現(xiàn)代材料表面改性[1].doc

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學習與交流現(xiàn)代材料表面改性1.doc.精品文檔.現(xiàn)代材料表面改性（Surface Modification of Advanced Materials）湯寶寅（哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術國家重點實驗室）第1章現(xiàn)代材料表面改性引言1.1機械零件表面失效機械零件失效一般都發(fā)生在工作面（表面），因為機械零件相互接觸的表面受力最大，最易摩擦磨損、疲勞而失效；零件表面易受外界環(huán)境中的水、氣、某些化學介質(zhì)的作用而腐蝕失效。1.1.1磨損失效機械零件由于相互之間的相對運動發(fā)生摩擦磨損引起零件工作表面金屬不斷損失，這稱為零件的磨損，磨損引起零

2、件幾何尺寸與形狀的改變，使零件之間間隙增大，使機械設備喪失精度，導致整個機械設備無法正常工作，這稱為零件的磨損失效。磨損失效有多種形式：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動磨損和疲勞磨損。粘著磨損：零件在相對運動時，由于固相焊合，接觸表面的材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面的現(xiàn)象，稱為粘著磨損。粘著磨損是軸承磨損失效中最嚴重的一種。磨粒磨損：零件的摩擦表面有外來硬顆粒物質(zhì)，或有接觸表面磨損和疲勞剝落的金屬細屑，而引起摩擦表面的金屬脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。腐蝕磨損：摩擦表面的金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應，而導致的磨損現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損。1.1.2腐蝕失效：零件表面與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應，

3、而導致的損傷或損壞，稱為腐蝕失效，特別在強腐蝕性介質(zhì)中這情況非常嚴重。金屬腐蝕按破壞的特性可分為全面腐蝕和局部腐蝕二大類。全面腐蝕：全面腐蝕又稱為均勻腐蝕，它是指腐蝕作用以基本相同的速度在整個金屬表面同時進行的。局部腐蝕：它是指腐蝕作用僅發(fā)生在金屬的某一局部區(qū)域，其它部位基本沒有發(fā)生腐蝕，或金屬某一部位的腐蝕速度比其它部位的腐蝕速度快得多，呈局部破壞狀態(tài)，如小孔腐蝕（點蝕）、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕破壞、腐蝕疲勞等等。1.1.3疲勞失效：材料在循環(huán)應力和應變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。1.

4、1.4其它失效：其它失效形式有多種，如斷裂失效、塑性變形失效等等。1.2材料表面失效防護與現(xiàn)代材料表面改性1.2.1材料表面失效防護1.2.1.1選用優(yōu)質(zhì)材料：選用具有更高抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能的優(yōu)質(zhì)材料來制造零件，雖然這是一種有效的措施，但是選用具有更高性能的合金鋼會增加零件的制造成本，增加零件加工制造工藝的難度。1.2.1.2零件的優(yōu)化設計和精密加工制造工藝：這些措施可提高表面光潔度，降低表面摩擦系數(shù)，減少表面承受的應力，減少表面與外界環(huán)境的接觸，提高零件表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞能力，目前制造廠商大多已采用這些措施，進一步提高的譖力不是很大。1.2.1.3采用現(xiàn)代材料表面改性技術：

5、采用現(xiàn)代材料表面改性技術就是在零件表面涂覆一層保護膜，或采用機械、物理、化學等方法，使材料表面的形貌、化學成份、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、應力狀態(tài)得到改變，可非常有效地提高零件表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能。近三十多年來，國內(nèi)外許多學者研究和發(fā)明了多種材料表面改性技術，用它們來提高材料表面的抗磨損、耐腐蝕、抗疲勞能力取得了重大進展，并在工業(yè)應用中獲得巨大成功，使現(xiàn)代材料表面改性技術成為國民經(jīng)濟中的重要產(chǎn)業(yè)之一，它在高、精、尖新技術發(fā)展中起到越來越重要的作用。1.2.1.4現(xiàn)代材料表面改性技術的優(yōu)化組合:在這里應當提出，現(xiàn)代材料表面改性技術種類非常多，它們在各自的應用范圍內(nèi)均顯示出它的優(yōu)點。

