氣相沉積技術(shù)

第七章氣相沉積技術(shù)物理1整理課件氣相沉積技術(shù)是近30年來(lái)迅速開(kāi)展的外表技術(shù)，它利用氣相在各種材料或制品的外表進(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。這項(xiàng)技術(shù)早期也被稱為“干鍍〞，主要分PVD和CVD：物理氣相沉積〔PhysicalVaporDeposition〕化學(xué)氣相沉積〔ChemicalVaporDeposition〕2整理課件負(fù)偏壓靶基片plasma物理氣相沉積

反響性氣體基片CH4

化學(xué)氣相沉積

3整理課件氣相沉積基體過(guò)程包括三個(gè)步驟：〔1〕提供氣相鍍料；蒸發(fā)鍍膜:使鍍料加熱蒸發(fā)；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?！?〕鍍料向所鍍制的工件〔或基片〕輸送〔在真空中進(jìn)行，這主要是為了防止過(guò)多氣體碰撞〕高真空度時(shí)〔真空度為10-2Pa〕：鍍料原子很少與剩余氣體分子碰撞，根本上是從鍍?cè)粗本€前進(jìn)至基片；低真空度時(shí)〔如真空度為10Pa〕：那么鍍料原子會(huì)與剩余氣體分子發(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。真空度過(guò)低，鍍料原子頻繁碰撞會(huì)相互凝聚為微粒，那么鍍膜過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。7.1氣相沉積的過(guò)程4整理課件〔3〕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)程中假設(shè)沉積粒子來(lái)源于化合物的氣相分解反響，那么稱為化學(xué)氣相沉積〔CVD〕，否那么稱為物理氣相沉積〔PVD〕。5整理課件反響鍍鍍料原子在沉積時(shí)，可與其它活性氣體分子發(fā)生化學(xué)反響而形成化合物膜，稱為反響鍍。反響鍍?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；離子鍍?cè)阱兞显幽鄢赡さ倪^(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)稱為離子鍍。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為另一類鍍膜技術(shù)。6整理課件7.2物理氣相沉積在真空條件下，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，直接沉積到基體外表上的方法稱為物理氣相沉積〔PVD〕。物理氣相沉積法主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜等。7整理課件物理氣相沉積〔PVD〕技術(shù)經(jīng)歷了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。20世紀(jì)70年代末磁控濺射技術(shù)有了新的突破。近年來(lái)，各種復(fù)合技術(shù)，如離子注入與各種PVD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)制備中成為必不可少的工藝方法。PVD法已廣泛用于機(jī)械、航空、電子、輕工和光學(xué)等工業(yè)部門中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、磁性、光學(xué)、裝飾、潤(rùn)滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層。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)外近20年來(lái)爭(zhēng)相開(kāi)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。8整理課件1.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，然后凝聚在基體外表的方法稱蒸發(fā)鍍膜〔簡(jiǎn)稱蒸鍍〕。原理：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。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?；O(shè)在蒸氣源的上方阻擋蒸氣流，蒸氣那么在其上形成凝固膜。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。蒸發(fā)粒子具有的動(dòng)能是0.1-1.0eV，膜對(duì)基體的結(jié)合力較弱，一般要對(duì)基板進(jìn)行加熱。9整理課件真空容器(提供蒸發(fā)所需的真空環(huán)境)。蒸發(fā)源(為蒸鍍材料的蒸發(fā)提供熱量)。基片(即被鍍工件，在它上面形成蒸發(fā)料沉積層)，基片架(安裝夾持基片)。加熱器。蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)10整理課件蒸發(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)過(guò)程所組成。被鍍材料蒸發(fā)過(guò)程蒸發(fā)材料粒子遷移過(guò)程蒸發(fā)材料粒子沉積過(guò)程蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料粒子基片(工件)11整理課件在真空容器中將蒸鍍材料(金屬或非金屬)加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)適當(dāng)溫度后，便有大量的原子和分子離開(kāi)蒸鍍材料的外表進(jìn)入氣相。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，當(dāng)?shù)竭_(dá)外表溫度相對(duì)低的被鍍工件外表時(shí)，便凝結(jié)而形成薄膜。12整理課件根據(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。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。13整理課件真空蒸鍍時(shí)，蒸發(fā)粒子動(dòng)能為0.1～1.0eV,膜對(duì)基體的附著力較弱，為了改進(jìn)結(jié)合力，一般采用:在基板反面設(shè)置一個(gè)加熱器，加熱基極，使基板保持適當(dāng)?shù)臏囟?，這既凈化了基板，又使膜和基體之間形成一薄的擴(kuò)散層,增大了附著力。對(duì)于蒸鍍像Au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。14整理課件蒸發(fā)鍍用途蒸鍍只適用于鍍制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功能膜，例如用作電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)透鏡的反射膜及裝飾用的金膜、銀膜。15整理課件

