氣相沉積技術(shù)課件

1、氣相沉積技術(shù)課件氣相沉積技術(shù)課件2 到1970年，美國、日本、英國等硬質(zhì)合金制造商也相繼開始了鍍層刀片的研究與生產(chǎn)，美國TFS公司與聯(lián)邦德國研制的TiN鍍層刀片也相繼問世。到60年代末，CVD沉積TiC及Ti硬膜技術(shù)已逐漸走向成熟，大規(guī)模用于鍍層硬質(zhì)合金刀片以及Cr12系列模具鋼。目前在發(fā)達(dá)國家中，刀片的70%80%是帶鍍層使用的。第七章 氣相沉積技術(shù) 4 到1970年，美國、日本、英國等硬質(zhì)合第七章 氣3 CVD的主要缺點(diǎn)是沉積溫度高（9001200），超過了許多工模具的常規(guī)熱處理溫度，因此鍍覆之后還需進(jìn)行二次熱處理，不僅會(huì)引起基材的變形與開裂，而且也使鍍層的性能下降。為了克服這些缺點(diǎn)，研究

2、工作者又開發(fā)出了物理氣相沉積（PVD）硬膜技術(shù)。第七章 氣相沉積技術(shù) 5 CVD的主要缺點(diǎn)是沉積溫度高（900第七章 氣相4 上世紀(jì)70年代是PVD技術(shù)與CVD技術(shù)全面發(fā)展的階段。1972年美國加州大學(xué)Bunshan發(fā)明了活性反應(yīng)蒸鍍技術(shù)；1973年前蘇聯(lián)又推出了多弧離子鍍；與此同時(shí)，日本的村山洋一和小宮澤治分別發(fā)明了射頻離子鍍和空心陰極離子鍍。在這之后，又推出了磁控濺射離子鍍、集團(tuán)束離子鍍等。第七章 氣相沉積技術(shù) 6 上世紀(jì)70年代是PVD技術(shù)與CVD技術(shù)全第七章 57.1 物理氣相沉積（PVD） 物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD法），是利用熱蒸發(fā)

3、、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)。它包括真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍膜。 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；第七章 氣相沉積技術(shù)77.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)67.1 物理氣相沉積（PVD）（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

4、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。第七章 氣相沉積技術(shù)87.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)77.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.1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。第七章 氣相沉積技術(shù)97.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)87.1 物理氣相沉

5、積（PVD）7.1.1氣相沉積的基本過程（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。第七章 氣相沉積技術(shù)107.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)97.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.1氣相沉積的基本過程 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，

6、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)。 第七章 氣相沉積技術(shù)117.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)107.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 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，簡稱蒸鍍。 第七章 氣相沉積技術(shù)127.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)117.1 物理氣相

7、沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜一、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。 第七章 氣相沉積技術(shù)137.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)127.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜第七章 氣相沉積技術(shù)147.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)137.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜 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)備簡單可靠、工藝容易掌握、可進(jìn)行大規(guī)模生

8、產(chǎn)，鍍膜的形成機(jī)理比較簡單，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)。 第七章 氣相沉積技術(shù)157.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)147.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜二、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)的簡單易行的方法。 第七章 氣相沉積技術(shù)167.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)157.1 物理氣相沉積（

9、PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜二、蒸發(fā)方法1.電阻加熱法： 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。 第七章 氣相沉積技術(shù)177.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)167.1 物理氣相沉積7.1.2 蒸發(fā)鍍膜電阻加熱蒸發(fā)源 第七章 氣相沉積技術(shù)187.1 物理氣相沉積電阻加熱蒸發(fā)源 第七章 氣相沉積技177.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜二、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

10、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)。 第七章 氣相沉積技術(shù)197.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)187.1 物理氣相沉積7.1.2 蒸發(fā)鍍膜電子束加熱蒸發(fā)源 第七章 氣相沉積技術(shù)207.1 物理氣相沉積電子束加熱第七章 氣相沉積技術(shù)197.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜二、蒸發(fā)方法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，蒸鍍的材料置于坩鍋中，通過高頻交流電使材料感