6、但是由于零件的材質(zhì)、形狀、使用環(huán)境、受力狀態(tài)等不同，每種表面改性技術均有它的局限性，不可能采用相同的表面改性技術。這就要求把各類表面改性技術作為一個系統(tǒng)工程進行優(yōu)化設計和優(yōu)化組合，選擇適合于某種材質(zhì)、零件形狀、使用環(huán)境、受力狀態(tài)等的一種或幾種組合的表面改性技術，使其在具體零件表面改性中發(fā)揮出最大的優(yōu)越性。因此。在實際的材料表面改性過程中，采用的表面改性技術往往是幾種技術結(jié)合在一起的復合技術，如離子注入與薄膜沉積相結(jié)合的技術。1.2,2現(xiàn)代材料表面改性目的和意義材料表面改性是指不改變材料整體（基體）特性，僅改變材料近表面層的物理、化學特性的表面處理手段，材料表面改性也可以稱為材料表面強化處理?，F(xiàn)

7、代材料表面改性目的：是把材料表面與基體看作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)進行設計與改性，以最經(jīng)濟、最有效的方法改變材料近表面層的形態(tài)、化學成份和組織結(jié)構(gòu)，賦予新的復合性能，以新型的功能，實現(xiàn)新的工程應用。因此，現(xiàn)代材料表面改性一是可以使材料表面獲得更好的表面特性，有效地延長零件使用壽命；二是可以用性能較差的合金鋼代替優(yōu)質(zhì)合金鋼，以節(jié)省優(yōu)質(zhì)合金鋼材料；三是可以研制出新穎材料。這種多功能綜合化，用于提高材料表面性能的各種現(xiàn)代表面改性技術統(tǒng)稱為現(xiàn)代表面改性技術。現(xiàn)代表面改性技術適用于金屬及其合金、陶瓷、玻璃、聚合物及半導體材料等多種現(xiàn)代材料。1.3現(xiàn)代材料表面改性技術的發(fā)展現(xiàn)代材料表面改性技術是一門由多種學科發(fā)展

8、而來的技術組合，其發(fā)展經(jīng)歷了很長，很復雜的過程。傳統(tǒng)的表面改性技術，如表面熱處理、表面滲碳等已有上百年的歷史了。上世紀50年代高分子涂裝技術有了非常大的發(fā)展，由古老的刷涂、空氣噴涂發(fā)展為靜電噴涂、流化床涂裝、電泳涂裝及靜電涂裝。60年代以來，傳統(tǒng)的淬火已由火焰加熱發(fā)展為高頻加熱。后來，激光器與電子束裝置的應用，出現(xiàn)了激光束、電子束的淬火技術。電鍍是一門古老的表面改性技術，相當長時間，電鍍只能鍍覆純金屬模，目前已能鍍覆多種合金，也可以在表面上鍍陶瓷和金剛石粉末，以增加表面的抗磨性。70年代以來，化學鍍有了很大的發(fā)展，它已成為一個有效的鍍覆手段。近30年來，熱噴涂得到了迅速的發(fā)展，國內(nèi)外形成了一種

9、熱噴涂技術熱，使它在多種工業(yè)部門得到了廣泛應用，而且發(fā)展出多種類型的熱噴涂技術。激光束、電子束成功地應用于現(xiàn)代材料表面改性，出現(xiàn)了如激光表面涂敷、激光表面合金化、激光表面淬火、電子束表面淬火、表面鍍膜等等多種現(xiàn)代材料表面改性技術。化學氣相沉積、物理氣相沉積，使鍍膜技術迅速由最初的熱蒸汽鍍膜發(fā)展為一系列的現(xiàn)代表面鍍膜技術，使鍍膜溫度大大降低，膜層質(zhì)量有了很大的改進。離子注入成功地應用于材料表面改性，可得到過飽和固溶體、非晶態(tài)和某些化合物層，有效地增加了材料表面的硬度，提高了耐磨性、抗疲勞性及抗腐蝕性，大大地延長了零件的使用壽命。上世紀90年代，全方位離子注入（等離子體浸泡式離子注入）克服了一般離

