薄膜物理氣相沉積

1、 薄膜物理氣相沉積-真空蒸發(fā)裝置1 分類：（1）電阻式蒸發(fā)裝置（2）電子束蒸發(fā)裝置 （3）電弧蒸發(fā)裝置（4）激光蒸發(fā)裝置（5）空心陰極蒸發(fā)裝置2電加熱方法: 鎢絲熱源： 主要用于塊狀材料的蒸發(fā)、可以在 2200K下工作； 有污染、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)； 難熔金屬蒸發(fā)舟：W, Ta, Mo等材料制作； 可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā)； 有污染、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)； （1）電阻式蒸發(fā)裝置3 利用大電流通過(guò)一個(gè)連接著靶材材料的電阻器,將產(chǎn)生非常高的溫度,利用這個(gè)高溫來(lái)升華靶材材料。 通常使用鎢(Tm=3380),鉭Ta(Tm=2980), 鉬Mo(Tm=2630) ,高熔點(diǎn)又能產(chǎn)生高熱的金屬,做成電阻器。 4電阻器可以依被鍍

2、物工件形狀,擺放方式,位置,腔體大小,旋轉(zhuǎn)方式,而作成不同的形狀。5 1.避免被蒸發(fā)物質(zhì)與加熱材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，可以考慮使 用表面涂有一層Al2O3的加熱體； 2.防止被加熱物質(zhì)的放氣過(guò)程可能引起的物質(zhì)飛濺。 對(duì)被蒸發(fā)的物質(zhì)可以采取兩種方法，即普通的電阻加熱法和高頻感應(yīng)法。前者依靠纏于坩鍋外的電阻絲實(shí)現(xiàn)加熱，而后者依靠感應(yīng)線圈在被加熱的物質(zhì)中或在坩鍋中產(chǎn)生出感應(yīng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)物質(zhì)的加熱。在后者情況下，需要被加熱的物質(zhì)或坩鍋本身具有一定的導(dǎo)電性。加熱方式：注意：61.電阻式蒸鍍機(jī)設(shè)備價(jià)格便宜,構(gòu)造簡(jiǎn)單容易維護(hù)。2.靶材可以依需要,做成各種的形狀。優(yōu)點(diǎn):缺點(diǎn):1. 因?yàn)闊崃考皽囟仁怯?/p>

3、電阻器產(chǎn)生,并傳導(dǎo)至靶材,電阻器本身的材料難免會(huì) 在過(guò)程中參加反應(yīng),因此會(huì)有些微的污染,造成蒸發(fā)膜層純度稍差,傷害膜層 的質(zhì)量。 2. 熱阻式蒸鍍比較適合金屬材料的靶材,光學(xué)鍍膜常用的介電質(zhì)材料,因?yàn)檠?化物所需熔點(diǎn)溫度更高,大部分都無(wú)法使用電阻式加溫來(lái)蒸發(fā)。3. 蒸鍍的速率比較慢,且不易控制。4. 化合物的靶材,可能會(huì)因?yàn)楦邷囟环纸?只有小部分化合物靶材可以被閃 燃蒸鍍使用。5. 電阻式蒸鍍的膜層硬度比較差,密度比較低。7 電子束加熱槍：燈絲+加速電極+偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成 蒸發(fā)坩堝：陶瓷坩堝或水冷銅坩堝； 電子束蒸發(fā)的特點(diǎn)： 工作真空度比較高，可與離子源聯(lián)合使用； 可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā)；