11、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。 第七章 氣相沉積技術(shù)217.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)207.1 物理氣相沉積7.1.2 蒸發(fā)鍍膜高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源 第七章 氣相沉積技術(shù)227.1 物理氣相沉積高頻感應(yīng)加熱第七章 氣相沉積技術(shù)217.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜二、蒸發(fā)方法4.激光蒸鍍法：采用激光照射在膜料表面，使其加熱蒸發(fā)。 由于不同材料吸收激光的波段范圍不同，因而需要選用相應(yīng)的激光器。例如用二氧化碳連續(xù)激光加熱SiO2、ZnS、MgF2、TiO2、Al2O3、Si3N4等膜料；用紅寶石脈沖激光加熱Ge、

12、GaAs等膜料。 第七章 氣相沉積技術(shù)237.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)227.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜二、蒸發(fā)方法4.激光蒸鍍法： 由于激光功率很高，所以可蒸發(fā)任何能吸收激光光能的高熔點(diǎn)材料，蒸發(fā)速率極高，制得的膜成分幾乎與料成分一樣。 第七章 氣相沉積技術(shù)247.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)237.1 物理氣相沉積7.1.2 蒸發(fā)鍍膜激光陶瓷蒸鍍 第七章 氣相沉積技術(shù)257.1 物理氣相沉積激光陶瓷蒸鍍 第七章 氣相沉積技術(shù)247.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制(1) 合金膜的鍍制 如果要沉積合金，則在

13、整個(gè)基片表面和膜層厚度范圍內(nèi)都必須得到均勻的組分。 有兩種基本方式：閃蒸蒸鍍法和多蒸發(fā)源蒸鍍法。 閃蒸蒸鍍法就是把合金做成粉末或者細(xì)的顆粒，放入能保持高溫的加熱器和坩堝之類的蒸發(fā)源中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒在一瞬間完全蒸發(fā)。第七章 氣相沉積技術(shù)267.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)257.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制(1) 合金膜的鍍制 多蒸發(fā)源蒸鍍法是在制作由多種元素組成的合金鍍膜時(shí)，把這些元素分別裝入隔開的幾個(gè)坩堝中，坩堝數(shù)量按合金元素的多少來確定。然后獨(dú)立地控制各坩堝所在蒸發(fā)源的蒸發(fā)，設(shè)法使到達(dá)基片上的各種原子與所需鍍膜組成相對(duì)應(yīng)。第七章 氣相沉積

14、技術(shù)277.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)267.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（2）化合物的鍍制 大多數(shù)的化合物在熱蒸發(fā)時(shí)會(huì)全部或部分分解。所以用簡單的蒸鍍技術(shù)無法由化合物鍍料鍍制出組成符合化學(xué)比的膜層。但有一些化合物，如氯化物、硫化物和硒化物，甚至少數(shù)氧化物如B2O3，SnO可以采用蒸鍍。因?yàn)樗鼈兒苌俜纸饣蛘弋?dāng)其凝聚時(shí)各種組元又重新化合。第七章 氣相沉積技術(shù)287.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)277.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（3）高熔點(diǎn)化合物的鍍制 氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔點(diǎn)一般很高，而

15、且制取這類化合物的也很昂貴，因此常采用 “反應(yīng)蒸鍍法”鍍制這類化合物薄膜。如Al2o3、Cr2O3、SiO2、Ta2O7、AlN、ZrN、TiN、TiC等。第七章 氣相沉積技術(shù)297.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)287.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（3）高熔點(diǎn)化合物的鍍制 反應(yīng)蒸鍍法就是在充滿活性氣體的氣氛中蒸發(fā)固體材料，使兩者在基片上進(jìn)行反應(yīng)而形成化合物鍍膜。例如鍍制TiC是在蒸鍍Ti的同時(shí)，向真空室通入乙炔氣，于是在基片上Ti與乙炔發(fā)生反應(yīng)而得到TiC膜層。第七章 氣相沉積技術(shù)307.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)297.1

