现代表面工程技术-气相沉积技术

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1、2021/7/251第9章气相沉积技术2021/7/252气相沉积技术是近40年来迅速发展的一门新技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。2021/7/253概述气相沉积硬质镀层TiN已被广泛用于提高耐磨工模具的寿命；但是，目前沉积理论落后于沉积技术的现象已在很大程度上影响了此项技术的进一步发展，例如镀层质量的测试及评定方法；膜基体系和膜基间的相互关系的研究；这些研究将为新材料新工艺转化为生产力提供有效的基本数据，为进一步发展新材料奠定理论基础。2021/7/254气相沉积发展史气相沉积硬质镀层的出现

2、在19世纪末，德国的Erlwein等利用化学气相沉积（简称CVD），在氢气的参与下，利用挥发性的金属化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯丝上形成TiC。后来Arkel和Moers等又分别报道了在灯丝上用CVD制取高熔点碳化物工艺试验的研究结果。直到1945年，CVD制备TiC的研究仍局限于实验室。2021/7/2551952年联邦德国金属公司的冶金实验室在1000℃下，在铸铁表面得到粘结很好的TiC镀层。从1954年起，他们又在工模具表面也得到了致密、光滑、粘结力良好的TiC镀层；1966年联邦德国的克鲁伯公司获得镀层硬质合金的专利。从1968～1969年，联邦德国和瑞典的

3、TiC镀层刀片已先后投放世界市场。到1970年，美国、日本、英国等硬质合金制造商也相继开始了镀层刀片的研究与生产，目前，在发达国家刀片的70％-80％是带镀层使用的。2021/7/256CVD的主要缺点是沉积温度高（900～1200℃），超过了许多工模具的常规热处理温度，因此镀覆之后还需进行二次热处理，引起基材的变形开裂并使镀层性能下降。大多数精密刀具都是高速钢制造的，这些刀具制造复杂，价格昂贵，迫切需要延长使用寿命，从而推动了物理气相沉积（PVD）技术的诞生与发展。2021/7/257物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）气相沉积基本过程包括三个走骤：即提供气

4、相镀料；镀料向所镀制的工件（或基片）输送；镀料沉积在基片上构成膜层。沉积过程中若沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，则称为化学气相沉积（CVD）；否则称为物理气相沉积（PVD）。2021/7/258气相沉积的基本过程（1）气相物质的产生一类方法是使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜；另一类是用具有一定能量的离子轰击靶材（镀料），从靶材上击出镀料原子，称为溅射镀膜。2021/7/259（2）气相物质的输送气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍气相镀料到达基片：在高真空度的情况下（真空度为10-2Pa），镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀料源直线前进

5、到达基片；在低真空度时（如真空度为10Pa），则镀料原子会与残余气体分子发生碰撞而绕射，但只要不过于降低镀膜速率，还是允许的。如真空度过低，镀料原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，则镀膜过程无法进行。2021/7/2510（3）气相物质的沉积气相物质在基片上沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。镀料原子在沉积时，可与其它活性气体分子发生化学反应而形成化合物膜，称为反应镀。在镀料原子凝聚成膜的过程中，还可以同时用具有一定能量的离子轰击膜层，目的是改变膜层的结构和性能，这种镀膜技术称为离子镀。2021/7/2511蒸镀和溅射是物理气相沉积的两类

6、基本镀膜技术。以此为基础，又衍生出反应镀和离子镀。其中反应镀在工艺和设备上变化不大，可以认为是蒸镀和溅射的一种应用；而离子镀在技术上变化较大，所以通常将其与蒸镀和溅射并列为另一类镀膜技术。2021/7/2512一、蒸发镀膜在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称为蒸发镀膜（简称蒸镀）。1．蒸镀原理和液体一样，固体在任何温度下也或多或少地气化（升华），形成该物质的蒸气。在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发，蒸发原子在各个方向的通量并不相等。基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在其上形成凝固膜。2021/7/25132．

7、蒸镀方法(1)电阻加热蒸镀加热器材料常使用钨、钼、钽等高熔点金属，按照蒸发材料的不同，可制成丝状、带状和板状。(2)电子束加热蒸镀利用电子束加热可以使钨（熔点3380℃）、钼（熔点2610℃）和钽（熔点3100℃）等高熔点金属熔化。2021/7/2514（3）合金膜的镀制如果要沉积合金，则在整个基片表面和膜层厚度范围内都必须得到均匀的组分。有两种基本方式：单电子束蒸发源沉积和多电子束蒸发源沉积2021/7/2515多电子束蒸发源是由隔开的几个坩埚组成，坩埚数量按合金元素的多少来确定，蒸发后几种组元同时凝聚成膜。单电子束蒸发源沉积合金时会遇