第七章氣相沉積技術(shù)

1、中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)(華東華東) 氣氣 相相 沉沉 積積 技技 術(shù)術(shù)專業(yè)班級(jí)：材料物理專業(yè)班級(jí)：材料物理081-3開課單位：材料物理系開課單位：材料物理系任課教師：任課教師：韓韓 治治 德德上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧高能束表面改性特點(diǎn)高能束表面改性特點(diǎn)11五種激光表面處理工藝五種激光表面處理工藝11三種高能束表面改性的特點(diǎn)三種高能束表面改性的特點(diǎn)比較比較離子注入概念離子注入概念11表面擴(kuò)滲表面擴(kuò)滲11、表面淬火熱處、表面淬火熱處理、高密度太陽能表面處理理、高密度太陽能表面處理11、表面形變強(qiáng)化的概念、表面形變強(qiáng)化的概念讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣日常所見的器具日常所見的器具讓優(yōu)秀成為一一

2、種習(xí)慣門把手門把手玩具獎(jiǎng)杯精美的刀叉精美的刀叉讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣精美的刀叉精美的刀叉讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣氣相沉積技術(shù)概述氣相沉積技術(shù)概述 薄膜制備技術(shù)之一薄膜制備技術(shù)之一，利用氣相中發(fā)生的物，利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程，在材料表面形成具有特殊理、化學(xué)過程，在材料表面形成具有特殊性能的金屬或化合物覆層的工藝方法性能的金屬或化合物覆層的工藝方法 薄膜在上一世紀(jì)得到了迅猛發(fā)展薄膜在上一世紀(jì)得到了迅猛發(fā)展（前圖前圖） 思考的問題：思考的問題：膜有厚有薄，膜有厚有薄，多厚算薄膜多厚算薄膜？薄膜有哪些特征薄膜有哪些特征？薄膜有哪些種類薄膜有哪些種類？有哪有哪些應(yīng)用些應(yīng)用？是怎么制備出來的是怎么制備出

3、來的？ 定義定義 一類用特殊方法獲得的，依靠基體支一類用特殊方法獲得的，依靠基體支撐并具有與基體不同的結(jié)構(gòu)和性能的撐并具有與基體不同的結(jié)構(gòu)和性能的二維材料，一般指厚度為二維材料，一般指厚度為 100nm 100nm25m25m的膜層的膜層讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的特征薄膜的特征 厚度：厚度：薄膜通常具有亞微米級(jí)至微米薄膜通常具有亞微米級(jí)至微米級(jí)的厚度級(jí)的厚度納米晶多層膜金剛石薄膜金剛石薄膜刀具透明金剛石薄膜讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的特征薄膜的特征 有基體支撐：有基體支撐：依附于固體表面并得到依附于固體表面并得到其支撐而存在，并具有與支撐固體不其支撐而存在，并具有與支撐固體不同結(jié)構(gòu)和性能的二維材

4、料同結(jié)構(gòu)和性能的二維材料手機(jī)貼膜手機(jī)貼膜塑料膜讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的特征薄膜的特征 特殊的結(jié)構(gòu)和性能：特殊的結(jié)構(gòu)和性能：由于形成方式的由于形成方式的不同，薄膜材料與塊體材料具有不同不同，薄膜材料與塊體材料具有不同的微結(jié)構(gòu)和性能的微結(jié)構(gòu)和性能 金箔一次性鋁箔餐盒鈦箔鋁箔封口片讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的特征薄膜的特征 特殊的形成方式：特殊的形成方式：依靠原子尺度粒子依靠原子尺度粒子在另一固體表面生長(zhǎng)而成的二維材料在另一固體表面生長(zhǎng)而成的二維材料 典型的tio2薄膜掃描電鏡圖片al2o3薄膜表面形貌掃描電鏡觀察讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的分類薄膜的分類 膜的用途或功能膜的用途或功能：光、微電子、力

5、學(xué)、：光、微電子、力學(xué)、信息存儲(chǔ)、防護(hù)、裝飾性信息存儲(chǔ)、防護(hù)、裝飾性 膜層的組成材料膜層的組成材料：金屬、陶瓷、化合：金屬、陶瓷、化合物、半導(dǎo)體、塑料及其他高分子薄膜物、半導(dǎo)體、塑料及其他高分子薄膜 膜的晶體結(jié)構(gòu)膜的晶體結(jié)構(gòu)：?jiǎn)尉?、多晶、納米晶、：?jiǎn)尉?、多晶、納米晶、非晶態(tài)、外延生長(zhǎng)薄膜非晶態(tài)、外延生長(zhǎng)薄膜 厚度厚度：納米薄膜、微米薄膜、厚膜：納米薄膜、微米薄膜、厚膜 薄膜組成結(jié)構(gòu)薄膜組成結(jié)構(gòu)：多層薄膜、梯度薄膜、：多層薄膜、梯度薄膜、復(fù)合薄膜復(fù)合薄膜讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 增透膜增透膜（透鏡）和（透鏡）和增反膜增反膜（高反射膜）（高反射膜）利用光在波膜上的干涉理論利用光在波

