第六章氣相沉積技術(shù)

1、2021-10-131第六章第六章 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)2021-10-1326.1 概述概述 目前，氣相沉積硬質(zhì)鍍層目前，氣相沉積硬質(zhì)鍍層TiNTiN已被廣泛用于提已被廣泛用于提高耐磨工模具的壽命，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和高耐磨工模具的壽命，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景。廣闊的發(fā)展前景。 然而，沉積理論落后于沉積技術(shù)的現(xiàn)象已在很然而，沉積理論落后于沉積技術(shù)的現(xiàn)象已在很大程度上影響了此項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，例如大程度上影響了此項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，例如鍍層質(zhì)量的測(cè)試及評(píng)定方法；開展新型的膜基鍍層質(zhì)量的測(cè)試及評(píng)定方法；開展新型的膜基體系和膜基間的相互關(guān)系的研究；開展復(fù)合鍍、體系和膜基間的相互關(guān)

2、系的研究；開展復(fù)合鍍、多層鍍的機(jī)理研究等。多層鍍的機(jī)理研究等。 這些研究將為新材料新工藝轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力提供這些研究將為新材料新工藝轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力提供有效的基本數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步發(fā)展新材料奠定理有效的基本數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步發(fā)展新材料奠定理論基礎(chǔ)。論基礎(chǔ)。2021-10-133氣相沉積發(fā)展史氣相沉積發(fā)展史 氣相沉積硬質(zhì)鍍層的發(fā)展可追溯到上個(gè)世氣相沉積硬質(zhì)鍍層的發(fā)展可追溯到上個(gè)世紀(jì)末，德國(guó)的紀(jì)末，德國(guó)的ErlweinErlwein等利用化學(xué)氣相沉積等利用化學(xué)氣相沉積（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱CVDCVD），在氫氣的參與下，用揮發(fā)性），在氫氣的參與下，用揮發(fā)性的金屬化合物與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)，在白熾的金屬化合物與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)，在

3、白熾燈絲上形成燈絲上形成TiCTiC。 后來(lái)后來(lái)ArkelArkel和和MoersMoers等又分別報(bào)道了在燈絲等又分別報(bào)道了在燈絲上用上用CVDCVD制取高熔點(diǎn)碳化物工藝試驗(yàn)的研究制取高熔點(diǎn)碳化物工藝試驗(yàn)的研究結(jié)果。直到結(jié)果。直到19451945年，年，CVDCVD制備制備TiCTiC的研究仍的研究仍局限于實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們認(rèn)為該工藝局限于實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們認(rèn)為該工藝反應(yīng)溫度高，鍍層脆性大，易于開裂。反應(yīng)溫度高，鍍層脆性大，易于開裂。 2021-10-134 1952年聯(lián)邦德國(guó)金屬公司的冶金實(shí)驗(yàn)室年聯(lián)邦德國(guó)金屬公司的冶金實(shí)驗(yàn)室驚奇地發(fā)現(xiàn)在驚奇地發(fā)現(xiàn)在1000下，在鑄鐵表面也下，在鑄鐵表面

4、也能得到粘結(jié)很好的能得到粘結(jié)很好的TiC鍍層。鍍層。 從從1954年起，他們又在工模具表面也得年起，他們又在工模具表面也得到了致密、光滑、粘結(jié)力良好的到了致密、光滑、粘結(jié)力良好的TiC鍍層，鍍層，井隨之取得了聯(lián)邦德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、井隨之取得了聯(lián)邦德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、瑞典及日本等國(guó)的專利。瑞典及日本等國(guó)的專利。2021-10-135 硬質(zhì)合金鍍層刀具是硬質(zhì)合金鍍層刀具是1968年才出現(xiàn)的。年才出現(xiàn)的。 1966年聯(lián)邦德國(guó)的克魯伯公司申請(qǐng)得到年聯(lián)邦德國(guó)的克魯伯公司申請(qǐng)得到鍍層硬質(zhì)合金的專利，鍍層硬質(zhì)合金的專利， 大約在同時(shí)期瑞典的山特維克公司也開大約在同時(shí)期瑞典的山特維克公司也開始了始了TiC鍍層硬

5、質(zhì)合金的研究，并于鍍層硬質(zhì)合金的研究，并于1967年獲得成功。年獲得成功。 2021-10-136 從從19681969年，聯(lián)邦德國(guó)和瑞典的年，聯(lián)邦德國(guó)和瑞典的TiC鍍層鍍層刀片已先后投放世界市場(chǎng)。刀片已先后投放世界市場(chǎng)。 到到1970年，美國(guó)、日本、英國(guó)等硬質(zhì)合金制造年，美國(guó)、日本、英國(guó)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(guó)商也相繼開始了鍍層刀片的研究與生產(chǎn)，美國(guó)TFS公司與聯(lián)邦德國(guó)研制的公司與聯(lián)邦德國(guó)研制的TiN鍍層刀片也相鍍層刀片也相繼問世。繼問世。 到到60年代末，年代末，CVD，TiC及及TiN硬膜技術(shù)已逐硬膜技術(shù)已逐漸走向成熟大規(guī)模用于鍍層硬質(zhì)合金刀片以及漸走向成熟

6、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(guó)家中，刀片的系列模具鋼。目前在發(fā)達(dá)國(guó)家中，刀片的70一一80是帶鍍層使用的。是帶鍍層使用的。2021-10-137 C V D 的 主 要 缺 點(diǎn) 是 沉 積 溫 度 高 （的 主 要 缺 點(diǎn) 是 沉 積 溫 度 高 （ 9 0 0 1200），超過了許多工模具的常規(guī)熱處理溫），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，不僅度，因此鍍覆之后還需進(jìn)行二次熱處理，不僅引起基材的變形與開裂，也使鍍層的性能下降。引起基材的變形與開裂，也使鍍層的性能下降。 大多數(shù)精密刀具都是高速鋼制造的，這些刀具大多數(shù)精密刀具都是高速

7、鋼制造的，這些刀具制造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，消耗貴金屬，迫切需要制造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，消耗貴金屬，迫切需要延長(zhǎng)使用壽命。因此推動(dòng)了物理氣相沉積延長(zhǎng)使用壽命。因此推動(dòng)了物理氣相沉積（PVD）硬膜技術(shù)的誕生與發(fā)展。）硬膜技術(shù)的誕生與發(fā)展。2021-10-138 在在1963年年DMMattox已提出了離子鍍已提出了離子鍍技術(shù)，并于技術(shù)，并于 1967年取得了美國(guó)專利。年取得了美國(guó)專利。 時(shí)隔兩年，美國(guó)的時(shí)隔兩年，美國(guó)的IBM公司研制出射頻公司研制出射頻濺射法。這兩種技術(shù)與蒸鍍構(gòu)成了濺射法。這兩種技術(shù)與蒸鍍構(gòu)成了PVD的三大系列。的三大系列。2021-10-139 進(jìn)人進(jìn)人70年代，年代，PVD技術(shù)的崛起與