4、可以蒸發(fā)金屬和化合物； 可以比較精確地控制蒸發(fā)速率； 電離率比較低。（2）電子束蒸發(fā)裝置8 電子束蒸發(fā)設(shè)備的核心是偏轉(zhuǎn)電子槍，偏轉(zhuǎn)電子槍是利用具有一定速度的帶點(diǎn)粒子在均勻磁場(chǎng)中受力做圓周運(yùn)動(dòng)這一原理設(shè)計(jì)而成的。其結(jié)構(gòu)由兩部分組成：一是電子槍用來(lái)射高速運(yùn)動(dòng)的電子；二是使電子做圓周運(yùn)動(dòng)的均勻磁場(chǎng)。 電子束蒸發(fā)裝置示意圖9 電子束的絕大部分能量要被坩堝的水冷系統(tǒng)帶走，因而其熱效率較低。另 外，過(guò)高的加熱功率也會(huì)對(duì)整個(gè)薄膜沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。 熔點(diǎn)要高。飽和蒸汽壓要低?；瘜W(xué)性能要穩(wěn)定。缺點(diǎn)：電子束蒸發(fā)對(duì)源材料的要求：10 電弧蒸發(fā)裝置也具有能夠避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染，加熱溫度較高的特點(diǎn)

5、，特別適用于熔點(diǎn)高，同時(shí)具有一定導(dǎo)電性的難熔金屬、石墨等的蒸發(fā)。同時(shí)，這一方法所用的設(shè)備比電子束加熱裝置簡(jiǎn)單，因此是一種較為廉價(jià)的蒸發(fā)裝置，現(xiàn)今很多蒸發(fā)鍍膜法均采用電弧蒸發(fā)裝置。 （3）電弧蒸發(fā)裝置11電弧離子鍍?cè)O(shè)備: 電弧離子鍍膜技術(shù)是以金屬等離子體弧光放電為基礎(chǔ)的一種高效鍍膜技術(shù)； 電弧源：靶(導(dǎo)電材料)+約束磁場(chǎng)+弧電極+觸發(fā)電極 等離子體的電離率高達(dá)70%； 可蒸發(fā)高熔點(diǎn)導(dǎo)電材料，如C、Ta等； 有部分金屬液滴； 可在活性氣氛下工作；電弧蒸發(fā)裝置示意圖12 沉積速率高, 高達(dá)0.1m/min； 沉積能量可控、具有自清洗功能； 有大顆粒、粗糙度大； 在放電過(guò)程中容易產(chǎn)生微米量級(jí)大小的電極

6、顆粒的飛濺，從而影響被沉積薄膜的均勻性。 優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：13電弧蒸發(fā)法的改進(jìn)電弧過(guò)濾技術(shù): 磁鏡過(guò)濾方法： 通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的控制； 可以顯著降低薄膜中的大顆粒； 沉積效率降低明顯、束徑受磁鏡限制； 磁場(chǎng)約束遮擋過(guò)濾： 等離子體發(fā)射方向與鍍膜方向垂直 束徑不受限制，但沉積率比較低；14通過(guò)對(duì)基片施加脈沖偏壓減少等離子體中的顆粒沉積；脈沖偏壓過(guò)濾原理：利用等離子體塵埃帶負(fù)電的特點(diǎn)，通過(guò)脈沖偏壓的動(dòng)態(tài)等離子體殼層控制塵埃顆粒沉積； 脈沖偏壓過(guò)濾特點(diǎn)： 沉積效率降低比較??； 可以實(shí)現(xiàn)化合物的低溫沉積(TiN，低于200oC)； 可以改善薄膜的力學(xué)性能； 特別大的顆粒過(guò)濾效果不理想

7、；電弧蒸發(fā)法的改進(jìn) 脈沖偏壓技術(shù):15（4）激光蒸發(fā)裝置 使用高功率的激光束作為能源進(jìn)行薄膜的蒸發(fā)沉積的方法就被稱為激光蒸發(fā)沉積法。 實(shí)際應(yīng)用中，多使用位于紫外波段的脈沖激光器作為蒸發(fā)的光源，如波長(zhǎng)為248nm、脈沖寬度為20ns的KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光等。 由于在蒸發(fā)過(guò)程中，高能激光光子可在瞬間將能量直接傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)的原子，因而激光蒸發(fā)法產(chǎn)生的粒子能量一般顯著高于普通的蒸發(fā)方法。16脈沖激光沉積(PLD)方法:加熱源：脈沖激光(準(zhǔn)分子激光器) 波長(zhǎng)越短，光子能量越大，效率越高； 不要求高真空，但激光器價(jià)格昂貴PLD的特點(diǎn)： 蒸氣的成分與靶材料基本相同，沒(méi)有偏析現(xiàn)象； 蒸發(fā)量可以由脈沖

