PVD涂层原理及工艺2013.ppt

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1、提纲真空基础知识PVD涂层概述PVD涂层设备及工艺介绍PVD涂层在切削刀具中的应用真空基础知识PVD(物理气相沉积)的概念：PVD（PhysicalVaporDeposition）工艺是一种原子沉积工艺，其是在真空或低压（等离子）条件下，涂层物质从液相或固相的材料源逸出并气化，以原子或分子的形态传输并沉积在基体表面的一种涂层工艺。为加强PVD涂层基本理论的需要了解(a)涂层与衬底的界面形态与结合机理,(b)真空和低压气体环境(c)低压等离子工艺环境等相关内容。1.1涂层与衬底的界面形态与结合机理涂层与衬底的界面

2、可能有不同的化学键合、元素的相互扩散、涂层的内应力、界面杂质、和界面缺陷等具体情况，因而实际涂层附着力的规律极为复杂。它不仅取决于涂层与衬底之间的界面能量，还取决于具体的沉积方法和界面状态。涂层与衬底间的界面可以分为下面四种类型：（1）平界面；（2）形成化合物界面；（3）元素扩散界面；（4）机械啮合界面；根据界面形态，涂层与衬底的附着可能涉及下面三种机理：（1）机械结合--是机械啮和界面产生的附着的过程，涂层与衬底表面凹凸不平提高了相互接触的界面面积，并可促进界面两侧物质间形成微观尺度的相互交合。在纯机械结合的

3、情况下，涂层的附着力很低。（2）物理结合--不同物质分子或原子之间最普遍的相互作用就是范德华力，这种力随着界面两侧物质间距的增加而迅速降低。虽然引力的数值较小，每对分子或原子的作用能只有0.1eV量级，但它仍然会造成很强的涂层附着力。如果界面两侧的材料都是导体，且二者的费米能级不同，涂层的形成会发生一方到另一方的电荷转移，在界面附近出现双电子层，进而引发相互静电吸引作用，也对涂层与衬底间产生附着力。（3）化学键合--界面两侧原子间可能形成相互的化学键，包括金属键、离子键和共价键等。化学键的形成对于提高涂层附着力

4、具有重要的贡献。如果界面两侧原子形成化学键合，则涂层的附着能可能达到每对原子1-10eV能级。PVD涂层前通过喷砂（涂层前处理）和刻蚀（涂层工艺中的一个步骤）一方面对产品表面起到清洁作用，另一方面提高了工件表面的微观粗糙度，改善了界面结合状况，有利于提高界面结合。1.2真空和低压气体环境PVD涂层是一个真空、低气压过程系统中进行的工艺过程，体系中气体分子含量很低，气体分子碰撞的名义自由程很高，对体系中工艺气体总量及其他污染气体的控制要求比较严格。因此，真空泵系统，交换系统，进气系统及相关的管接设计要求就很高，另

5、外工装夹具及产品的表面状况和清洁程度对于涂层系统也十分重要。真空的划分真空度测量压力计类型适用范围（Torr）准确度电容膜片(CDG)大气压---10-6±0.02---0.2%导热（Piriani）大气压---10-4±5%热阴极电离（HCIG）（Penning）10-1---10-9±1%粘度（自璇转子）1---10-8±1-10%Baratron：电容膜片(CDG)TPR:导热（Piriani）IKR:热阴极电离(Penning)PKR:结合了Piriani和Penning两种原理气体压力的单位换算:1P

6、a=10-5bar=10-2mbar=9.8692×10-6atm=750.06×10-5Torr=7.5mTorr=1.4504×10-4psi分子运动分子速度－－与温度T密切相关。名义自由程－－与密度相关，即压力（温度相同条件下）碰撞几率――与以上两者都相关1.3低压等离子工艺环境等离子是含有足够离子和电子的一种气体环境，具有良好的导电性。一般来说PVD工艺过程的等离子环境，离化率并不是很高，还含有许多的中性气体。等离子的产生:由外加的电场能量来促使气体内的电子获得能量並加速撞击不带电中性粒子，由于不带电中

7、性粒子受加速电子的撞击后会产生离子与另一带能量的加速电子，这些被释放出的电子，在经由电场加速与其他中性粒子碰撞。如此反复不断，从而使气体产生击穿效应(gasbreakdown)，形成等离子状态。在持续的等离子体中，电子在电场中被加速。电子的产生可以来源于以下几个方面：（1）离子或电子轰击表面产生的二次电子（2）离子碰撞使得原子失去电子、（3）热电子发射源（热阴极）发出的电子溅射沉积:高电压，低电流阴极弧沉积：低电压，高电流辉光放电辉光放电过程中的电子碰撞：在电子能量低于ZeV时，电子与其他粒子的碰撞多为弹性碰撞

8、。但当电子能量较高时，则发生非弹性碰撞的几率迅速增加。在非弹性碰撞时可能发生许多不同的过程，其中比较有代表性的几种如下：（1）电离过程，如e－＋ArAr++2e－它导致电子数目增加，从而使得发电过程得以继续；（2）激发过程，如e－＋N22N*+e－其中*号表示相应的粒子处于能量较高的激发状态；（3）分解反应，如e－＋CH4C*+4H*+e－导致分子被分解成反应基团，其化学活性明显