8、技術(shù)的崛起與CVD技術(shù)的提技術(shù)的提高，使得表面鍍層技術(shù)進(jìn)人了全面的發(fā)展。高，使得表面鍍層技術(shù)進(jìn)人了全面的發(fā)展。 1972年美國(guó)加州大學(xué)年美國(guó)加州大學(xué)Bunshan發(fā)明了活性反應(yīng)發(fā)明了活性反應(yīng)蒸鍍技術(shù)，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)，年前蘇聯(lián)又推出了多弧離子鍍；與此同時(shí)， 日本的村山洋一發(fā)明了射頻離子鍍。一年之后。日本的村山洋一發(fā)明了射頻離子鍍。一年之后。日本的小宮澤治將空心陰極放電技術(shù)用于離子日本的小宮澤治將空心陰極放電技術(shù)用于離子鍍形成了目前廣泛應(yīng)用的空心陰極離子鍍。鍍形成了目前廣泛應(yīng)用的空心陰極離子鍍。 2021-10-1310 在這之后，又推出了磁控濺射離子鍍、

9、在這之后，又推出了磁控濺射離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍、集團(tuán)束離子鍍等?；钚苑磻?yīng)離子鍍、集團(tuán)束離子鍍等。 與此同時(shí)，濺射技術(shù)也得到了迅速的發(fā)與此同時(shí)，濺射技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，先后出現(xiàn)了二極、三極、磁控和射展，先后出現(xiàn)了二極、三極、磁控和射頻濺射等技術(shù)。頻濺射等技術(shù)。 在在PVD技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，中溫技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，中溫CVD、低、低溫溫CVD和低壓和低壓CVD也相繼問世，目的在也相繼問世，目的在于降低沉積溫度，減小界面脆性相，降于降低沉積溫度，減小界面脆性相，降低反應(yīng)氣體用量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高低反應(yīng)氣體用量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高鍍層質(zhì)量。鍍層質(zhì)量。 2021-10-1311 CVD還利用其易于調(diào)控

10、化學(xué)成分的特點(diǎn)在鍍層還利用其易于調(diào)控化學(xué)成分的特點(diǎn)在鍍層類型和結(jié)構(gòu)上也取得了新的發(fā)展。類型和結(jié)構(gòu)上也取得了新的發(fā)展。 1973年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了TiC TiCN TiN復(fù)合鍍層，復(fù)合鍍層，其性能較單一鍍層其性能較單一鍍層TiC或或 TIN有顯著的提高。有顯著的提高。 1978年又在上述鍍層的基礎(chǔ)上增加了化學(xué)穩(wěn)定年又在上述鍍層的基礎(chǔ)上增加了化學(xué)穩(wěn)定性更好的性更好的 Al2O3鍍層，厚度可達(dá)鍍層，厚度可達(dá)10mp，仍具，仍具有良好的結(jié)合力。有良好的結(jié)合力。 目前目前 CVD能夠制備的硬質(zhì)膜種類達(dá)幾十種，能夠制備的硬質(zhì)膜種類達(dá)幾十種，并能制備三層以上的多層膜和梯度膜。并能制備三層以上的多層膜和梯度膜。

11、2021-10-1312 80年代氣相沉積發(fā)展的主要特征是年代氣相沉積發(fā)展的主要特征是PVD沉沉積技術(shù)進(jìn)一步完善并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，積技術(shù)進(jìn)一步完善并擴(kuò)大應(yīng)用范圍， 等離子激活氣相化學(xué)沉積（等離子激活氣相化學(xué)沉積（PCVD）技術(shù)的）技術(shù)的產(chǎn)生，產(chǎn)生， 基礎(chǔ)研究開始起步并日益受到重視?；A(chǔ)研究開始起步并日益受到重視。 1978年，年，Hazle，Wood和和Iondnis首次報(bào)道首次報(bào)道了用了用PVCD沉積沉積TiC，發(fā)現(xiàn)沉積溫度可降至，發(fā)現(xiàn)沉積溫度可降至500；2021-10-1313 1980年年Archer利用利用PCVD技術(shù)的沉積出技術(shù)的沉積出TiC，TiN與與TiCN鍍層。鍍層。 1983

12、年我國(guó)的李世直采用直流與射頻年我國(guó)的李世直采用直流與射頻PCVD在高速鋼基體上沉積出在高速鋼基體上沉積出TiC，TiN與與TiCN鍍層。鍍層。 隨后日本的隨后日本的Kikuchi和美國(guó)的和美國(guó)的Hilton、聯(lián)、聯(lián)邦德國(guó)的邦德國(guó)的 Mayt、韓國(guó)的、韓國(guó)的Dong Hong Jang以及奧地利的以及奧地利的Laimer等都報(bào)道了等都報(bào)道了PCVD沉積沉積TiN的研究結(jié)果。的研究結(jié)果。2021-10-1314 PCVD的特點(diǎn)是將輝光放電的物理過程的特點(diǎn)是將輝光放電的物理過程和化學(xué)氣相沉積相結(jié)合，因而具有和化學(xué)氣相沉積相結(jié)合，因而具有PVD的低溫性和的低溫性和CVD的繞鍍性和易于調(diào)整化的繞鍍性和易

13、于調(diào)整化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的性能，它有可能取代適學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的性能，它有可能取代適合合PVD和和CVD工藝的某些鍍膜范圍。工藝的某些鍍膜范圍。 2021-10-1315 目前目前 PCVD沉積沉積 TiN存在的主要問題：是真空存在的主要問題：是真空度低，鍍層雜質(zhì)含量（度低，鍍層雜質(zhì)含量（Cl，O）較高，硬度低，）較高，硬度低，沉積速率過快，鍍層柱狀晶嚴(yán)重并存在空洞等沉積速率過快，鍍層柱狀晶嚴(yán)重并存在空洞等缺陷，化學(xué)反應(yīng)不完全使氯滯留在鍍層及界面缺陷，化學(xué)反應(yīng)不完全使氯滯留在鍍層及界面上降低結(jié)合力，上降低結(jié)合力，PCVD設(shè)備的腐蝕比較嚴(yán)重。設(shè)備的腐蝕比較嚴(yán)重。 總的說(shuō)來(lái)，總的說(shuō)來(lái)，PCVD仍處于發(fā)展階

14、段，隨著此項(xiàng)仍處于發(fā)展階段，隨著此項(xiàng)技術(shù)的成熟，必將在表面技術(shù)中發(fā)揮更大作用。技術(shù)的成熟，必將在表面技術(shù)中發(fā)揮更大作用。2021-10-1316 80年代后期發(fā)展的新趨勢(shì)是滲、鍍結(jié)合年代后期發(fā)展的新趨勢(shì)是滲、鍍結(jié)合的復(fù)合處理。的復(fù)合處理。 鍍層雖然硬，但由于基體軟，重載下易鍍層雖然硬，但由于基體軟，重載下易變形，使鍍層破碎。變形，使鍍層破碎。 復(fù)合處理則在基體中滲入碳、氮等可達(dá)復(fù)合處理則在基體中滲入碳、氮等可達(dá)數(shù)百微米厚，對(duì)表面薄膜（鍍層）有足數(shù)百微米厚，對(duì)表面薄膜（鍍層）有足夠的支持強(qiáng)度。夠的支持強(qiáng)度。2021-10-1317 滲入處理溫度較高，為降低溫度曾采用滲入處理溫度較高，為降低溫度曾

