第七章-气相沉积技术

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1、第七章气相沉积技术物理1气相沉积技术是近30年来迅速发展的表面技术，它利用气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多层薄膜，使材料或制品获得所需的各种优异性能。这项技术早期也被称为“干镀”，主要分PVD和CVD：物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition）化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition）2负偏压靶基片plasma物理气相沉积反应性气体基片CH4化学气相沉积3气相沉积基体过程包括三个步骤：（1）提供气相镀料；蒸发镀膜:使镀料加热蒸发；溅射镀膜:用具有一定能量的离子轰击，从靶材上击出镀料原子。（2）镀料向所镀

2、制的工件（或基片）输送（在真空中进行，这主要是为了避免过多气体碰撞）高真空度时（真空度为10-2Pa）：镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀源直线前进至基片；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。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。7.1气相沉积的过程4（3）镀料沉积在基片上构成膜层。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。其中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（C

3、VD），否则称为物理气相沉积（PVD）。5反应镀镀料原子在沉积时，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。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；离子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。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。67.2物理气相沉积在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法称为物理气相沉积（PVD）。物理气相沉积法主要包括真空蒸镀、

4、溅射镀膜、离子镀膜等。7物理气相沉积（PVD）技术经历了由最初的真空蒸镀到1963年离子镀技术的开发和应用。20世纪70年代末磁控溅射技术有了新的突破。近年来，各种复合技术，如离子注入与各种PVD方法的复合，已经在新材料涂层、功能涂层、超硬涂层的开发制备中成为必不可少的工艺方法。PVD法已广泛用于机械、航空、电子、轻工和光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、装饰、润滑、压电和超导等各种镀层。随着物理气相沉积设备的不断完善、大型化和连续化，它的应用范围和可镀工件尺寸不断扩大，已成为国内外近20年来争相发展和采用的先进技术之一。81.蒸发镀膜在

5、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蒸发镀膜（简称蒸镀）。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。为了弥补凝固的蒸气，蒸发源要以一定的比例供给蒸气。蒸发粒子具有的动能是0.1-1.0eV，膜对基体的结合力较弱，一般要对基板进行加热。9真空容器(提供蒸发所需的真空环境)。蒸发源(为蒸镀材料的蒸发提供热量)。基片(即被镀工件，在它上面形成蒸发料沉

6、积层)，基片架(安装夹持基片)。加热器。蒸发镀膜系统10蒸发成膜过程是由蒸发、蒸发材料粒子的迁移和沉积三个过程所组成。被镀材料蒸发过程蒸发材料粒子迁移过程蒸发材料粒子沉积过程蒸发材料蒸发材料粒子基片(工件)11在真空容器中将蒸镀材料(金属或非金属)加热，当达到适当温度后，便有大量的原子和分子离开蒸镀材料的表面进入气相。因为容器内气压足够低，这些原子或分子几乎不经碰撞地在空间内飞散，当到达表面温度相对低的被镀工件表面时，便凝结而形成薄膜。12根据蒸发镀的原理可知，通过采用单金属镀膜材料或合金镀膜材料就可在基体上得到单金属膜层或得到合金膜层。但由于在同一温度下，

7、不同的金属具有不同的饱和蒸气压，其蒸发速度也不一样，蒸发速度快的金属将比蒸发速度慢的金属先蒸发完，这样所得的膜层成分就会与合金镀料的成分有明显的不同。所以，通过蒸发镀获得合金镀膜比获得单金属镀膜困难。13真空蒸镀时，蒸发粒子动能为0.1～1.0eV,膜对基体的附着力较弱，为了改进结合力，一般采用:在基板背面设置一个加热器，加热基极，使基板保持适当的温度，这既净化了基板，又使膜和基体之间形成一薄的扩散层,增大了附着力。对于蒸镀像Au这样附着力弱的金属，可以先蒸镀像Cr，Al等结合力高的薄膜作底层。14蒸发镀用途蒸镀只适用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例

8、如用作电极的导电膜，光学透镜的反射膜及装饰用的金膜、