10、子注入直射性限制，成功地用于復雜形狀零件批量表面強化處理，使離子注入工業(yè)應用有了美好的前景。現(xiàn)代材料表面改性技術的進步，一方面是傳統(tǒng)工藝技術的革新，一方面是新工藝的出現(xiàn)，它們都是由于相關科學的發(fā)展對這門邊緣科學的促進作用。反過來，現(xiàn)代材料表面改性技術的發(fā)展促進許多學科的發(fā)展和工業(yè)的進步。上世紀80年代，現(xiàn)代材料表面改性技術已被列為世界十項關鍵技術之一。目前，現(xiàn)代材料表面改性技術已成為材料科學技術的一個重要的非?；钴S的領域。1.4現(xiàn)代材料表面改性技術的分類現(xiàn)代材料表面改性技術是一門多學科的邊緣科學，國內(nèi)外都沒有公認的分類方法。由于現(xiàn)代材料表面改性技術具有很強的工藝性，我們僅按工藝特點進行大致分類

11、：化學氣相沉積物理氣相沉積熱滲鍍熱噴鍍離子注入（包括束線離子注入與全方位離子注入或浸泡式離子注入）激光與電子束表面改性大氣等離子體表面改性與此同時，現(xiàn)代材料表面改性技術離不開表面分析與測試，它也構(gòu)成現(xiàn)代材料表面改性技術的一個重要的部分。1.5現(xiàn)代材料表面改性技術的應用現(xiàn)代材料表面改性技術是應用物理、化學、電子學、機械學、材料學等多種學科的最新知識，對產(chǎn)品或材料進行處理，賦予材料表面減磨、耐磨、耐蝕、耐熱、隔熱、抗氧化、防輻射以及聲光電磁熱等特殊功能的技術，不僅技術含量高，產(chǎn)品附加值高，而且節(jié)約材料資源，保護環(huán)節(jié)，降低能耗，所以它的應用非常廣泛和重要，如航空航天工業(yè)，汽車工業(yè)，城市建設、家用電器

12、工業(yè)、冶金、電力、石化、機械工業(yè)、功能材料和元器件、電子技術、環(huán)境保護、研究和制備先進新材料等等多種領域。第2章化學氣相沉積（CVD）使零件表面增加抗磨、抗蝕、抗疲勞能力的最簡單方法是在零件表面鍍上一層薄膜。薄膜或鍍層被用于覆蓋、保護、裝飾基體表面，它可分為三大類：i覆蓋層：把一種新的物質(zhì)沉積到基體表面，形成覆蓋層。ii轉(zhuǎn)換層：是通過在原處改變表面成分而獲得。iii結(jié)合層：在基體與鍍層之間有一層性質(zhì)與這兩者都不同的界面層。表2.1列出了不同覆蓋層技術的例子。表2.1覆蓋層技術的例子原子尺度上的沉積微粒沉積電解質(zhì)技術：電鍍，化學鍍，熔鹽電鍍，化學置換熱技術：等離子體噴涂，爆炸槍噴涂，火焰噴涂真空