15、采用離子注入的方法。離子注入的方法。 注入可在注入可在100以下進(jìn)行，但缺點(diǎn)是層淺，以下進(jìn)行，但缺點(diǎn)是層淺，時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備價(jià)格高且為直線性，欲多時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備價(jià)格高且為直線性，欲多方位注入則生產(chǎn)率很低，因而離子注入方位注入則生產(chǎn)率很低，因而離子注入長(zhǎng)期未能得到生產(chǎn)應(yīng)用。長(zhǎng)期未能得到生產(chǎn)應(yīng)用。 2021-10-1318 80年代以來(lái)發(fā)展的離子束輔助鍍膜年代以來(lái)發(fā)展的離子束輔助鍍膜（IAC）或離子束輔助沉積（）或離子束輔助沉積（IBAD）就）就是在離子注入上發(fā)展起來(lái)的注鍍結(jié)合、是在離子注入上發(fā)展起來(lái)的注鍍結(jié)合、少注多鍍的工藝。少注多鍍的工藝。 注入層只有幾十到幾百納米厚，是為了注入層只有幾十到幾百納米

16、厚，是為了提高結(jié)合力，沉積時(shí)則可形成幾微米厚提高結(jié)合力，沉積時(shí)則可形成幾微米厚的膜層，但仍存在直線性和生產(chǎn)率低的的膜層，但仍存在直線性和生產(chǎn)率低的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)。2021-10-1319 在電源上以往分為射頻和直流兩種，射頻雖可在電源上以往分為射頻和直流兩種，射頻雖可用于非導(dǎo)體及導(dǎo)體薄膜，但實(shí)用中發(fā)現(xiàn)射頻對(duì)用于非導(dǎo)體及導(dǎo)體薄膜，但實(shí)用中發(fā)現(xiàn)射頻對(duì)周圍的電器設(shè)備有影響，也不易改變其參數(shù)。周圍的電器設(shè)備有影響，也不易改變其參數(shù)。 80年代后期逐漸推廣脈沖電源，有取代直流的年代后期逐漸推廣脈沖電源，有取代直流的趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)為可控制通斷時(shí)間來(lái)改變工藝條趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)為可控制通斷時(shí)間來(lái)改變工藝條件，并可在深孔

17、內(nèi)部獲得均勻的滲層和沉積層，件，并可在深孔內(nèi)部獲得均勻的滲層和沉積層，其典型用例為噴油嘴內(nèi)孔的改性處理。其典型用例為噴油嘴內(nèi)孔的改性處理。 提高頻率至微波范圍則是沉積金剛石膜的一種提高頻率至微波范圍則是沉積金剛石膜的一種方案。方案。2021-10-1320 薄膜（鍍層）材料方面，早期發(fā)展的材薄膜（鍍層）材料方面，早期發(fā)展的材料為料為TiC和和 TN類型，例如類型，例如 AlN，CrN等。等。 為提高硬度后來(lái)選擇的是立方氮化硼為提高硬度后來(lái)選擇的是立方氮化硼（CBN）和金剛石、類金剛石（）和金剛石、類金剛石（DLC）膜。膜。 CBN所用的原料硼烷有毒，因而研究更所用的原料硼烷有毒，因而研究更集中

18、于金剛石方面。集中于金剛石方面。 2021-10-1321 金剛石類型的膜摩擦系數(shù)低、硬度高、金剛石類型的膜摩擦系數(shù)低、硬度高、耐磨性好，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。耐磨性好，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 目前的工藝技術(shù)已可容易地制備出金剛目前的工藝技術(shù)已可容易地制備出金剛石及類金剛石膜，但研究時(shí)均沉積在硅石及類金剛石膜，但研究時(shí)均沉積在硅片一類材料上，機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用尚受片一類材料上，機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用尚受到結(jié)合力差、易脫落的限制。到結(jié)合力差、易脫落的限制。 金剛石的共價(jià)鍵與鋼鐵材料的金屬鍵相金剛石的共價(jià)鍵與鋼鐵材料的金屬鍵相差懸殊，即使采取過渡層也不易獲得理差懸殊，即使采取過渡層也不易獲得理想的結(jié)合強(qiáng)度。想

19、的結(jié)合強(qiáng)度。2021-10-1322 氣相沉積技術(shù)是近氣相沉積技術(shù)是近3030年來(lái)迅速發(fā)展的年來(lái)迅速發(fā)展的一門新技術(shù)，它是利用氣相之間的反應(yīng)，在一門新技術(shù)，它是利用氣相之間的反應(yīng)，在各種材料或制品表面沉積單層或多層薄膜，各種材料或制品表面沉積單層或多層薄膜，從而使材料或制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。從而使材料或制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。這種技術(shù)的應(yīng)用有十分廣闊的前景。這種技術(shù)的應(yīng)用有十分廣闊的前景。 2021-10-1323 在研究超硬薄膜的同時(shí)也對(duì)在研究超硬薄膜的同時(shí)也對(duì) TiC，TiN型型的材料加以改進(jìn)，一種措施是采取多層的材料加以改進(jìn)，一種措施是采取多層或梯度成分，另一種采取復(fù)合成分。或

20、梯度成分，另一種采取復(fù)合成分。 TiC雖硬但脆，不如雖硬但脆，不如TiN應(yīng)用廣，應(yīng)用廣， 但若處理成多層但若處理成多層 TiC TiN或或 Ti（C，N）即可獲得較理想的性能，也可提高與鋼即可獲得較理想的性能，也可提高與鋼鐵基體的結(jié)合強(qiáng)度。鐵基體的結(jié)合強(qiáng)度。2021-10-13246.2 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD） 氣相沉積基體過程包括三個(gè)走驟：氣相沉積基體過程包括三個(gè)走驟： 即提供氣相鍍料；鍍料向所鍍制的工件即提供氣相鍍料；鍍料向所鍍制的工件（或基片）輸送；鍍料沉積在基片上構(gòu)（或基片）輸送；鍍料沉積在基片上構(gòu)成膜層。成膜層。 沉積過程中若沉積粒子來(lái)源于化合物沉積過程中若沉積粒子來(lái)源

