)濺射其實(shí)際裝置，除為了混合氣體需設(shè)置兩個(gè)氣體引入口以及將基片加熱到500℃以外，與兩極濺射和射頻濺射無多大差別。濺射是物理氣相沉積技術(shù)中最容易控制合金成分的方法。一、濺射鍍膜方法102二、濺射鍍膜的特點(diǎn)與真空蒸鍍法相比，有如下特點(diǎn)：①結(jié)合力高；②容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；③可以在較大面積上得到均一的薄膜；④容易控制膜的組成；⑤可以長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；⑥有良好的再現(xiàn)性；⑦幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。

二、濺射鍍膜的特點(diǎn)103三、濺射的用途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。前者包括耐摩、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、光等功能薄膜材料等。三、濺射的用途104采用Cr，Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,CH4等氣氛中進(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Cr的顯微硬度為425～840HV，CrN為1000～350OHV，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆、速率慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。采用Cr，Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,105用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、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、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高3～10倍。TiN，TiC，Al2O3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，可作基體材料保護(hù)膜。用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、模具等表面，摩擦1068.1.4離子鍍膜

一、離子鍍的原理離子鍍是在真空條件下，借助于一種惰性氣體的輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后對(duì)帶負(fù)電荷的基體轟擊的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基體上。

離子鍍的技術(shù)基礎(chǔ)是真空蒸鍍，其過程包括鍍膜材料的受熱，蒸發(fā)，離子化和電場(chǎng)加速沉積的過程。物理氣相沉積-8-1解析課件107二、離子鍍的特點(diǎn)（1）離子鍍可在較低溫度下進(jìn)行?；瘜W(xué)氣相沉積一般均需在900℃以上進(jìn)行，所以處理后要考慮晶粒細(xì)化和變形問題，而離子鍍可在900℃下進(jìn)行，可作為成品件的最終處理工序。（2）膜層的附著力強(qiáng)。如在不銹鋼上鍍制20～50μｍ厚的銀膜，可達(dá)到300N/mm2粘附強(qiáng)度。二、離子鍍的特點(diǎn)108二、離子鍍的特點(diǎn)主要原因：離子轟擊時(shí)基片產(chǎn)生濺射，使表面雜質(zhì)層清除、吸附層解吸，使基片表面清潔，提高了膜層附著力；濺射使膜離子向基片注入和擴(kuò)散，膜晶格中結(jié)合不牢的原子將被再濺射，只有結(jié)合牢固的粒子留成膜；二、離子鍍的特點(diǎn)109轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)蒸鍍表面產(chǎn)生了自動(dòng)加熱效應(yīng)，提高表層組織的結(jié)晶性能，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)，而離子轟擊產(chǎn)生的晶體缺陷與自加熱效應(yīng)的共同作用，增強(qiáng)了擴(kuò)散作用；飛散在空間的基片原子有一部分再返回基片表面與蒸發(fā)材料原子混合和離子注入基片表面，促進(jìn)了混合界面層的形成。轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)蒸鍍表面產(chǎn)生110（3）繞鍍能力強(qiáng)。首先，蒸發(fā)物質(zhì)由于在等離子區(qū)被電離為正離子，這些正離子隨電場(chǎng)的電力線運(yùn)動(dòng)而終止在帶負(fù)電的基片的所有表面，因而在基片的正面、反面甚至基片的內(nèi)孔、凹槽、狹縫等都能沉積上薄膜。其次是由于氣體的散射效應(yīng)，特別是在工件壓強(qiáng)較高時(shí)，沉積材料的蒸氣離子和蒸氣分子在它到達(dá)基片的路徑上將與殘余氣體發(fā)生多次碰撞，使沉積材料散射到基片周圍，因而基片所有表面均能被鍍覆。（3）繞鍍能力強(qiáng)。首先，蒸發(fā)物質(zhì)由于在等離子111（4）沉積速度快，鍍層質(zhì)量好。離子鍍獲得的膜層，組織致密，氣孔、氣泡少。而且鍍前對(duì)工件清洗，處理較簡(jiǎn)單，成膜速度快，可達(dá)

1～50μm/min，而濺射只有0.01～1μm/min。離子鍍可鍍制厚達(dá)30μm的膜層，是制備厚膜的重要手段。（4）沉積速度快，鍍層質(zhì)量好。離子鍍獲得的膜層，組織致密，氣112（5）工件材料和鍍膜材料選擇性廣。工件材料除金屬以外，陶瓷、玻璃、塑料均可以，鍍膜材料可以是金屬和合金，也可以是碳化物、氧化物和玻璃等，并可進(jìn)行多元素多層鍍覆。

（5）工件材料和鍍膜材料選擇性廣。工件材料除金113三、離子鍍的類型離子鍍?cè)O(shè)備要在真空、氣體放電的條件下完成鍍膜和離子轟擊過程。因此，離子鍍?cè)O(shè)備要由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。

三、離子鍍的類型114

1．空心陰極離子鍍（HCD）1972年Moley和Smith最先把空心熱陰極放電技術(shù)用于薄膜沉積。1973年日本真空株式會(huì)社也開始這方面的研究。當(dāng)時(shí)的目的之一是利用真空的辦法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水溶液電鍍鉻，以解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。1．空心陰極離子鍍（HCD）115HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體?？招你g管作為陰極，氬氣通過鉭管流入真空室，輔助陽極距陰極較近，二者作為引燃弧光放電的兩極。陽極是鍍料?；」夥烹姇r(shí)，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時(shí)基片加上負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引氬離子向基片轟擊，實(shí)現(xiàn)離子鍍。HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體。空116物理氣相沉積-8-1解析課件117