13、技術：真空蒸發(fā)，離子束沉積，分子束外延熔融技術：厚膜涂裝；搪瓷，電泳涂裝，撞擊鍍等離子體技術：濺射沉積，活化反應蒸發(fā)，等離子體聚合，離子鍍整體技術：涂漆，浸鍍，靜電印刷，靜電旋轉(zhuǎn)涂裝，爆炸包覆，軋制結(jié)合，熔焊涂敷，激光熔覆化學氣相沉積技術：沉積，還源，滲透，分解，噴霧熱解，等離子體輔助，激光輔助，金屬有機化合物表2.2列出了不同轉(zhuǎn)換層技術的例子。表2.2轉(zhuǎn)換層技術的例子表面改性技術化學轉(zhuǎn)換電解轉(zhuǎn)換，陽極氧化，熔鹽技術，滲碳技術，浸析技術化學氣相沉積熱技術，等離子體技術，激光技術機械方法噴丸硬化，離子注入熱方法熱著色表面富集擴散物理氣相沉積濺射，電弧沉積氣相沉積技術是在物體表面沉積薄膜的好方法，

14、它分為化學氣相沉積（CVD）與物理化學氣相沉積（PCVD）二大類。CVD與PCVD最大的區(qū)別是兩者的處理溫度不同。本章講述化學氣相沉積。2.1化學氣相沉積原理化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）簡稱CVD，它是指在一定溫度條件下，混合氣體與基體（襯底）表面相互作用，使混合氣體中某些成分分解，并在基體表面形成金屬或化合物薄膜(鍍層)的過程?；瘜W氣相沉積裝置如圖2.1所示。混合氣體中某些成分分解后可以單獨沉積在基體表面形成薄膜，或混合氣體中某些成分分解后與基體表面相互作用形成化合物，沉積在基體表面形成薄膜。從圖2.1可知，CVD裝置的基本組成是：初始氣源，加熱反應室和

15、廢氣處理系統(tǒng)。圖2-1CVD設備的工藝流程圖2.2化學氣相沉積要素進行化學氣相沉積必須具備下列條件，即要素：一是足夠高的溫度：混合氣體中某些成分分解并與基體表面相互作用形成化合物必須吸收一定的能量，也就是說，進行上述過程必須有一定的激活能，這激活能必須由加熱基體表面獲得，因而需要足夠高的溫度。通常CVD的反應溫度大約在90020000C，它取決與沉積物的特性。二是要有混合氣體參加：混合氣體主要是惰性氣體（如Ar），還原氣體（如H2），和反應氣體（如N2、CH4、CO2、NH3、水蒸氣）；有時采用高飽和蒸氣壓的液體，如TiCl4、SiCl4、CH3SiCl3等，把它們加熱到一定溫度（ 600C）

16、，通過載體氫、氬與起泡的液體，從供氣系統(tǒng)中把上述蒸氣帶入沉積反應室。2.3化學氣相沉積的化學反應和特點化學氣相沉積的化學反應：CVD通過一個或多個化學反應才能實現(xiàn)。這些化學反應是：i熱分解或高溫分解反應:CH3SiCl3SiC + 3HClii還原反應: WF6 + 3H2W + 6HFiii氧化反應:SiH4 + O2 SiO2 +2H2iv水解反應:2AlCl3+3H2OAl2O3 +6HCl鍍層沉積過程包含了上述過程的一種反應或多種反應?；瘜W氣相沉積（CVD）的特點：iCVD過程可在高溫或中溫下進行。iiCVD過程可在大氣壓或低于大氣壓（低壓）下進行，iii鍍層的密度和純度可控制，鍍層的

17、化學成分可改變，iv繞鍍性好，適用于在復雜形狀零件上沉積薄膜。V可形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物鍍層。2.4化學氣相沉積應用化學氣相沉積的工業(yè)應用主要是解決耐磨、抗氧化、抗腐蝕以及一些特殊的電學、光學和摩擦學性能要求上。耐磨鍍層以氮化物、氧化物、碳化物和硼化物為主，主要用于金屬切削刀具，鍍層主要有TiN、TiC、TaC、HfN、Al2O3、TiB2等。摩擦學鍍層主要是難熔化合物，主要是降低摩擦系數(shù)，減少粘著、摩擦或其它原因造成的磨損，主要用于軸承表面強化處理。高溫應用鍍層主要是鍍層的熱穩(wěn)定性，它們一般是高分解溫度的難熔化合物，主要用于耐高溫的火箭噴嘴等。2.5化學氣相沉積優(yōu)缺點化學氣相沉積是