21、于化合物的氣相分解反應(yīng)，則稱為化學(xué)氣相沉積的氣相分解反應(yīng)，則稱為化學(xué)氣相沉積（CVD）；）； 否則稱為物理氣相沉積（否則稱為物理氣相沉積（PVD）。）。2021-10-1325氣相沉積的基本過程氣相沉積的基本過程 （1） 氣相物質(zhì)的產(chǎn)生氣相物質(zhì)的產(chǎn)生 一類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)一類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；鍍膜； 另一類是用具有一定能量的離子轟擊靶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，材（鍍料），從靶材上擊出鍍料原子，稱為濺射鍍膜。稱為濺射鍍膜。2021-10-1326（2）氣相物質(zhì)的輸送）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

22、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。為了避免氣體碰撞妨礙氣相鍍料到達(dá)基片。 在高真空度的情況下（真空度為在高真空度的情況下（真空度為10-2Pa），鍍），鍍料原子很少與殘余氣體分子碰撞，基本上是從料原子很少與殘余氣體分子碰撞，基本上是從鍍料源直線前進(jìn)到達(dá)基片；鍍料源直線前進(jìn)到達(dá)基片； 在低真空度時(shí)（如真空度為在低真空度時(shí)（如真空度為10Pa），則鍍料原），則鍍料原子會(huì)與殘余氣體分子發(fā)生碰撞而繞射，但只要子會(huì)與殘余氣體分子發(fā)生碰撞而繞射，但只要不過于降低鍍膜速率，還是允許的。不過于降低鍍膜速率，還是允許的。 如真空度過低，鍍料原子頻繁碰撞會(huì)相互凝聚如真空

23、度過低，鍍料原子頻繁碰撞會(huì)相互凝聚為微粒，則鍍膜過程無(wú)法進(jìn)行。為微粒，則鍍膜過程無(wú)法進(jìn)行。2021-10-1327（3）氣相物質(zhì)的沉積）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)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、多晶膜凝聚條件的不同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜?；騿尉ぁ?鍍料原子在沉積時(shí)，可與其它活性氣體分子發(fā)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，稱為生化學(xué)反應(yīng)而形成化合物膜，稱為反應(yīng)鍍反應(yīng)鍍。 在鍍料原子凝聚成膜的過程中，還可以同時(shí)用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

24、的是改變膜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)稱為層的結(jié)構(gòu)和性能，這種鍍膜技術(shù)稱為離子鍍離子鍍。2021-10-1328 蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本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)鍍膜技術(shù)。以此為基礎(chǔ)，又衍生出反應(yīng)鍍和離子鍍。鍍和離子鍍。 其中反應(yīng)鍍?cè)诠に嚭驮O(shè)備上變化不大，其中反應(yīng)鍍?cè)诠に嚭驮O(shè)備上變化不大，可以認(rèn)為是蒸鍍和濺射的一種應(yīng)用；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將其與蒸鍍和濺射并列為另一類鍍膜技術(shù)。術(shù)。202

25、1-10-1329一、蒸發(fā)鍍膜一、蒸發(fā)鍍膜 在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉(zhuǎn)化為氣相，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(jiǎn)稱蒸然后凝聚在基體表面的方法稱蒸發(fā)鍍膜（簡(jiǎn)稱蒸鍍）。鍍）。 1蒸鍍?cè)碚翦冊(cè)?和液體一樣，固體在任何溫度下也或多或少地氣化和液體一樣，固體在任何溫度下也或多或少地氣化（升華），形成該物質(zhì)的蒸氣。（升華），形成該物質(zhì)的蒸氣。 在高真空中，將鍍料加熱到高溫，相應(yīng)溫度下的在高真空中，將鍍料加熱到高溫，相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣向上散發(fā)，蒸發(fā)原子在各個(gè)方向的通量并飽和蒸氣向上散發(fā)，蒸發(fā)原子在各個(gè)方向的通量并不相等。基片設(shè)在蒸氣源的上方阻擋

26、蒸氣流，蒸氣不相等?；O(shè)在蒸氣源的上方阻擋蒸氣流，蒸氣則在其上形成凝固膜。為了彌補(bǔ)凝固的蒸氣，蒸發(fā)則在其上形成凝固膜。為了彌補(bǔ)凝固的蒸氣，蒸發(fā)源要以一定的比例供給蒸氣。源要以一定的比例供給蒸氣。2021-10-13302蒸鍍方法蒸鍍方法 (1)電阻加熱蒸鍍電阻加熱蒸鍍加熱器材料常使用鎢、鉬、鉭加熱器材料常使用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬，按照蒸發(fā)材料等高熔點(diǎn)金屬，按照蒸發(fā)材料的不同，可制成絲狀、帶狀和的不同，可制成絲狀、帶狀和板狀板狀 . (2)電子束加熱蒸鍍電子束加熱蒸鍍利用電子束加熱可以使鎢（熔利用電子束加熱可以使鎢（熔點(diǎn)點(diǎn)3380）、鉬（熔點(diǎn)）、鉬（熔點(diǎn)2610）和鉭（熔點(diǎn)和鉭（熔點(diǎn)3100

27、）等高熔點(diǎn)）等高熔點(diǎn)金屬熔化。金屬熔化。 2021-10-1331熱蒸鍍2021-10-13322021-10-1333電子束蒸鍍2021-10-1334激光加熱蒸鍍（PLD）2021-10-1335（3）合金膜的鍍制）合金膜的鍍制 如果要沉積合金，則在整個(gè)基片表面和膜層厚度如果要沉積合金，則在整個(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：范圍內(nèi)都必須得到均勻的組分。有兩種基本方式：?jiǎn)坞娮邮舭l(fā)源沉積和多電子束蒸發(fā)源沉積單電子束蒸發(fā)源沉積和多電子束蒸發(fā)源沉積 2021-10-1336 多電子束蒸發(fā)源是由隔開的幾個(gè)坩堝組成，坩堝多電子束蒸發(fā)源是由隔開的幾個(gè)坩堝組成，坩堝數(shù)量按

28、合金元素的多少來(lái)確定，蒸發(fā)后幾種組元數(shù)量按合金元素的多少來(lái)確定，蒸發(fā)后幾種組元同時(shí)凝聚成膜。同時(shí)凝聚成膜。 單電子束蒸發(fā)源沉積合金時(shí)會(huì)遇到分餾問題單電子束蒸發(fā)源沉積合金時(shí)會(huì)遇到分餾問題: 以以NiCr二元合金為例，它經(jīng)常用于制造電阻薄膜和抗蝕二元合金為例，它經(jīng)常用于制造電阻薄膜和抗蝕層。層。 蒸鍍的合金膜，其組成為蒸鍍的合金膜，其組成為80/20。蒸發(fā)溫度約。蒸發(fā)溫度約2000K，而鉻，而鉻在在2000K時(shí)的蒸氣壓強(qiáng)比鎳要高時(shí)的蒸氣壓強(qiáng)比鎳要高100倍。如果鍍料是一次倍。如果鍍料是一次加熱，則因鉻原子消耗較快，而使鍍層逐漸貧鉻。加熱，則因鉻原子消耗較快，而使鍍層逐漸貧鉻。 解決分餾問題的辦法是