6、膜上的干涉理論：當(dāng)入射：當(dāng)入射光射到介質(zhì)膜表面時(shí)，改變介質(zhì)膜的光射到介質(zhì)膜表面時(shí)，改變介質(zhì)膜的厚度，將會(huì)使入射光產(chǎn)生的兩列反射厚度，將會(huì)使入射光產(chǎn)生的兩列反射相干光加強(qiáng)或是減弱相干光加強(qiáng)或是減弱讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 增透膜增透膜（透鏡）（透鏡）讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 增反膜增反膜（高反射膜）（高反射膜）氦-氖激光器諧振腔全反射鏡 全反射鏡 片讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 防電腦輻射眼鏡片防電腦輻射眼鏡片 防電腦輻射面罩防電腦輻射面罩防電腦輻射鏡片讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 光敏電阻膜光敏電阻膜 光敏電阻讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)

7、用薄膜的應(yīng)用 防激光致盲膜防激光致盲膜防激光致盲的鍍膜眼鏡防激光致盲的鍍膜眼鏡 激光致盲槍綠光源激光炫目器讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 其他功能膜：其他功能膜：類金剛石膜、電極膜、類金剛石膜、電極膜、磁記錄膜、耐高溫氧化膜等磁記錄膜、耐高溫氧化膜等類金剛石膜刀具電極膜磁記錄材料用膜讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣薄膜制備方法薄膜制備方法液相法液相法電電 鍍鍍化學(xué)鍍化學(xué)鍍廣義薄膜廣義薄膜氣相法氣相法化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積物理氣相沉積物理氣相沉積真空蒸鍍真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜濺射鍍膜離子鍍膜離子鍍膜分子束外延分子束外延讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣等離子體等離子體 定義：定義：等離子體是指存在的時(shí)間和空間均超過

8、某一臨界值的電離氣體 產(chǎn)生途徑產(chǎn)生途徑宇宙、天體、上層氣體、放射線及同位素、x射線、粒子加速器、反應(yīng)堆、場(chǎng)致電離、沖擊波、燃燒、激光、真空紫外光、發(fā)電等，在氣相沉積中廣泛采用的是氣體放電產(chǎn)生等離子體。讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣等離子體特征等離子體特征 等離子體的存在具有特定的空間和時(shí)間限度（沒等離子體的存在具有特定的空間和時(shí)間限度（沒有限度）；有限度）；這種電離氣體是由電子、離子、原子、這種電離氣體是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體（電中性原子、分子或自由基等粒子組成的集合體（電中性原子、分子組成）；分子組成）；這種氣體是一種導(dǎo)電流體，而又能這種氣體是一種導(dǎo)電流體，而又能在與氣體體

9、積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電中性在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電中性（不導(dǎo)電流體）；（不導(dǎo)電流體）；有三種運(yùn)動(dòng)形式，熱運(yùn)動(dòng)、在有三種運(yùn)動(dòng)形式，熱運(yùn)動(dòng)、在電磁場(chǎng)作用下的遷移運(yùn)動(dòng)和沿帶電粒子濃度遞減電磁場(chǎng)作用下的遷移運(yùn)動(dòng)和沿帶電粒子濃度遞減方向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)）；方向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)）；粒子運(yùn)粒子運(yùn)動(dòng)受到電磁場(chǎng)的影響和支配（不受影響）；動(dòng)受到電磁場(chǎng)的影響和支配（不受影響）；富集富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基極的離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基極具反應(yīng)活性（相對(duì)較?。?；具反應(yīng)活性（相對(duì)較?。恍碌木奂癄顟B(tài)新的聚集狀態(tài)物物質(zhì)第四態(tài)（三態(tài)）。質(zhì)第四態(tài)（三態(tài)）

10、。 讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣各種氣相沉積技術(shù)介紹各種氣相沉積技術(shù)介紹 什么是真空蒸鍍？什么是真空蒸鍍？ 阿基米德與王冠、牛頓與萬有引力、阿基米德與王冠、牛頓與萬有引力、蒸汽浴與蒸鍍蒸汽浴與蒸鍍 定義：定義：簡(jiǎn)稱蒸鍍，是在真空條件下，簡(jiǎn)稱蒸鍍，是在真空條件下，用一定的方法加熱鍍膜材料（簡(jiǎn)稱膜用一定的方法加熱鍍膜材料（簡(jiǎn)稱膜料）使之氣化，并沉積在工件表面形料）使之氣化，并沉積在工件表面形成固態(tài)薄膜。成固態(tài)薄膜。 阿基米德所處時(shí)代出土的王冠碎片整理讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣真空蒸鍍的原理真空蒸鍍的原理采用各種熱能轉(zhuǎn)換方式，使膜料蒸發(fā)或升華，氣化為具采用各種熱能轉(zhuǎn)換方式，使膜料蒸發(fā)或升華，氣化為具有一定能量（有