18、一種很好的薄膜沉積技術，它和其它薄膜沉積技術相比，它的優(yōu)點是：設備簡單，操作方便，可沉積各種性能的單一鍍層或復合鍍層；化學氣相沉積適用于處理復雜形狀零件；鍍層致密均勻，膜基結(jié)合強度較高。化學氣相沉積與物理氣相沉積相比，它的突出缺點是沉積溫度太高，在太高的溫度下進行薄膜沉積，會使工件變形，基體晶粒長大，使基材性能下降。2.6金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）MOCVD是常規(guī)CVD的發(fā)展，它是把能在低溫度下分解的金屬有機化合物作為初始反應物，它的優(yōu)點是可在熱敏感基體上沉積鍍層，它的缺點是沉積速率低、晶體缺陷密度高、膜中雜質(zhì)多。MOCVD可以沉積金屬膜，也可以沉積氧化物膜、氮化物膜、碳化物膜、

19、硼化物膜，它也適合于半導體材料處理。第3章物理氣相沉積（PVD）3.1物理氣相沉積（PVD）3.1.1PVD與CVD的主要區(qū)別：在化學氣相沉積（CVD）過程中，基體表面發(fā)生化學反應所需能量來源于外界熱源對于基體表面的加熱作用，因此CVD過程溫度很高。物理氣相沉積（PVD）不同于化學氣相沉積（CVD），在物理氣相沉積（PVD）過程中，基體表面發(fā)生化學反應所需能量來源于等離子體粒子（電子、離子與中性粒子），或電子束能量，或激光束能量等，并且等離子體粒子、電子束、激光束起到了化學反應的催化劑的作用，可使外界熱源對于基體表面的加熱作用大大減輕，因此PVD過程溫度很低。近30年來，物理氣相沉積（PVD）

20、發(fā)展非常迅速，物理氣相沉積技術除傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)和濺射沉積技術外，還包括各種離子束沉積、離子鍍、和離子束輔助沉積技術3.1.2物理氣相沉積（PVD）技術的基本環(huán)節(jié)物理氣相沉積（PVD）技術有多種多樣，但是它們都必須實現(xiàn)氣相沉積三個環(huán)節(jié)，即：鍍料（靶材）氣化-氣相運輸-沉積成膜。3.2等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）是物理氣相沉積（PCVD）中最為廣泛的一種，是一種典型的等離子體工業(yè)應用和等離子體工業(yè)加工方法。在PACVD過程中，由于等離子體中的活性成分（如荷能粒子）參預了基體表面的化學反應，使化學反應過程溫度明顯降低，化學反應顯著加快，這與低溫等離子體

21、特性有密切關系。3.2.1低溫等離子體基本特性：3.2.1.1宏觀上呈電中性等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體是一種電離了的氣體，它是由電子，離子及未被電離的中性氣體分子組成的集合體，其單位體積內(nèi)的正電荷（離子）數(shù)目等于負電荷（負離子及電子）數(shù)目，負離子數(shù)目極少，也就是說正離子密度等于電子密度，因此等離子體在宏觀上呈電中性，等離子體內(nèi)部任何正負電荷不平衡均會在等離子體內(nèi)部引起電場，該電場促使電荷移動，最后使電荷達到平衡。3.2.1.2電離度非常低低溫等離子體的電離度非常低，一般為10-4。電離度遠小于1的等離子體稱為弱電離等離子體，或稱為冷等離子體。等離子體輔助材料表面改性采用的等離子體均是冷等