29、連續(xù)加料，熔池的溫度和體積保持解決分餾問題的辦法是連續(xù)加料，熔池的溫度和體積保持恒定是這種鍍膜工藝成功的關(guān)鍵。如果合金組元蒸氣壓差恒定是這種鍍膜工藝成功的關(guān)鍵。如果合金組元蒸氣壓差別過大，沉積合金的工藝便受到限制。別過大，沉積合金的工藝便受到限制。 2021-10-1337（4）化合物的鍍制）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(jiǎn)單的蒸鍍技術(shù)無(wú)法由化合分解。所以用簡(jiǎn)單的蒸鍍技術(shù)無(wú)法由化合物鍍料鍍制出組成符合化學(xué)比的膜層。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、硒化物和硫化物，但有一些化合物，如氯化物、硫

30、化物、硒化物和硫化物，甚至少數(shù)氧化物如甚至少數(shù)氧化物如B203，SnO可以采用蒸鍍?？梢圆捎谜翦儭?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。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。然而不僅有熱分解問題，也有與坩堝材料反應(yīng)從而改變?nèi)欢粌H有熱分解問題，也有與坩堝材料反應(yīng)從而改變膜層成分的問題，這些都是化合物蒸鍍的限制因素。膜層成分的問題，這些都是化合物蒸鍍的限制因素。 2021-10-1338鍍制化合物的另一途徑是采用反應(yīng)鍍鍍制化合物的另一途徑是采用反應(yīng)鍍 例如鍍制例如鍍制TiC是在蒸鍍是在蒸鍍Ti的同時(shí)，向真空的同時(shí)，向真空室通入乙炔氣，于是基片上發(fā)生以下反室通入乙炔氣，于

31、是基片上發(fā)生以下反應(yīng)而得到應(yīng)而得到TiC膜層。膜層。 2TiC2H22TiC十十H2 2021-10-1339（5）分子束外延）分子束外延 以蒸鍍?yōu)榛A(chǔ)發(fā)展起來(lái)的分子束外延技術(shù)和設(shè)以蒸鍍?yōu)榛A(chǔ)發(fā)展起來(lái)的分子束外延技術(shù)和設(shè)備，經(jīng)過備，經(jīng)過10余年的開發(fā)，近年來(lái)已制備出各種余年的開發(fā)，近年來(lái)已制備出各種-V族化合物的半導(dǎo)體器件。族化合物的半導(dǎo)體器件。 外延是指在單晶基體上成長(zhǎng)出位向相同的同類外延是指在單晶基體上成長(zhǎng)出位向相同的同類單晶體（同質(zhì)外延），或者成長(zhǎng)出具有共格或單晶體（同質(zhì)外延），或者成長(zhǎng)出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體（異質(zhì)外延）。半共格聯(lián)系的異類單晶體（異質(zhì)外延）。 目前分子束外延的

32、膜厚控制水平已經(jīng)達(dá)到單原目前分子束外延的膜厚控制水平已經(jīng)達(dá)到單原子層，甚至知道某一單原子層是否已經(jīng)排滿，子層，甚至知道某一單原子層是否已經(jīng)排滿，而另一層是否已經(jīng)開始成長(zhǎng)。而另一層是否已經(jīng)開始成長(zhǎng)。2021-10-13403蒸鍍用途 蒸鍍只用于鍍制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求不高的蒸鍍只用于鍍制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功能膜某些功能膜; 例如用作電極的導(dǎo)電膜，光例如用作電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)鏡頭用的增透膜等。學(xué)鏡頭用的增透膜等。 蒸鍍用于鍍制合金膜時(shí)蒸鍍用于鍍制合金膜時(shí) 在保證合金成分這點(diǎn)上，要比濺射困難在保證合金成分這點(diǎn)上，要比濺射困難得多，得多， 但在鍍制純金屬時(shí)，蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍但在鍍制純金屬時(shí)，蒸鍍可以表

33、現(xiàn)出鍍膜速率快的優(yōu)勢(shì)。膜速率快的優(yōu)勢(shì)。2021-10-1341蒸鍍純金屬膜中，蒸鍍純金屬膜中，90是鋁膜是鋁膜 鋁膜有廣泛的用途鋁膜有廣泛的用途 目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采用蒸鍍，以鋁代銀，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。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。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：在聚酯薄膜上鍍鋁具有多種用途： 制造小體積的電容器；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；制作防止紫外線照射的食品軟包裝袋； 經(jīng)陽(yáng)極氧化和著色后即得色彩鮮艷的裝飾膜。經(jīng)陽(yáng)極氧化和著色后即得色彩鮮艷的

34、裝飾膜。 雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。頭盒。2021-10-1342二、濺射鍍膜二、濺射鍍膜 濺射鍍膜：濺射鍍膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。料表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。 濺射鍍膜有兩種：濺射鍍膜有兩種： 一種是在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，使濺一種是在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，使濺射出的粒子在基片表面成膜，這稱為射出的粒子在基片表面成膜，這稱為離子束濺射離子束濺射。 離子束要由特制的離子源產(chǎn)生，離子源結(jié)構(gòu)較為復(fù)離子束要由特

35、制的離子源產(chǎn)生，離子源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格較貴，只是在用于分析技術(shù)和制取特殊的雜，價(jià)格較貴，只是在用于分析技術(shù)和制取特殊的薄膜時(shí)才采用離子束濺射。薄膜時(shí)才采用離子束濺射。 另一種是在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象，使另一種是在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象，使處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出的粒子堆積在基片上。的粒子堆積在基片上。 2021-10-1343濺射鍍膜歷史濺射鍍膜歷史 濺射現(xiàn)象早在濺射現(xiàn)象早在19世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)。世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)。 50年前有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制成薄膜。年前有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制成薄膜。 60年代制成集成電

36、路的年代制成集成電路的Ta膜，開始了它在工業(yè)上膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用。的應(yīng)用。 1965年年IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。濺射鍍膜成為可能。 近年來(lái)發(fā)明的新的濺射方法：二極濺射、三極近年來(lái)發(fā)明的新的濺射方法：二極濺射、三極（包括四極）濺射、磁控濺射、對(duì)向靶濺射、離（包括四極）濺射、磁控濺射、對(duì)向靶濺射、離子束濺射等。子束濺射等。2021-10-1344 在上述這些濺射方式中，如果在在上述這些濺射方式中，如果在Ar中混入反應(yīng)中混入反應(yīng)氣體，如氣體，如 O2，N2，CH4，C2H2等，可制得靶等，可制得靶材料的氧化物、氮化物、碳化物等化