11、一定能量（0.10.3ev）的粒子（原子、分子或原子團(tuán)）；）的粒子（原子、分子或原子團(tuán)）；氣態(tài)粒子通過基本上無碰撞的直線運(yùn)動(dòng)飛速傳輸?shù)交w；氣態(tài)粒子通過基本上無碰撞的直線運(yùn)動(dòng)飛速傳輸?shù)交w；粒子沉積在基體表面上并凝聚成薄膜。傳輸?shù)交w的蒸粒子沉積在基體表面上并凝聚成薄膜。傳輸?shù)交w的蒸發(fā)粒子與基體碰撞后一部分被反射，另一部分被吸附在基發(fā)粒子與基體碰撞后一部分被反射，另一部分被吸附在基體表面發(fā)生表面擴(kuò)散，沉積粒子之間產(chǎn)生二維碰撞，形成體表面發(fā)生表面擴(kuò)散，沉積粒子之間產(chǎn)生二維碰撞，形成團(tuán)簇，有的在表面停留一段時(shí)間后再蒸發(fā)。粒子團(tuán)簇與擴(kuò)團(tuán)簇，有的在表面停留一段時(shí)間后再蒸發(fā)。粒子團(tuán)簇與擴(kuò)散粒子相碰撞，

12、或吸附單粒子，或放出單粒子，這過程反散粒子相碰撞，或吸附單粒子，或放出單粒子，這過程反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)粒子數(shù)超過某一臨界值時(shí)就變?yōu)榉€(wěn)定核，再不復(fù)進(jìn)行，當(dāng)粒子數(shù)超過某一臨界值時(shí)就變?yōu)榉€(wěn)定核，再不斷吸附其他粒子而逐步長(zhǎng)大，最后與鄰近穩(wěn)定核合并，進(jìn)斷吸附其他粒子而逐步長(zhǎng)大，最后與鄰近穩(wěn)定核合并，進(jìn)而變成連續(xù)膜；而變成連續(xù)膜；組成薄膜的原子重新排列或化學(xué)鍵合發(fā)生變化。組成薄膜的原子重新排列或化學(xué)鍵合發(fā)生變化。工藝類型工藝類型讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣濺射鍍膜濺射鍍膜 玻璃幕墻怎么做的？玻璃幕墻怎么做的？ 定義：定義：利用濺射現(xiàn)象來達(dá)到制取各種利用濺射現(xiàn)象來達(dá)到制取各種薄膜的目的，即在真空室中利用荷能薄膜的目的，即

13、在真空室中利用荷能離子轟擊靶表面，使被轟擊的氣態(tài)粒離子轟擊靶表面，使被轟擊的氣態(tài)粒子在基片（工件）上沉積的技術(shù)。子在基片（工件）上沉積的技術(shù)。 問題：?jiǎn)栴}：為什么圓形靶材不是大面積被為什么圓形靶材不是大面積被濺射掉，而只是局限于一圈呢？濺射掉，而只是局限于一圈呢？ 讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣真空離子鍍膜真空離子鍍膜 定義：定義：離子鍍是在真空條件下，利用離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分電氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟離，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時(shí)把蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)產(chǎn)擊作用的同時(shí)把蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基片上。物沉積在基片上。

14、讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣離子鍍膜的特點(diǎn)離子鍍膜的特點(diǎn)裸露表面都可以鍍上。離子鍍膜過程中，由于部分材原裸露表面都可以鍍上。離子鍍膜過程中，由于部分材原子被電離成離子，它們將沿著電場(chǎng)的電力線運(yùn)動(dòng)，凡是電子被電離成離子，它們將沿著電場(chǎng)的電力線運(yùn)動(dòng)，凡是電力線分布的地方，這些原子都有可能到達(dá)，而在離子鍍中力線分布的地方，這些原子都有可能到達(dá)，而在離子鍍中工件本身是陰極，因此，工件的各個(gè)表面（即使有溝槽）工件本身是陰極，因此，工件的各個(gè)表面（即使有溝槽）都可以鍍上。都可以鍍上。繞射能力強(qiáng)。由于離子鍍要求的真空度不太高而是真空繞射能力強(qiáng)。由于離子鍍要求的真空度不太高而是真空室中的粒子較多，從而粒子之間的相互碰