16、物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（3）高熔點(diǎn)化合物的鍍制 如果在蒸發(fā)源和基板之間形成等離子體，則可提高反應(yīng)氣體的能量、離化率和相互間的化學(xué)反應(yīng)程度，這稱為“活性反應(yīng)蒸鍍”。第七章 氣相沉積技術(shù)317.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)307.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（4）離子束輔助蒸鍍法 蒸發(fā)原子或分子到達(dá)基材表面時(shí)能量很低，加上已沉積粒子對(duì)后來飛達(dá)的粒子造成陰影效果，使膜層呈含有較多孔隙的柱狀顆粒狀聚集體結(jié)構(gòu)，結(jié)合力差，又易吸潮和吸附其他氣體分子而造成性質(zhì)不穩(wěn)定。為改善這種狀況，可用離子源進(jìn)行轟擊，鍍膜前先用數(shù)百電子伏的離子

17、束對(duì)基材轟擊清洗和增強(qiáng)表面活性，然后蒸鍍中用低能離子束轟擊。第七章 氣相沉積技術(shù)327.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)317.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（5）非晶蒸鍍法 采用快速蒸鍍，有利于非晶薄膜的形成。Si、Ge等共價(jià)鍵元素和某些氧化物、碳化物、鈦酸鹽、鉛酸鹽、錫酸鹽等在室溫或其以上溫度下可得到非晶薄膜，而純金屬等需在液氦溫度附近的基板上才能形成非晶薄膜。采用金屬或非金屬元素或兩種在高濃度下互不相溶的金屬元素共同蒸鍍，比純金屬容易形成非晶薄膜。第七章 氣相沉積技術(shù)337.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)327.1 物理氣相沉積（

18、PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜三、膜層鍍制（5）非晶蒸鍍法 另外也可通過加入降低表面遷移率的某些氣體或離子來獲得非晶薄膜。非晶薄膜往往有一些獨(dú)特的性能和功能，具有重要用途。第七章 氣相沉積技術(shù)347.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)337.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜四、蒸鍍用途 蒸鍍只用于鍍制對(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)鏡頭用的增透膜等。 蒸鍍用于鍍制合金膜時(shí)，在保證合金成分這點(diǎn)上，要比濺射困難得多，但在鍍制純金屬時(shí)，蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍膜速率快的優(yōu)勢(shì)。第七章 氣相沉積技術(shù)357.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)347.1

19、 物理氣相沉積（PVD）7.1.2 蒸發(fā)鍍膜四、蒸鍍用途 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：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；經(jīng)陽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。 第七章 氣相沉積技術(shù)367.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)357.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 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

20、面沉積的過程。第七章 氣相沉積技術(shù)377.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)367.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 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。第七章 氣相沉積技術(shù)387.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)377.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 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13kV的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。工作時(shí)先抽

21、真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。第七章 氣相沉積技術(shù)397.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)387.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 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。第七章 氣相沉積技術(shù)407.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)39第七章 氣相沉積技術(shù)41第七章 氣相沉積技術(shù)40離子束沉積第七章 氣相沉積技術(shù)42離子束沉積第七章 氣相沉積技術(shù)

22、417.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法 （1）直流二極濺射 這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，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10m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。第七章 氣相沉積技術(shù)437.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)427.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（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

23、射速率提高，由于沉積真空度提高，鍍層質(zhì)量得到改善。第七章 氣相沉積技術(shù)447.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)437.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（3）四極濺射 在三極濺射的基礎(chǔ)上在鍍膜室外附加一個(gè)聚束線圈，也稱為輔助陽極或穩(wěn)定電極。聚束線圈的作用是將電子匯聚在靶陰極和基片陽極之間，其間形成低電壓、大電流的等離子體弧柱，大量電子碰撞氣體電離，產(chǎn)生大量離子。電子做螺旋運(yùn)動(dòng)，增加電子到達(dá)電子收集極的路程。第七章 氣相沉積技術(shù)457.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)447.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法

24、（3）四極濺射 這種濺射方法還是不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基片的轟擊，還存在因燈絲具有不純物而使膜層沾污等問題。（4）射頻濺射 60年代利用射頻輝光放電，可以制取從導(dǎo)體到絕緣體的任意材料的薄膜，是一種應(yīng)用很廣的濺射方法。第七章 氣相沉積技術(shù)467.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)457.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（4）射頻濺射 射頻-無線電波發(fā)射范圍的頻率。射頻濺射是在靶陰極上接上高頻電源，為了避免干擾電臺(tái)工作，濺射專用頻率規(guī)定為13.56MHz。在高頻脈沖作用下，使電子做更長距離的運(yùn)動(dòng)，與氣體原子形成更多次數(shù)的碰撞。這樣，可使氣體得到更充