37、合物薄膜，材料的氧化物、氮化物、碳化物等化合物薄膜，這就是反應(yīng)濺射；這就是反應(yīng)濺射； 在成膜的基片上，若施加直到在成膜的基片上，若施加直到-500V的電壓，使的電壓，使離子轟擊膜層的同時(shí)成膜，使膜層致密，改善離子轟擊膜層的同時(shí)成膜，使膜層致密，改善膜的性能，這就是偏壓濺射；膜的性能，這就是偏壓濺射； 在射頻電壓作用下，利用電子和離子運(yùn)動(dòng)特性在射頻電壓作用下，利用電子和離子運(yùn)動(dòng)特性的不同，在靶的表面上感應(yīng)出負(fù)的直流脈沖，的不同，在靶的表面上感應(yīng)出負(fù)的直流脈沖，而產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象，對(duì)絕緣體也能進(jìn)行濺射鍍而產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象，對(duì)絕緣體也能進(jìn)行濺射鍍膜，這就是射頻濺射。膜，這就是射頻濺射。2021-10-1

38、3451離子濺射離子濺射 離子濺射現(xiàn)象：離子濺射現(xiàn)象： 當(dāng)入射離子的能量在當(dāng)入射離子的能量在100eV10keV范范圍時(shí)，離子會(huì)從固體表面進(jìn)入固體的內(nèi)圍時(shí)，離子會(huì)從固體表面進(jìn)入固體的內(nèi)部，與構(gòu)成固體的原于和電子發(fā)生碰撞。部，與構(gòu)成固體的原于和電子發(fā)生碰撞。固體的原子飛離固體表面。固體的原子飛離固體表面。 在離子濺射的研究中，濺射產(chǎn)額是大家最關(guān)心在離子濺射的研究中，濺射產(chǎn)額是大家最關(guān)心的。一般把對(duì)應(yīng)一個(gè)入射離子所濺射出的中性的。一般把對(duì)應(yīng)一個(gè)入射離子所濺射出的中性原子數(shù)叫做濺射產(chǎn)額。顯然，濺射產(chǎn)額與入射原子數(shù)叫做濺射產(chǎn)額。顯然，濺射產(chǎn)額與入射離子的能量、靶的材質(zhì)、入射角等密切相關(guān)。離子的能量、靶

39、的材質(zhì)、入射角等密切相關(guān)。2021-10-1346濺射產(chǎn)額依入射離子的種類和濺射產(chǎn)額依入射離子的種類和靶材的不同而異靶材的不同而異 入射離子中入射離子中Ne，Ar，Kr，Xe等惰性氣體可得等惰性氣體可得到高的濺射產(chǎn)額，在通常的濺射裝置中，從經(jīng)到高的濺射產(chǎn)額，在通常的濺射裝置中，從經(jīng)濟(jì)方面考慮多用氬。濟(jì)方面考慮多用氬。 各種靶材的濺射產(chǎn)額隨原子序數(shù)變化呈周期性各種靶材的濺射產(chǎn)額隨原子序數(shù)變化呈周期性改變，改變，Cu，Ag，Au等濺射產(chǎn)額最高，等濺射產(chǎn)額最高，Ti，Zr，Nb，Mo，Hf，Ta，W等最小。等最小。2021-10-1347（1）直流二極濺射）直流二極濺射 陰極上接陰極上接13kV的直

40、流的直流負(fù)高壓，陽(yáng)極通常接地。負(fù)高壓，陽(yáng)極通常接地。 這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是：這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。 缺點(diǎn)有：缺點(diǎn)有： 因工作壓力較高膜層有因工作壓力較高膜層有沾污；沾污； 沉積速率低不能鍍沉積速率低不能鍍10m以上的膜厚；以上的膜厚； 由于大量二次電子直接由于大量二次電子直接轟擊基片使基片溫升過轟擊基片使基片溫升過高。高。 2021-10-1348（2）三極和四極濺射）三極和四極濺射 三極濺射是在二極濺射的裝三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極，使放出置上附加一個(gè)電極，使放出熱電子強(qiáng)化放電，它既能使熱電子強(qiáng)化放電，它既能使濺射速率有所提高，又能使濺射

41、速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方便。濺射工況的控制更為方便。 四極濺射如圖所示：這種濺四極濺射如圖所示：這種濺射方法還是不能抑制由靶產(chǎn)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，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還存在因燈絲具有不純物而使膜層沾污等問題。使膜層沾污等問題。 2021-10-1349（3）射頻濺射）射頻濺射 射頻是指無(wú)線電波發(fā)射范圍的頻率射頻是指無(wú)線電波發(fā)射范圍的頻率 為了避免干擾電臺(tái)工作，濺射專用頻率為了避免干擾電臺(tái)工作，濺射專用頻率規(guī)定為規(guī)定為1356MHz。 在射頻電源交變電場(chǎng)作用下，氣體中的在射頻電源交變電場(chǎng)作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，

42、并使氣體電離為等電子隨之發(fā)生振蕩，并使氣體電離為等離子體。離子體。2021-10-1350射頻濺射工作原理射頻濺射工作原理 射頻濺射的兩個(gè)電極，接在交變的射頻電源上，射頻濺射的兩個(gè)電極，接在交變的射頻電源上，似乎沒有陰極與陽(yáng)極之分了。似乎沒有陰極與陽(yáng)極之分了。 實(shí)際上射頻濺射裝置的兩個(gè)電極不是對(duì)稱的。放實(shí)際上射頻濺射裝置的兩個(gè)電極不是對(duì)稱的。放置基片的電極與機(jī)殼相連，并且接地，這個(gè)電極置基片的電極與機(jī)殼相連，并且接地，這個(gè)電極相對(duì)安裝靶材的電極而言，是一個(gè)大面積的電極。相對(duì)安裝靶材的電極而言，是一個(gè)大面積的電極。它的電位與等離子相近，幾乎不受離子轟擊。它的電位與等離子相近，幾乎不受離子轟擊。

43、另一電極對(duì)于等離子體處于負(fù)電位，是陰極，受另一電極對(duì)于等離子體處于負(fù)電位，是陰極，受到離子轟擊，用于裝置靶材。到離子轟擊，用于裝置靶材。 其缺點(diǎn)：是大功率的射頻電源不僅價(jià)高，對(duì)于人其缺點(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。產(chǎn)應(yīng)用。2021-10-1351（4）磁控濺射）磁控濺射 磁控濺射是磁控濺射是70年代迅速發(fā)展起來(lái)的新型濺射技術(shù)，年代迅速發(fā)展起來(lái)的新型濺射技術(shù)，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。 磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一

44、個(gè)數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。 具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。 高速是指沉積速率快；高速是指沉積速率快； 低溫和低損傷是指基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷低溫和低損傷是指基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小。小。 1974年年Chapin發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控發(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。濺射靶，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動(dòng)作用。2021-10-1352磁控濺射特點(diǎn)磁控濺射特點(diǎn) 在陰極靶面上建在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，立一個(gè)環(huán)狀磁靶，以控制二次電子以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極二次電子在陰極暗區(qū)