8、的數(shù)量定量控制；有利于薄膜厚度控制； 沉積原子的能量比較高，一般10 20eV; 由于激光能量密度的限制，薄膜均勻性比較差；17激光蒸發(fā)裝置 在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材料將激光束引入真空室中，并要使用透鏡或凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。裝置示意圖18（5）空心陰極蒸發(fā)裝置 空心陰極蒸發(fā)裝置的原理與電子束蒸發(fā)裝置較為相似。在中空金屬Ta管制成的陰極和被蒸發(fā)物質(zhì)制成的陽(yáng)極之間加上一定幅度的電壓，并在Ta管內(nèi)通入少量的Ar氣時(shí)，可在陰陽(yáng)兩極之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。這時(shí)，Ar離子的轟擊會(huì)使Ta管的溫度升高并維持在2000K以上的高溫下，從而能夠發(fā)射出大量的熱電子。將熱電子束從Ta管內(nèi)引出并

9、轟擊陽(yáng)極，即可導(dǎo)致物質(zhì)的熱蒸發(fā)，并在襯底上沉積出薄膜。空心陰極電弧蒸發(fā)裝置示意圖19 特點(diǎn)：（一）可以提供數(shù)安培至數(shù)百安培的高強(qiáng)度電子流，因而可以提高薄膜的沉積速度。（二）大電流蒸發(fā)使蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)原子進(jìn)一步發(fā)生部分的離化，從而生成大量的被蒸發(fā)物質(zhì)的離子。（三）與上述多種蒸發(fā)方法不同，空心陰極在工作時(shí)需要維持有110-2Pa的氣壓條件。（四）空心陰極在產(chǎn)生高強(qiáng)度電子流的同時(shí)，也容易產(chǎn)生陰極的損耗和蒸發(fā)物質(zhì)的飛濺。20 除激光法、電壓偏置情況下的空心陰極之外，多數(shù)蒸發(fā)方法的共同特點(diǎn)之一，是其蒸發(fā)和參與沉積的物質(zhì)粒子只具有較低的能量。下面列出了蒸發(fā)法涉及到的粒子能量的典型值以及其與物質(zhì)鍵合能之間的

10、比較。顯然，與物質(zhì)鍵合能相比，一般蒸發(fā)法獲得的粒子能量較低，在薄膜沉積過(guò)程中所起的作用較小。因此在許多情況下，需要采用某些方法提高入射到襯底表面的粒子的能量。蒸發(fā)粒子能量與物質(zhì)鍵合能的比較2122實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法1 涂層試樣制備首先用煤油和酒精依次對(duì)樣品進(jìn)行超聲除油, 再使用剛玉砂礫對(duì)樣品表面進(jìn)行噴砂處理, 其中砂礫平均粒徑為 220 m, 噴砂壓力、角度和距離分別為 1.5105 Pa、60和 100 mm,最后用壓縮空氣對(duì)樣品進(jìn)行除雜; 除雜完畢后把樣品放置在噴涂夾具上, 設(shè)置機(jī)械手噴涂程序; 通過(guò)真空泵把噴涂真空罐抽至 150 Pa, 然后回充氬氣至4000 Pa 時(shí)進(jìn)行噴槍點(diǎn)火; 通過(guò)