蒸鍍純金屬膜中90％是鋁膜，鋁膜有廣泛的用途。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。集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后再刻蝕出導(dǎo)線。在聚酯薄膜上鍍鋁具有多種用途，可制造小體積的電容器；制作防止紫外線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。雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。16整理課件2.濺射鍍膜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外表，這個(gè)現(xiàn)象叫做濺射。2．入射離子從固體材料外表彈了回來(lái)，或者穿出固體材料而去，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)，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。17整理課件在真空室內(nèi)用幾十電子伏持或更高動(dòng)能的荷能粒子(通常是Ar+)轟擊陰極(沉積材料做的靶)，將其原子濺射出，遷移到基片(工件)上沉積形成鍍層的過(guò)程稱為濺射鍍膜。在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。18整理課件二極濺射是最根本最簡(jiǎn)單的濺射裝置。在右圖的直流二極濺射裝置中，主要部件為靶(陰極)、工件(基片)和陽(yáng)極。19整理課件1〕根本原理其中靶是一平板，由欲沉積的材料組成，一般將它與電源的負(fù)極相連，故此法又常稱為陰極濺射鍍膜。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介，使輝光放電得以啟動(dòng)和維持，最常用的氣體是氬氣。工作時(shí)，真空室預(yù)抽到6.510-3Pa，通入Ar氣使壓強(qiáng)維持在1.3101.3Pa，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Ar+離子受電場(chǎng)加速轟擊陰極靶，濺射出靶物質(zhì)，濺射粒子以分子或原子狀態(tài)沉積于工件外表，形成鍍膜。20整理課件濺射鍍膜的根本過(guò)程靶面原子的濺射濺射原子向基片的遷移濺射原子在基片沉積靶基片濺射原子正離子21整理課件陰極濺射時(shí)濺射下來(lái)的材料原子具有10～35eV的動(dòng)能，比蒸鍍時(shí)原子動(dòng)能〔0.1～1.0eV〕大得多，因此濺射鍍膜的附著力也比蒸鍍膜大。22整理課件2〕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)：膜層與基體結(jié)合力高。容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜?？梢栽谳^大面積上得到均勻的薄膜。容易控制膜的組成，膜層致密，無(wú)氣孔。幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。23整理課件3〕濺射鍍膜工藝與應(yīng)用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。前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等外表強(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。24整理課件采用Cr、Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2、CH4等氣氛中進(jìn)行反響濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍Cr、CrC、CrN等鍍層。純鉻膜的顯微硬度為425～840HV，CrN膜為1000～350OHV，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。用TiN、TiC等超硬鍍層熔覆刀具、模具等外表，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、模具等的使用性能，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，可以作為基體材料保護(hù)膜。25整理課件太陽(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)，濺射選擇性吸收涂層，如鋁、純銅、不銹鋼或鋁氮鋁(AL-N-AL)等。如銅、不銹鋼、氮化鋁三靶干預(yù)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。26整理課件3.離子鍍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PVD技術(shù)。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)離子化，在帶負(fù)電荷的基體〔工件〕上形成鍍膜的技術(shù)稱為離子鍍。27整理課件鍍前將真空室抽空至6.510-3Pa以上真空，然后通入Ar作為工作氣體，使真空度保持在1.31.310-1Pa。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。由于工件接在放電的陰極，便有離子轟擊工件外表，對(duì)工件作濺射清洗。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)入放電形成的等離子區(qū)中，其中一局部被電離，在電場(chǎng)加速下轟擊工件外表并沉積成膜；一局部鍍料原子那么處于激發(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。28整理課件離子鍍膜的根本過(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、離子轟擊工件外表沉積成膜。離子加速氣體光輝放電29整理課件離子鍍膜的特點(diǎn)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2050m厚的銀膜，可以到達(dá)300MPa的粘附強(qiáng)度，鋼上鍍鎳，粘附強(qiáng)度也極好。繞射性好?；恼娣疵嫔踔羶?nèi)孔、凹槽、狹縫等，都能沉積上薄膜。沉積速率快，鍍層質(zhì)量好。離子鍍膜獲得的鍍層組織致密，針孔、氣泡少。而且鍍前對(duì)工件(基片)清洗處理較簡(jiǎn)單。成膜速度快，可達(dá)75m/min，可鍍制厚達(dá)30m的鍍層，是制備厚膜的重要手段。30整理課件可鍍材質(zhì)廣泛離子鍍膜可以在金屬外表或非金屬外表上鍍制金屬膜或非金屬膜，甚至可以鍍塑料、石英、陶瓷、橡膠。可以鍍單質(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。采用不同的鍍料，不同的放電氣體及不同的工藝參數(shù)，就能獲得與基體外表附著力強(qiáng)的耐磨鍍層，外表致密的耐蝕鍍層，潤(rùn)滑鍍層，各種顏色的裝飾鍍層以及電子學(xué)、光學(xué)、能源科學(xué)等所需的特殊功能鍍層。31整理課件離子鍍的應(yīng)用大多數(shù)精密刀具都是高速鋼制造的，這些刀具制造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，消耗貴金屬，迫切需要延長(zhǎng)使用壽命。涂層高速鋼刀具是離子鍍最成功的應(yīng)用之一，氮化鈦化合物膜具有很高的硬度，顏色金黃，廣泛用于高速鋼刀具和裝飾涂層，引起了一場(chǎng)刀具的“黃色革命〞。32整理課件離子鍍超硬涂層是在較低溫度下沉積的，一般不超過(guò)基體材料的回火溫度，同時(shí)離子鍍膜工藝不降低工件的外表光潔度。因此，離子鍍通常做為最后一道工序進(jìn)行。33整理課件離子鍍?cè)谌粘Ｉ钪械膽?yīng)用34整理課件離子鍍的手表35整理課件三種物理氣相沉積技術(shù)與電鍍的比較36整理課件7.3化學(xué)氣相沉積所謂化學(xué)氣相沉積〔CVD〕，就是利用化學(xué)反響的原理，從氣相物質(zhì)中析出固相物質(zhì)沉積于工件外表形成涂層或薄膜的新工藝。化學(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響。37整理課件產(chǎn)生揮發(fā)性運(yùn)載化合物把揮發(fā)性化合物運(yùn)到沉積區(qū)發(fā)生化學(xué)反響形成固態(tài)產(chǎn)物化學(xué)氣相沉積包括三個(gè)過(guò)程：一是將含有薄膜元素的反響物質(zhì)在較低溫度下氣化二是將反響氣體送入高溫的反響室三是氣體在基體外表產(chǎn)生化學(xué)反響，析出金屬或化合物沉積在工件外表形成涂層。1.CVD的一般原理38整理課件CVD反響必須滿足的三個(gè)揮發(fā)性條件：反響物必須具有足夠高的蒸氣壓，要保證能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕错懯?；除了涂層物質(zhì)之外的其它反響產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的；沉積物本身必須有足夠低的蒸氣壓，以使其在反響期間能保持在受熱基體上。39整理課件以沉積TiC涂層為例，可向850～1100℃的反響室中通入TiCl4、CH4、H2，其中H2氫氣作為載體氣和稀釋劑。經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反響，最終生成TiC沉積在工件外表。TiCl4＋CH4+H2→TiC＋4HCl+H2↑40整理課件