45、被電場(chǎng)加速暗區(qū)被電場(chǎng)加速之后飛向陽(yáng)極。之后飛向陽(yáng)極。 2021-10-1353 能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環(huán)運(yùn)動(dòng)，路程足夠長(zhǎng)，每個(gè)電子使原子中作循環(huán)運(yùn)動(dòng)，路程足夠長(zhǎng)，每個(gè)電子使原子電離的機(jī)會(huì)增加，而且只有在電子的能量耗盡電離的機(jī)會(huì)增加，而且只有在電子的能量耗盡以后才能脫離靶表面落在陽(yáng)極（基片）上，這以后才能脫離靶表面落在陽(yáng)極（基片）上，這是基片溫升低、損傷小的主要原因。是基片溫升低、損傷小的主要原因。 高密度等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不高密度等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣電離產(chǎn)生的正離子能十分有與基片接觸。這

46、樣電離產(chǎn)生的正離子能十分有效地轟擊靶面，基片又免受等離子體的轟擊。效地轟擊靶面，基片又免受等離子體的轟擊。電子與氣體原子的碰撞幾率高，因此氣體離化電子與氣體原子的碰撞幾率高，因此氣體離化率大大增加。率大大增加。2021-10-1354（5）合金膜的鍍制）合金膜的鍍制 在物理氣相沉積的各類技術(shù)中，濺射最容易控在物理氣相沉積的各類技術(shù)中，濺射最容易控制合金膜的成分。制合金膜的成分。 鍍制合金膜可以采用多靶共濺射，這時(shí)控制各鍍制合金膜可以采用多靶共濺射，這時(shí)控制各個(gè)磁控靶的濺射參數(shù)，可以得到一定成分的合個(gè)磁控靶的濺射參數(shù)，可以得到一定成分的合金膜。金膜。 如果直接采用合金靶（單靶）進(jìn)行濺射，則不如果

47、直接采用合金靶（單靶）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必采用任何控制措施，就可以得到與靶材成分（相對(duì)一致）的合金膜。（相對(duì)一致）的合金膜。 2021-10-1355（6）化合物膜的鍍制）化合物膜的鍍制 化合物膜是指金屬元素與氧、氮、硅、碳、硼、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。硫等非金屬的化合物所構(gòu)成的膜層。 化合物膜的鍍制可選用化合物靶濺射和反應(yīng)濺化合物膜的鍍制可選用化合物靶濺射和反應(yīng)濺射。射。 許多化合物是導(dǎo)電材料，其電導(dǎo)率有的甚至與許多化合物是導(dǎo)電材料，其電導(dǎo)率有的甚至與金屬材料相當(dāng)，這時(shí)可以采用化合物靶進(jìn)行直金屬材料相當(dāng)，這

48、時(shí)可以采用化合物靶進(jìn)行直流濺射。對(duì)于絕緣材料化合物，則只能采用射流濺射。對(duì)于絕緣材料化合物，則只能采用射頻濺射。頻濺射。2021-10-1356大規(guī)模鍍制化合物膜大規(guī)模鍍制化合物膜 宜采用反應(yīng)濺射。宜采用反應(yīng)濺射。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不必用化合物靶材，而是這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不必用化合物靶材，而是直接用金屬靶，也不必用復(fù)雜的射頻電源，而直接用金屬靶，也不必用復(fù)雜的射頻電源，而是用直流濺射。是用直流濺射。 反應(yīng)濺射是在金屬靶材進(jìn)行濺射鍍膜的同時(shí)，反應(yīng)濺射是在金屬靶材進(jìn)行濺射鍍膜的同時(shí)，向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，金屬原子與反應(yīng)氣向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，金屬原子與反應(yīng)氣體在基片上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即可得到化合

49、物膜。體在基片上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即可得到化合物膜。2021-10-1357（7）離子束濺射）離子束濺射 前述各種方法都是把靶置于等離子體中，因此前述各種方法都是把靶置于等離子體中，因此膜面都要受到氣體和帶電粒子的沖擊，膜的性膜面都要受到氣體和帶電粒子的沖擊，膜的性能受等離子體狀態(tài)的影響很大，濺射條件也不能受等離子體狀態(tài)的影響很大，濺射條件也不易嚴(yán)格控制，例如氣體壓力、靶電壓、放電電易嚴(yán)格控制，例如氣體壓力、靶電壓、放電電流等參數(shù)都不能獨(dú)立控制。流等參數(shù)都不能獨(dú)立控制。 離子束濺射是采用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生離子束濺射是采用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子。用于轟擊靶材的離子。2021-10-1358離

50、子束濺射的優(yōu)點(diǎn)離子束濺射的優(yōu)點(diǎn)是能夠獨(dú)立控制轟擊是能夠獨(dú)立控制轟擊離子的能量和束流密度，離子的能量和束流密度，并且基片不接觸等離子并且基片不接觸等離子體，這些都有利于控制體，這些都有利于控制膜層質(zhì)量。此外，離子膜層質(zhì)量。此外，離子束濺射是在真空度比磁束濺射是在真空度比磁控濺射更高的條件下進(jìn)控濺射更高的條件下進(jìn)行的，這有利于降低膜行的，這有利于降低膜層中的雜質(zhì)氣體的含量。層中的雜質(zhì)氣體的含量。2021-10-1359離子束鍍膜的缺點(diǎn)離子束鍍膜的缺點(diǎn) 是鍍膜速率太低，只能達(dá)到是鍍膜速率太低，只能達(dá)到0.01mmin左右。左右。 這比磁控濺射低一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以離子這比磁控濺射低一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以離子束

51、鍍膜不適于鍍制工件，束鍍膜不適于鍍制工件， 也不適于鍍制大面積工件。也不適于鍍制大面積工件。 這些缺點(diǎn)都限制了離子束濺射在工業(yè)生這些缺點(diǎn)都限制了離子束濺射在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。產(chǎn)中的應(yīng)用。2021-10-13602濺射的用途濺射的用途 濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為機(jī)械功能膜和物理功能膜兩大類。分為機(jī)械功能膜和物理功能膜兩大類。 前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等表前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等表面強(qiáng)化薄膜材料、固體潤(rùn)滑薄膜材料；面強(qiáng)化薄膜材料、固體潤(rùn)滑薄膜材料； 后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。料等。2021-

52、10-1361Cr，CrC，CrN等鍍層等鍍層 采用采用Cr，CrCrN等合金靶或鑲嵌靶，等合金靶或鑲嵌靶，在在N2，CH4等氣氛中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜，等氣氛中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍可以在各種工件上鍍Cr，CrC，CrN等等鍍層。鍍層。 純純Cr的顯微硬度為的顯微硬度為425840HV，CrN為為10003500HV， 不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶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。慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。2021-10-1362TiN，TiC等超硬鍍層等超硬鍍層 用用TiN，T

53、iC等超硬鍍層涂覆刀具、模具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，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、耐沖具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，工作特性，又可以提高使用壽命， 一般可使刀具壽命提高一般可使刀具壽命提高310倍。倍。2021-10-1363 在高溫、低溫、超高真空、射線輻照等特殊條在高溫、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(rùn)滑油，只有用軟件下工作的機(jī)械部件不能用潤(rùn)滑油，只有用軟金屬或?qū)訝钗镔|(zhì)等固體潤(rùn)滑劑。金屬或?qū)訝钗?/p>