11、等離子體先預(yù)熱基體至 850 , 再通過(guò)機(jī)械手調(diào)整噴距為 950 mm 進(jìn)行雙管內(nèi)送粉噴涂, 噴涂過(guò)程中對(duì)真空罐進(jìn)行適量的補(bǔ)氧防止 7YSZ 晶體失氧。另外, 在噴涂前需把7YSZ 粉末放入送粉器烘干, 溫度設(shè)置為 50 。232 CMAS 腐蝕性能分析24結(jié)果與討論結(jié)果與討論1 柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層制備25.2 柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層沉積機(jī)理263 柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層 CMAS 腐蝕失效機(jī)制27結(jié)論結(jié)論1) 采用等離子噴涂物理氣相沉積(PS-PVD)在850 基體溫度下, 可制備結(jié)構(gòu)致密的柱狀 7YSZ 涂層, 涂層中柱狀晶上端與下端寬度不一致, 涂層表面呈現(xiàn)“菜花“狀形貌。柱狀涂層以氣相分子沉積并以島

12、狀形式生長(zhǎng), 氣相分子先在基體表面形成穩(wěn)定的小島狀臨界晶核, 再經(jīng)過(guò)島狀、聯(lián)并、溝道、連續(xù)這四個(gè)階段最終形成具有柱狀結(jié)構(gòu)的 7YSZ 涂層。2) 經(jīng) 1200 CMAS 腐蝕 24 h 后, 柱狀涂層會(huì)出現(xiàn)平行涂層表面的橫向裂紋, 這主要是由于熱化學(xué)和熱機(jī)械的相互作用導(dǎo)致的: 一方面, 在侵蝕區(qū)域內(nèi), CMAS 與 7YSZ 發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 改變 7YSZ 的熱物性能; 另一方面, 在冷卻過(guò)程中, CMAS 滲透區(qū)與未滲透區(qū)膨脹系數(shù)不匹配誘發(fā)應(yīng)力產(chǎn)生。兩者相互作用促使裂紋沿柱狀晶原表面裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展, 最終導(dǎo)致涂層發(fā)生層離失效。2829IntroductionAmorphous coating

13、has many advantages in their superior corrosion resistance , high modulus,better wear resistance, and unique magnetic properties and so on .The amorphous/crystalline composite coating in this work is composed of columnar grains near the substrate side and an amorphous top layer. particular structure

14、 will endow the material with excellent mechanical strength and better wear resistance.In this paper, FeCrAl amorphous coating was achieved during electron beam physical vapor deposition with substrate temperature of 500 C around. 30ExperimentalThe coatings were fabricated by a GEKONT L5 electron be

15、am facility in a vacuum chamber evacuated to 110-3 Pa. A 98.5-mm diameter FeCrAlTi (Fe-19.7Cr-5.3Al-5.5Ti) ingot and a 68.5-mm diameter Y2O3 ingot were placed into two water-cooled copper crucibles and evaporated by two electron beams simultaneously and separately. The deposition lasted about 15 min

16、. Then the deposition barrier plate was placed to protect extra deposition on the deposits. The mean deposition rate was about 13um/min. The heating ramp for the substrate before deposition was about 38/min, and the cooling rate for the substrate after deposition was about 47/min.31The chemical comp

17、osition of the foil was examined by X-ray fluorescence. The surface morphology and cross-sectional fractures were observed on a HITACHI S-570 Scanning Electron Microscope (SEM). X-ray diffraction (XRD) was conducted for both sides of the sample on a D/max-rB X-ray diffractometer with Cu K radiation.

18、 The surface morphology of the amorphous and the crystalline parts were examined using a NanoScope type atomic force microscopy (AFM)Results and Discussion32XRD patterns of the foil.(a) amorphous/crystalline composite coating; (b) crystalline coating.33 SEM pictures of surface morphology. (a) the amorphous/crystalline composite coating; (b)the crystalline coating.34 Cross-sectional morphology of the amorphous/crystalline composite coating. (a) highmagnification; (b) low magnifi