氣相沉積技術(shù)分析

氣相沉積技術(shù)分析一、薄膜的定義和基本性質(zhì)

1．薄膜的定義薄膜可以定義為：按照一定的需要，利用特殊的制備技術(shù)，在基體表面形成厚度為亞微米至微米級(jí)的膜層。從原子尺度來(lái)看，薄膜的表面呈不連續(xù)性，高低不平，薄膜內(nèi)部有空位、位錯(cuò)等缺陷，并且有雜質(zhì)的混入。用各種工藝方法，控制一定的工藝參數(shù)，可以得到不同結(jié)構(gòu)的薄膜，如單晶薄膜、多晶薄膜、非晶態(tài)薄膜、亞微米級(jí)的超薄膜以及晶體取向外延薄膜等。2．薄膜的基本性質(zhì)(1)力學(xué)性質(zhì)。其彈性模量接近體材料，但抗拉強(qiáng)度明顯地高于體材料，有的高達(dá)200倍左右。這與薄膜內(nèi)部高密度缺陷有關(guān)。(2)導(dǎo)電性。其與電子平均自由程λf和膜厚t有關(guān)。在t<λf時(shí)：如果薄膜為島狀結(jié)構(gòu)，則電阻率極大；t增大到數(shù)十納米后，電阻率急劇下降；·多晶薄膜因晶界的接觸電阻大而使其電阻比單晶薄膜大。在t》λf時(shí)，薄膜的電阻率與體材料接近，但比體材料大。2．薄膜的基本性質(zhì)(3)電阻溫度系數(shù)。一般金屬薄膜的電阻溫度系數(shù)也與膜厚t有關(guān)，t小于數(shù)十納米時(shí)為負(fù)值，而大于數(shù)十納米時(shí)為正值。(4)密度。一般來(lái)說(shuō)，薄膜的密度比體材料低。(5)時(shí)效變化。薄膜制成后，它的部分性質(zhì)會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸變化；在一定時(shí)間或在高溫放置一定時(shí)間后，這種變化趨于平緩。二、薄膜的形成過(guò)程及生長(zhǎng)模式

薄膜的形成過(guò)程氣相生長(zhǎng)薄膜的過(guò)程大致上可分為形核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段?；妆砻嫖酵鈦?lái)原子后，鄰近原子的距離減小，它們?cè)诨妆砻孢M(jìn)行擴(kuò)散，并且相互作用，使吸附原子有序化，形成亞穩(wěn)的臨界核，然后長(zhǎng)大成島和迷津結(jié)構(gòu)。島的擴(kuò)展接合形成連續(xù)膜，在島的接合過(guò)程中將發(fā)生島的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整島之間的結(jié)晶方向。臨界核的大小，即所含原子的數(shù)目，決定于原子間，原子與基底間的鍵能，并受薄膜制備方法的影響，一般只含2-3個(gè)原子。臨界核是二維還是三維，對(duì)薄膜的生長(zhǎng)模式有決定作用。薄膜一般有以下三種生長(zhǎng)模式：

(1)島狀生長(zhǎng)。一般的物理氣相沉積都是這種生長(zhǎng)模式。首先在基底上形成臨界核，當(dāng)原子不斷地沉積時(shí)，核以三維方向長(zhǎng)大，不僅增高而且擴(kuò)大，形成島狀，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)新的核繼續(xù)長(zhǎng)大成島。當(dāng)島在基底上不斷擴(kuò)大時(shí)，島會(huì)相互聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成島的通道。當(dāng)原子繼續(xù)沉積，通道的橫向也會(huì)連接起來(lái)，形成連續(xù)的薄膜。這種薄膜表面起伏較大，表面粗糙。薄膜一般有以下三種生長(zhǎng)模式：

