气相沉积技术课件.ppt

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1、第三讲表面涂层技术（气相沉积技术）邢亚哲博士/副教授长安大学材料表面强化研究所主要内容物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）第一节物理气相沉积PVD基本过程PVD的特点应用：制备集成电路、光学器件、太阳能利用、磁光存储元件、敏感元件等。在高真空条件下（10-4～10-6Torr，1.33x10-2～1.33x10-4Pa），将欲蒸镀的材料加热蒸发，当蒸汽碰撞到低温的基体表面时，将以固态沉积涂层。1)原理基体预热：提高结合性蒸镀材料：称为蒸发源高温蒸发低温沉积蒸发金属的基本方法：电阻加热，电

2、子束加热，高频感应加热，激光加热（非导电材料）真空蒸镀技术（VaporDeposition）真空的单位：压力单位，常用单位有：帕斯卡（Pa）1Pa＝1N/m2。托（Torr）：＝mmHg。1at（大气压）＝760Torr＝0.098MPa0.1MPa真空：保证蒸发原子或分子具有一定的平均自由行程，碰撞到基体时仍具有较高的能量。1)原理（续）常温下，平均自由行程()：当压力p＝1.3x10-4Pa，＝50mT：1000～2000oC动能：0.1～0.3eV速度量级：103m/s2)成膜机理膜的

3、形成过程3)蒸发速度4)蒸发源为获得均匀沉积层，要求蒸汽在基体表面分布均匀。蒸发源由载体与蒸发材料构成，载体为高熔点金属（如W、Mo、Ta），或非金属（如碳、氧化铝），蒸发材料载于载体上。蒸发源模型：接受面：圆柱面线发射源内球面点发射源平面面发射源基体置位对沉积速度的影响影响因素：(1)距离(2)角度－有效接受沉积原子的相对数量。与1/cos成比例。点蒸发源沉积涂层厚度分布示意图（基体位置固定）问题厚度分布不均匀；解决的方法：在球面上均布基体；沉积过程中，基体旋转，改变相对位置4）蒸发方式（1

4、）电阻加热蒸发电阻加热蒸发载体示意图电阻加热蒸发源应用：Au、Ag、Cu、Al、氧化锡等低熔点金属或化合物的蒸发。具体方法：加热钨灯丝，高温下热发射电子，在高压电场的作用下加速获得能量，电子束流经磁场偏转，射向蒸发物质，快速加热致蒸发。（2）电子束加热蒸发特点：加热速度快，实现高熔点金属的无选择蒸发，容易实现合金成分的控制，涂层成分均匀。（3）激光蒸发（4）高频感应加热蒸发基体蒸发材料激光束聚焦镜真空蒸镀层特点：在低温（室温）下可以制备涂层，涂层与基体的结合以物理吸附为主，相对较弱，为保证结合：保

5、证基体清洁，对基体预热（300～400oC）。特点：可高速蒸发非导电材料，获得均匀涂层。特点：利用感应线圈施加交变电流，实现非接触式加热蒸发。当蒸镀材料用绝缘陶瓷坩埚装载时，可以获得较纯净的蒸镀层。大多数化合物在热蒸发时：全部或部分分解，简单的方法难以制备出由化合物镀料制出的符合化学计量比的镀层。（5）反应蒸镀制备化合物的有效方法：反应蒸镀在受热蒸发产生的金属气氛中加入反应性气体，与金属原子在基体表面化合反应生成化合物镀层的方法。活性反应蒸镀反应蒸镀制备化合物薄膜的条件5）真空蒸镀工艺基体与镀层结

6、合以物理吸附为主、较弱。提高结合的基本途径：(1)预处理充分，保证基体表面清洁；(2)工件预热至300～400oC；(3)在工作层与基体之间蒸镀结合良好的过渡结合层。6）真空蒸镀应用1）溅射现象溅射镀膜（Spattering）溅射引起的其它相关现象2）溅射速率（产额）离子种类与能量对Ni靶溅射产额的影响(1)随离子质量的增加，产额增加；(2)随离子质量的增加，获得最高产额的入射离子能量增加离子入射角度与靶材种类对相对溅射产额的影响溅射沉积相对速度的余弦分布3）溅射镀膜原理（直流溅射镀膜工作原理）

7、二级溅射镀膜原理示意图靶材为阴极，工件固定在基体作阳极（壳体，接地）辉光等离子气氛压力对溅射产额与相对沉积速率的影响优化气氛压力！4）直流溅射（二极）镀膜的特点主要溅射方法（1）三极溅射正交电磁场中的电子运动状态（2）磁控溅射（3）射镀膜工艺特点原理N2分压对反应溅射制备TaN薄膜产物的影响Ta2N：发热体薄膜；电阻薄膜、电极引线TaN：表面保护－耐磨与防腐5）溅射镀膜的应用（1）5）溅射镀膜的应用（2）5）溅射镀膜的应用（3）5）溅射镀膜的应用（4）1）离子镀原理离子镀膜（IonPlating）

8、2）离子镀基本过程3）反应离子镀（TiN）等离子镀金4）离子镀的特点5）离子镀的应用1）离子束辅助镀膜方法PVD复合技术与超硬涂层制备2）超硬材料与涂层的制备提高材料表面性能，提高零部件寿命提高切削刀具的切削速度，提高生产率切削速度随硬质材料的开发与年代的变化金刚石,立方BN陶瓷金属陶瓷WC-Co硬质合金高速钢碳钢钴铬钨硬质合金IBAD制备c-BN实验装置示意图材料体积模量与离子度和键长之间的关系溅射制备超硬膜－CN膜实验装置PVD沉积涂层特点比较第二节化学气相沉积CVD原理CVD