2.CVD的分類按沉積的壓力不同，化學(xué)氣相沉積分為常壓化學(xué)氣相沉積低壓化學(xué)氣相沉積兼有CVD和PVD兩者特點(diǎn)的等離子化學(xué)氣相沉積〔PCVD〕等。

41整理課件按沉積的溫度不同，化學(xué)氣相沉積分為低溫沉積〔500℃以下〕中溫沉積〔500～800℃〕高溫沉積〔900～1200℃〕42整理課件CVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：沉積層純度高，沉積層與基體的結(jié)合力強(qiáng)，可以沉積各種單晶、多晶或非晶態(tài)無(wú)機(jī)薄膜材料，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)和本錢低廉。

3.CVD的特點(diǎn)43整理課件CVD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，一般反響溫度多在1000C以上，因此限制了這一技術(shù)的應(yīng)用范圍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)，能夠到達(dá)的沉積工作溫度在逐漸升高，可沉積物質(zhì)的種類在不斷擴(kuò)大，沉積層性能的范圍也在逐漸擴(kuò)大。44整理課件

4.CVD裝置化學(xué)氣相沉積的典型裝置主要包括氣體的產(chǎn)生、凈化、混合及輸運(yùn)裝置、反響室、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)：氣體供給系統(tǒng)、反響室及排氣系統(tǒng)。45整理課件46整理課件

5.CVD技術(shù)的應(yīng)用

CVD法主要應(yīng)用于兩大方向：一是沉積涂層，二是制取新材料。目前已有數(shù)十種涂層材料，包括金屬、難熔材料的粉末和晶須以及金剛石、類金剛石薄膜材料。47整理課件CVD法制備金剛石、類金剛石薄膜材料制備難熔材料的粉未和晶須CVD沉積金屬CVD沉積各種功能涂層化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用48整理課件1〕CVD沉積金屬金屬有機(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。用這種方法沉積的金屬包括Cu、Pb、Fe、Co、Ni、Ru、In、Pt以及耐酸金屬W、Mo等。其它金屬大局部可以通過(guò)它們的鹵化物的分解或歧化反響來(lái)沉積，最普通的鹵化物就是氯化物。49整理課件2〕CVD沉積各種功能涂層CVD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，主要是在工件外表沉積超硬耐磨涂層或減摩涂層等。為進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，常在硬質(zhì)合金刀具外表用CVD法沉積TiN，TiC、α-Al2O3涂層及Ti〔C，N〕、TiC-Al2O3復(fù)合涂層，TiC涂層硬度為3000～3200HV，摩擦系數(shù)小，切削速度高，耐磨性好，壽命長(zhǎng)；TiN涂層硬度1800～2450HV，由于其涂層的特殊性質(zhì)，因而該涂層比TiC涂層刀具更耐磨?；瘜W(xué)氣相沉積還被用來(lái)在槍筒內(nèi)壁涂覆耐磨層。50整理課件3〕CVD制備難熔材料的粉未和晶須CVD越來(lái)越受到重視的一項(xiàng)應(yīng)用是制備難熔材料的粉末和晶須，因此，CV