(2)層狀生長(zhǎng)。當(dāng)覆蓋度日小于1時(shí)，在基底上生成一些分立的單分子層組成的臨界核，繼續(xù)沉積時(shí)就會(huì)形成一連續(xù)的單分子層，然后在第一層上再生長(zhǎng)單分子層的粒子。當(dāng)覆，蓋度日大于2時(shí)，形成兩個(gè)分子層，并在連續(xù)層上再出現(xiàn)分立的單分子層的粒子。繼續(xù)沉積，將一層一層地生長(zhǎng)下去，形成一定厚度的連續(xù)膜。(3)層狀加島狀生長(zhǎng)。隨原子沉積量的增加，即有單分子形成，在連續(xù)層上又有島的生長(zhǎng)。薄膜的分析技術(shù)由于表面分析技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在可用多種方法來(lái)觀(guān)察薄膜的形成過(guò)程，如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、場(chǎng)離子顯微鏡(FIM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等。其中最方便的是原子力顯微鏡，因?yàn)楸∧ぴ诓煌A段沉積后，樣品可不作任何處理便可直接觀(guān)察。雖然原子力顯微鏡的分辨率相當(dāng)高，但仍然不能看到臨界核，所看到的是臨界核長(zhǎng)大后的粒子或島，然后島長(zhǎng)大、接合，出現(xiàn)迷津結(jié)構(gòu)。隨著原子沉積增加，使通道加寬，空洞減少，最后形成連續(xù)的薄膜。常用的氣相沉積技術(shù)PVDCVD物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)PVD法），是利用熱蒸發(fā)、輝光放電或弧光放電等物理過(guò)程，在基材表面沉積所需涂層的技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過(guò)程?；瘜W(xué)氣相沉積的過(guò)程可以在常壓下進(jìn)行，也可以在低壓下進(jìn)行。CVD技術(shù)是當(dāng)前獲得固態(tài)薄膜的方法之一。PVD/CVD比較PVD/CVD比較PVD/CVD比較工業(yè)實(shí)例：

氣相沉積技術(shù)在模具中的應(yīng)用提高模具的精度、壽命、硬度和耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫性能通常包括三個(gè)方面：①正確選擇模具材料；②對(duì)模具基體的熱處理；③對(duì)模具表面的改性處理。模具表面改性處理的方法很多，有鍍硬鉻、合金的電鍍法，有氮化、碳化及氧化等化學(xué)處理方法，有化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理真空鍍(PVD)法等鍍膜的方法.PVD法與CVD法的比較

金屬表面的處理方法中，CVD法應(yīng)用較早，我國(guó)從70年代開(kāi)始，主要用于超硬涂層。但耐沖擊性能較差，特別是在間斷切削時(shí)，很容易發(fā)生脆裂。PVD法可以克服這個(gè)缺點(diǎn)，它可以在工具鋼的退火溫度以下形成涂層。兩者比較見(jiàn)表1。在模具的處理中，CVD法有些方面適用，尤其是用于凸模類(lèi)的冷鍛。然而，由于CVD是在工具鋼的變態(tài)點(diǎn)以上的高溫處進(jìn)行處理，所以就必須有真空淬火和回火的后續(xù)處理，因此會(huì)發(fā)生變形，難于滿(mǎn)足高精度的要求。相比之下，用PVD法就完全不發(fā)生變形。PVD法是能夠在工具鋼(高速鋼、模具鋼)的回火溫度下，在金屬表面上沉積一層硬質(zhì)膜的方法。由于此法比較簡(jiǎn)單，均可在真空槽內(nèi)進(jìn)行，因此被廣泛用于表面硬化技術(shù)中。沖壓是大批量零件成型生產(chǎn)實(shí)用工藝之一。在沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，模具出現(xiàn)的問(wèn)題最多，它是整個(gè)沖壓生產(chǎn)要素中最重要的因素。直接影響到生產(chǎn)效率和成本。影響到產(chǎn)品的交貨周期。模具問(wèn)題主要集中在模具損壞、產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和模具的刃磨等，它們長(zhǎng)期困擾著行業(yè)生產(chǎn)。模具損壞是指模具開(kāi)裂、折斷、漲開(kāi)等，見(jiàn)圖2所示。

PVD涂層技術(shù)針對(duì)沖壓／成型模具的解決方案

在模具的使用過(guò)程中，早期失效經(jīng)常出現(xiàn)。失效的因數(shù)通常是磨損、腐蝕、融合、粘著等。而PVD涂層技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)磨損、咬合、腐蝕、粘著、融合等引起失效的工具、模具、機(jī)械零件、醫(yī)療器械等。其中，因磨損