15、撞，所以離子鍍室中的粒子較多，從而粒子之間的相互碰撞，所以離子鍍的繞射能力比較強(qiáng)。的繞射能力比較強(qiáng)。附著能力強(qiáng)。離子鍍過程中不僅存在著許多金屬離子和附著能力強(qiáng)。離子鍍過程中不僅存在著許多金屬離子和高能金屬原子，而且還存在著大量的氬離子和氬原子，它高能金屬原子，而且還存在著大量的氬離子和氬原子，它們共同轟擊工件（陰極）表面，產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)，這可們共同轟擊工件（陰極）表面，產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)，這可以大大提高鍍層的附著能力，使膜層的結(jié)合強(qiáng)度提高。以大大提高鍍層的附著能力，使膜層的結(jié)合強(qiáng)度提高。改善組織性能等。金屬粒子的能量比較高，一般還使用改善組織性能等。金屬粒子的能量比較高，一般還使用副偏壓，這些

16、都有助于改善膜層的組織性能。還可以利用副偏壓，這些都有助于改善膜層的組織性能。還可以利用離子鍍獲得各種化合物涂層。離子鍍獲得各種化合物涂層。讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣離子鍍膜的應(yīng)用離子鍍膜的應(yīng)用 首先，首先，離子鍍是各種刀具的保護(hù)神。可離子鍍是各種刀具的保護(hù)神。可以在各種齒輪、模具或刀具上離子鍍氮化以在各種齒輪、模具或刀具上離子鍍氮化鈦、碳化鈦、氮碳化鈦、碳化鎢、氮化鋯鈦、碳化鈦、氮碳化鈦、碳化鎢、氮化鋯等多種硬質(zhì)膜。等多種硬質(zhì)膜。 其次其次，離子鍍技術(shù)還是美化人民生活的，離子鍍技術(shù)還是美化人民生活的得力工具。從我們手上帶的手表表殼、表得力工具。從我們手上帶的手表表殼、表帶，到手機(jī)外殼，鼻梁上的眼鏡

17、，再到我?guī)?，到手機(jī)外殼，鼻梁上的眼鏡，再到我們衣服上的扣子、領(lǐng)帶夾，腰上別的鑰匙們衣服上的扣子、領(lǐng)帶夾，腰上別的鑰匙扣、鏈子及腰帶頭。這些都是離子鍍的杰扣、鏈子及腰帶頭。這些都是離子鍍的杰作。顏色也是多種多樣。作。顏色也是多種多樣。 離子鍍膜還廣泛應(yīng)用于耐腐蝕、耐熱、離子鍍膜還廣泛應(yīng)用于耐腐蝕、耐熱、潤(rùn)滑及電子工業(yè)的集成電路等中。潤(rùn)滑及電子工業(yè)的集成電路等中。讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 什么東西最硬？（鉆石、鉻鈷）什么東西最硬？（鉆石、鉻鈷） 沉積原理？沉積原理？讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣外延外延 外延的概念：外延的概念：外延是指在單晶基片上生長(zhǎng)出位向外延是指在單晶基片上生長(zhǎng)出位向

18、相同的同類單晶體（同質(zhì)外延），或者生長(zhǎng)出具相同的同類單晶體（同質(zhì)外延），或者生長(zhǎng)出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體（異質(zhì)外延）。有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體（異質(zhì)外延）。 外延分為外延分為氣相外延、液相外延和分子束外延氣相外延、液相外延和分子束外延 氣相外延氣相外延就是化學(xué)氣相沉積在單晶表面的沉積過就是化學(xué)氣相沉積在單晶表面的沉積過程。程。 液相外延液相外延是將溶質(zhì)放入溶劑中，在一定溫度下形是將溶質(zhì)放入溶劑中，在一定溫度下形成均勻溶液，然后將溶液緩慢冷卻通過飽和點(diǎn)成均勻溶液，然后將溶液緩慢冷卻通過飽和點(diǎn)（液相線）時(shí)，有固體析出而進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)的方（液相線）時(shí)，有固體析出而進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)的方法。法。讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣分子束外延分子束外延 （molecular beam epitaxy，mbe）是將真空蒸鍍膜加以改進(jìn)和提高而形是將真空蒸鍍膜加以改進(jìn)和提高而形成的一種成膜技術(shù)，它是在超高真空成的一種成膜技術(shù)，它是在超高真空條件下，精確控制蒸發(fā)源給出的中性條件下，精確控制蒸發(fā)源給出的中性分子束流，噴射到一定溫度的基片表分子束流，噴射到一定溫度的基片表面，并在基片上外延成膜的技術(shù)。面，并在基片上外延成膜的技術(shù)。 讓優(yōu)秀成為一一種習(xí)慣分子