25、分的電離，從而提高濺射效果。第七章 氣相沉積技術(shù)477.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)46第七章 氣相沉積技術(shù)48第七章 氣相沉積技術(shù)477.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（4）射頻濺射 射頻濺射的缺點(diǎn)是大功率的射頻電源不僅價(jià)高，對(duì)于人身防護(hù)也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。第七章 氣相沉積技術(shù)497.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)487.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（5）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)

26、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。第七章 氣相沉積技術(shù)507.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)497.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 第七章 氣相沉積技術(shù)517.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)50第七章 氣相沉積技術(shù)52第七章 氣相沉積技術(shù)517.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（5）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

27、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。第七章 氣相沉積技術(shù)537.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)527.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 一、濺射鍍膜方法（6）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）。第七章 氣相沉積技術(shù)547.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)537.1 物理氣相沉積（P

28、VD）7.1.3 濺射鍍膜 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。第七章 氣相沉積技術(shù)557.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)547.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 二、濺射鍍膜的特點(diǎn)與真空蒸鍍法相比,有如下特點(diǎn)：結(jié)合力高；容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；可以在較大面積上得到均一的薄膜；容易控制膜的組成；可以長時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；有良好的再現(xiàn)性；幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。 第七章 氣相沉積技術(shù)567.1 物理氣相沉積（PVD）

29、第七章 氣相沉積技術(shù)557.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 三、膜層鍍制（1）合金膜的鍍制 在物理氣相沉積的各類技術(shù)中，濺射是最容易控制合金成分的方法。鍍制合金膜可以采用多靶共濺射方式，只要控制各個(gè)磁控靶的濺射參數(shù)，就能得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶進(jìn)行濺射，則不必采用任何控制措施，就可以得到與靶材成分完全一致的合金膜。第七章 氣相沉積技術(shù)577.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)567.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 三、膜層鍍制（1）合金膜的鍍制 雖然合金的各種成分具有顯著不同的濺射系數(shù)，但在濺射過程中，經(jīng)過一段時(shí)間濺射速率最高的成分優(yōu)

30、先濺射后，靶材表面將富于其他成分，直到達(dá)到穩(wěn)定的表面成分為止。最后得到的薄膜成分將與靶材相同。第七章 氣相沉積技術(shù)587.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)577.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 三、膜層鍍制（2）化合物膜的鍍制 化合物膜是指金屬元素與氧、氮、硅、碳、硼、硫等非金屬的化合物所構(gòu)成的膜層。鍍制化合物膜有化合物靶濺射和反應(yīng)濺射兩種方法。 如果化合物是導(dǎo)電材料，就可采用化合物靶進(jìn)行直接濺射。第七章 氣相沉積技術(shù)597.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)587.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 三、膜層鍍制（2）化合物膜的鍍制 大規(guī)

31、模鍍制化合物膜最宜采用反應(yīng)濺射。例如鍍TiN時(shí)，靶材為金屬鈦，濺射氣體為ArN2的混合氣體。鍍氧化物時(shí)用O2，碳化物用C2H2（乙炔），硅化物用SiH4（硅烷），硫化物用H2S。第七章 氣相沉積技術(shù)607.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)597.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四、濺射的用途 濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為饑械功能膜相物理功能膜兩大類。前者包括耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等表面強(qiáng)化薄膜材料、固體潤滑薄膜材料；后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。 第七章 氣相沉積技術(shù)617.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)607.1 物理氣相沉積

32、（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四、濺射的用途 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425840HV，CrN為1000350OHV，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。 第七章 氣相沉積技術(shù)627.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)617.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四、濺射的用途 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

33、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310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。第七章 氣相沉積技術(shù)637.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)627.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四、濺射的用途 濺射鍍膜法和液體急冷法都能制取非晶態(tài)合金，其成分幾乎相同，腐蝕特性和電化學(xué)特性也沒有什么差別，只是濺射法得到的非晶態(tài)膜陽極電流和氧化速率略大。 在高溫、低溫、超高真空、射線輻照等特殊條件下工作的機(jī)械部件不能用潤滑油，只有用軟金屬或?qū)訝钗镔|(zhì)等固體潤滑劑。第七章 氣相沉積