54、質(zhì)等固體潤(rùn)滑劑。 常用的固體潤(rùn)滑劑有軟金屬常用的固體潤(rùn)滑劑有軟金屬(Au，Ag，Pb，Sn等等)，層狀物質(zhì)（，層狀物質(zhì)（MoS2，WS2，石墨，石墨，CaF2，云母等），高分子材料（尼龍、聚四氟乙烯等）云母等），高分子材料（尼龍、聚四氟乙烯等）等。等。 其中濺射法制取其中濺射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分膜及聚四氟乙烯膜十分有效。有效。 2021-10-1364MoS2 可用化學(xué)反應(yīng)鍍膜法制作，但是濺射鍍膜法得到可用化學(xué)反應(yīng)鍍膜法制作，但是濺射鍍膜法得到的的MoS2膜致密性好，附著性優(yōu)良。膜致密性好，附著性優(yōu)良。 MoS2濺射膜的摩擦系數(shù)很低，在濺射膜的摩擦系數(shù)很低，在0.020.05范圍

55、范圍內(nèi)。內(nèi)。 MoS2在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有兩個(gè)問題：在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有兩個(gè)問題： 一是對(duì)有些基體材料如一是對(duì)有些基體材料如Ag，Cu，Be等目前還不等目前還不能涂覆；能涂覆； 二是隨濕度增加，二是隨濕度增加，MoS2成膜的附著性變差。在大成膜的附著性變差。在大氣中使用要添加氣中使用要添加Sb2O3等防氧化劑，以便在等防氧化劑，以便在 MoS2表面形成一種保護(hù)膜。表面形成一種保護(hù)膜。2021-10-1365固體潤(rùn)滑劑固體潤(rùn)滑劑 濺射法可以制取聚四氟乙烯膜。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(rùn)滑特性不試驗(yàn)表明，這種高分子材料薄膜的潤(rùn)滑特性不受環(huán)境濕度的影響，可長(zhǎng)期在大氣環(huán)境中使用，

56、受環(huán)境濕度的影響，可長(zhǎng)期在大氣環(huán)境中使用，是一種很有發(fā)展前途的固體潤(rùn)滑劑。其使用溫是一種很有發(fā)展前途的固體潤(rùn)滑劑。其使用溫度上限為度上限為50，低于，低于-260時(shí)才失去潤(rùn)滑性。時(shí)才失去潤(rùn)滑性。 MoS2、聚四氯乙烯等濺射膜，在長(zhǎng)時(shí)間放、聚四氯乙烯等濺射膜，在長(zhǎng)時(shí)間放置后性能變化不大，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間備用、突然使置后性能變化不大，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間備用、突然使用又要求可靠的設(shè)備如防震、報(bào)警、防火、保用又要求可靠的設(shè)備如防震、報(bào)警、防火、保險(xiǎn)裝置等是較為理想的固體潤(rùn)滑劑。險(xiǎn)裝置等是較為理想的固體潤(rùn)滑劑。2021-10-1366三、離子鍍膜三、離子鍍膜 離子鍍就是在鍍膜的同時(shí)，采用帶能離離子鍍就是在鍍膜的同時(shí)，

57、采用帶能離子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術(shù)。子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術(shù)。 離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。 離子鍍是鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行離子鍍是鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行的鍍膜過程。的鍍膜過程。2021-10-1367 無(wú)論是蒸鍍還是濺射都可以發(fā)展成為離子鍍。無(wú)論是蒸鍍還是濺射都可以發(fā)展成為離子鍍。 在磁控濺射時(shí)，將基片與真空室絕緣，再加上在磁控濺射時(shí)，將基片與真空室絕緣，再加上數(shù)百伏的負(fù)偏壓，即有能量為數(shù)百伏的負(fù)偏壓，即有能量為100eV量級(jí)的離量級(jí)的離子向基片轟擊，從而實(shí)現(xiàn)離子鍍。子向基片轟擊，從而實(shí)現(xiàn)離子鍍。 離子鍍也可以在蒸鍍的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，例

58、如在真離子鍍也可以在蒸鍍的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，例如在真空室內(nèi)通入空室內(nèi)通入1Pa量級(jí)的氬氣后，在基片上加上量級(jí)的氬氣后，在基片上加上1000V以上的負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，并以上的負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，并有能量為數(shù)百電子伏的離子轟擊基片，這就是有能量為數(shù)百電子伏的離子轟擊基片，這就是二極離子鍍。二極離子鍍。2021-10-1368 對(duì)于真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同對(duì)于真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的每個(gè)沉積的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的每個(gè)沉積粒子所帶的能量是不同的。粒子所帶的能量是不同的。 熱蒸鍍?cè)哟蠹s熱蒸鍍?cè)哟蠹s0.2eV， 濺射原子大約濺射原子大約1-50eV，

59、而離子鍍中轟擊離子大概有幾百到幾千而離子鍍中轟擊離子大概有幾百到幾千eV。 2021-10-13691離子鍍的原理離子鍍的原理 離子轟擊，確切說(shuō)應(yīng)離子轟擊，確切說(shuō)應(yīng)該該既有離子又有原子的既有離子又有原子的粒子轟擊。粒子轟擊。粒子中不但有氬粒子，粒子中不但有氬粒子，還有鍍料粒子，還有鍍料粒子，在鍍膜初期還會(huì)有由在鍍膜初期還會(huì)有由基片表面濺射出來(lái)的基片表面濺射出來(lái)的基材粒子?；牧Ｗ印?2021-10-1370良好的結(jié)合強(qiáng)度 對(duì)于以耐磨為目標(biāo)的超硬膜，采用離子對(duì)于以耐磨為目標(biāo)的超硬膜，采用離子鍍的目的是為了提高膜層與基片（工件）鍍的目的是為了提高膜層與基片（工件）之間的結(jié)合強(qiáng)度。之間的結(jié)合強(qiáng)度。

60、其原因是離子轟擊對(duì)基片表面的清洗作用可以除去其其原因是離子轟擊對(duì)基片表面的清洗作用可以除去其污染層，另外還能形成共混的過渡層。過渡層是由膜污染層，另外還能形成共混的過渡層。過渡層是由膜層和基片界面上的一層由鍍料原子與基片原子共同構(gòu)層和基片界面上的一層由鍍料原子與基片原子共同構(gòu)成的。成的。 如果離子轟擊的熱效應(yīng)足以使界面處產(chǎn)生擴(kuò)散層，形如果離子轟擊的熱效應(yīng)足以使界面處產(chǎn)生擴(kuò)散層，形成冶金結(jié)合，則更有利于提高結(jié)合強(qiáng)度。成冶金結(jié)合，則更有利于提高結(jié)合強(qiáng)度。2021-10-1371 蒸鍍的膜層其殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而離子蒸鍍的膜層其殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而離子轟擊產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以抵消一部分拉應(yīng)力。轟擊產(chǎn)生壓