在EBPVD中采用双源蒸发工艺制备厚度均匀的合金薄板的可行性.docx

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1、在EBPVD中采用双源蒸发工艺制备厚度均匀的合金薄板的可行性摘要：物理气相沉积（PVD）技术由于其独特的优点，已开始逐步取代传统的镀膜工艺。电子束物理气相沉积（EBPVD）技术是PVD技术中的一种，由于其特性而常被用于制备大尺寸高温合金薄板。蒸发源的位置不同将会对薄膜厚度的均匀性以及蒸发效率产生严重的影响。靶基距与有效蒸发效率成反比关系，而坩埚位置不同，薄膜厚度分布也不同。为了获得厚度均匀性较好的薄膜且得到一个较高的蒸发效率，本文探讨了双源蒸发技术的可行性。双源蒸发是利用两个坩埚控制不同蒸发速率以进行同时

2、蒸发。最后所得实验结果与理论值符合较好，证明了双源蒸发切实可行。关键词：电子束物理气相沉积双源蒸发合金薄板蒸发效率厚度均匀性1引言物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，PVD），指在真空条件下，采用物理方法，将材料源从——固体或液体表面气化成气体原子、分子或部分电离成离子，并通过抵押气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有特殊功能薄膜的技术。其过程主要可分为3个步骤，首先是从原材料发射粒子，这一步骤主要包含真发、升华、溅射和分解等过程。其次是粒子在真空中运输到基片的过程，这一过程

3、中粒子会碰撞，产生诸如离化、复合、反应等一系列的相互作用，从而导致能量的交换和运动方向的变化。最后则是粒子在基片上凝结、成核、长大以及最终成膜。多年以来，PVD技术被认为是替代传统镀膜工艺的最具有潜力的技术之一，尤其是电镀及其他液相沉积技术。这一技术具有着多方面的优点。首先PVD技术是一种干燥且清洁的涂层技术，不会带来严重的环境问题。同时这一技术能够控制薄膜的化学成分和产品的特性。它能够使得产品具有高耐磨性，高生物相容性和高光泽等特点[1-5]。然而，这一技术的潜力目前仍然受制于经济和技术原因而导致其没有

4、被充分认识到。经济限制主要是指真空设备的高成本以及由于泵运作、加热冷却循环和慢沉积速率所带来的高运营耗费。这些原因使得PVD技术与传统低耗镀膜工艺的竞争无法在经济方面取得优势。而技术方面的缺陷则是因为，由于薄膜是被直接蒸镀淀积上去，厚度极薄而没有任何光滑平坦化的处理，而且缺少防腐蚀保护。目前主流的PVD技术主要分为3类:真空蒸镀、溅射镀膜以及离子镀。真空蒸镀是指将锭料在真空中加热、蒸发，使蒸发的原子核原子团在温度较低的基板上凝结，形成薄膜。高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为源材料的气相原子和分

5、子在真空中的输运必须直线运动，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。残余气体中的氧和水气，也会使金属和衬底氧化。同时，残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底。蒸发速率直接关系到薄膜的淀积速率，是真空热蒸发工艺上的一个重要参数。蒸发速率与很多因素有关，如温度、蒸发面积、表面清洁程度、加热方式等[6]。由于物质的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因此对物质蒸发速率影响最大的因素是蒸发源的温度。不同元素的平衡蒸汽压与温度的函数关系如下

6、图1所示，根据理论研究，为了得到合适的淀积速率，样品的蒸汽压至少要达到10mTorr。因此例如Ta,W,Mo和Pt这些难熔金属，由于他们具有很高的熔化温度，如果为了达到10mTorr的蒸汽压，就需要达到超高的系统温度。另外，系统的真空度会直接影响到分子的平均自由程，真空度越高则分子平均自由程越大，即蒸发效率也就越高。图1.不同元素的平衡蒸汽压与温度关系图对于多组分薄膜的蒸发，主要有3种方法：单源蒸发法、多源同时蒸发法以及多源顺序蒸发法。单源蒸发法是指先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，对合金靶进行蒸发，凝结

7、成固态薄膜的方法。多源同时蒸发则是用多个坩埚，每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。还有一种多源顺序蒸发法则是把薄膜所需材料放在不同坩埚中按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制层厚，之后高温退火形成所需的多组分薄膜。根据加热的原理，真空热蒸发也可分为电阻加热蒸发和电子束蒸发（EBPVD）等。电阻加热蒸发是将高熔点金属制成的加热丝通上电，利用欧姆热来加热材料。电阻加热蒸发具有结构简单、成本低廉、操作方便；支撑坩埚及材料会与蒸发物反应；蒸发率低；加热导致合金或化合物分解；可制备单质、氧化物、介电和半

8、导体化合物薄膜等特点。电子束蒸发则是用高能聚焦的电子束熔解并蒸发，材料蒸气以原子或原子团形式凝结到目标基体上形成薄膜。电子束蒸发所采用的原理是基于电子在电场和磁场作用下，受洛伦兹力控制发生偏转，获得动能后准确地轰击处于阳极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化[7-10]。电子束蒸发具有能量密度高；被蒸发材料可置于水冷坩埚中避免容器材料蒸发或反应；热效率高、热传导和热辐射损失小等特点，被广泛应用于薄膜与涂层的制备。采用该方法制备的陶瓷