34、技術(shù)647.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)637.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四、濺射的用途 常用的固體潤滑劑有軟金屬(Au,Ag,Pb,Sn等)，層狀物質(zhì)(MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等)，高分子材料(尼龍、聚四氟乙烯等)等。其中濺射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。雖然MoS2膜可用化學(xué)反應(yīng)鍍膜法制作，但是濺射鍍膜法得到的MoS2膜致密性好，附著性優(yōu)良。MoS2濺射膜的摩擦系數(shù)很低，在0.020.05范圍內(nèi)。第七章 氣相沉積技術(shù)657.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)647.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四

35、、濺射的用途 MoS2在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有兩個(gè)問題:一是對(duì)有些基體材料如Ag,Cu,Be等目前還不能涂覆；二是隨濕度增加，MoS2膜的附著性變差。在大氣中使用要添加Sb2O3等防氧化劑，以便在MoS2表面形成一種保護(hù)膜。 第七章 氣相沉積技術(shù)667.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)657.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.3 濺射鍍膜 四、濺射的用途 濺射法可以制取聚四氟乙烯膜。試驗(yàn)表明，這種高分子材料薄膜的潤滑特性不受環(huán)境濕度的影響，可長期在大氣環(huán)境中使用，是一種很有發(fā)展前途的固體潤滑劑。其使用溫度上限為5OC，低于-260C時(shí)才失去潤滑性。 第七章 氣相沉積技術(shù)677.1 物理氣相

36、沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)667.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 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。第七章 氣相沉積技術(shù)687.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)67離子鍍第七章 氣相沉積技術(shù)69離子鍍第七章 氣相沉積技術(shù)687.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 二、離子鍍的特點(diǎn)（1）離子鍍可在較低溫度下進(jìn)

37、行。化學(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2050厚的銀膜，可達(dá)到300N/mm2粘附強(qiáng)度。第七章 氣相沉積技術(shù)707.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)697.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 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，提高了膜層的附著力； 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)合牢固的粒子保留成膜；第七章 氣相沉積技術(shù)717.1 物理氣

38、相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)707.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 二、離子鍍的特點(diǎn) 轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?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。第七章 氣相沉積技術(shù)727.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)717.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 二、離子鍍的特點(diǎn)（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)

39、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。第七章 氣相沉積技術(shù)737.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)727.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 二、離子鍍的特點(diǎn)（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)工件清洗處理較簡單，成膜速度快，可達(dá)150m/min，而濺射只有0.011m /mi

40、n。離子鍍可鍍制厚達(dá) 30m的膜層，是制備厚膜的重要手段。第七章 氣相沉積技術(shù)747.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)737.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 二、離子鍍的特點(diǎn)（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。 第七章 氣相沉積技術(shù)757.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)747.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 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

41、、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。 第七章 氣相沉積技術(shù)767.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)757.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 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。第七章 氣相沉積技術(shù)777.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)767.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 1空心陰極離子鍍（

42、HCD） HCD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。弧光放電時(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。第七章 氣相沉積技術(shù)787.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)77第七章 氣相沉積技術(shù)79第七章 氣相沉積技術(shù)787.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 1空心陰極離子鍍（HCD） 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T

43、iN超硬膜。第七章 氣相沉積技術(shù)807.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)797.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 2活性反應(yīng)離子鍍 在離子鍍的過程中，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。第七章 氣相沉積技術(shù)817.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)80第七章 氣相沉積技術(shù)82第七章 氣相沉積技術(shù)817.1 物理氣相沉積（PVD）7

44、.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 2活性反應(yīng)離子鍍 ARE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。第七章 氣相沉積技術(shù)837.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)827.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 2活性反應(yīng)離子鍍 CVD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。第七章 氣相沉積技術(shù)847.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)837

45、.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 2活性反應(yīng)離子鍍（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。第七章 氣相沉積技術(shù)857.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)847.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 （4）鍍層生長速度快 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。第七章 氣相沉積技術(shù)867.1 物理氣相沉積（PVD）第七章 氣相沉積技術(shù)857.1 物理氣相沉積（PVD）7.1.4 離子鍍膜 三、離子鍍的類型 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