22、離子體，因此，在冷等離子體中絕大多數(shù)是中性氣體分子。3.2.1.3外部能源是維持放電等離子體狀態(tài)的必要條件：等離子體中的電子，離子和本底中性氣體分子有著強烈的相互作用。在外部電場作用下，電子從外電場中獲得能量而加速，加速后的快速電子與中性氣體分子碰撞，使中性氣體分子電離，產(chǎn)生新的電子與離子；離子在器壁處復合成分子，或獲俘電子后復合成分子，這些過程反復進行，當外部電場不存在時，等離子體就立刻消失。3.2.1.4冷等離子體的電離過程主要是由快速電子與氣體分子碰撞引起的：冷等離子體中電子質(zhì)量比離子小得多，它們最易從外電場中獲得能量而加速，成為快速電子，離子的能量比中性氣體分子高，比電子低。因此由于具

23、有較高激活能的電子、離子及中性氣體分子參與CVD的化學反應過程，它們提供了化學反應所需的部分能量，因此使CVD化學反應所需要的溫度大大下降，使化學反應能在很低的溫度（300 0C以下）下進行。3.2.1.5電子和離子的無規(guī)則熱運動超過了它們的定向運動：等離子體受外部電場干涉，發(fā)生電荷分離，等離子體不同電荷之間就有強的庫倫相互作用力，而且作用距離可以很長；但是對于未被干擾的等離子體，電荷如自由粒子在周圍到處運動，電荷之間的庫倫相互作用總和被抵消，電子和離子的無規(guī)則熱運動超過了它們的定向運動。3.2.1.6等離子體擴散：等離子體總是要從高密度區(qū)域向低密度區(qū)域擴散，因而等離子體總是要充滿整個容器，除

24、非等離子體受到電場與磁場的約束，被限定在局部區(qū)域。3.2.1.7等離子體種類：等離子體種類可分為二類：熱等離子體，它是電弧放電時產(chǎn)生的等離子體。冷等離子體，它是在低壓輝光放電時產(chǎn)生的等離子體。熱等離子體中，離子、電子、以及中性的氣體分子是處于局部區(qū)域熱力學平衡，而冷等離子體中，離子、電子、以及中性氣體分子是處于非平衡態(tài)。陰極弧等離子體、焊接的電弧等離子體等就是熱等離子體。3.2.2等離子體的重要參數(shù)和物理現(xiàn)象：3.2.2.1電子和離子溫度對于輝光放電等離子體，測得的電子平均能量大約為2eV, 它相應于23209K（1eV相當于11604.5K）。因為電子的熱容量太?。娮淤|(zhì)量與數(shù)量非常少），它

25、們不可能熔化真空室器壁。離子只能從外部電場獲得很少能量，它的溫度僅高于環(huán)境溫度，一般為500K，約為0.04eV。中性氣體分子的溫度為于293K環(huán)境溫度，約為1/40eV，如表3.1所示。多數(shù)工業(yè)應用中的等離子體，電子溫度主要在120eV，電子密度范圍從1012電子數(shù)/m3到1025電子數(shù)/m3。表3.1輝光放電等離子體的典型參數(shù)質(zhì)量m溫度T平均速度C中性粒子6.6x10-23g200C=293K=1/40eV4.0x104 cm/s離子6.6x10-23g500K=0.04eV5.2x104 cm/s電子9.1x10-28g23200K=2eV9.5x107cm/s應當說明的是：受控熱核聚變

26、采用的等離子體為完全電離等離子體，它的電離度接近1。在完全電離等離子體中，中性氣體分子幾乎完全被電離，也就是說極少存在中性氣體分子。在受控熱核聚變等離子體中，等離子體密度一般為1016/cm3，離子溫度可達幾個keV到10keV（相當于116045000K），這種等離子體又被稱為高溫等離子體。受控熱核聚變等離子體完全是另外一種情況，離子溫度高達上億度，離子密度有很高，它必須被約束在特殊設計的磁籠中。3.2.2.2等離子體電位由于等離子體的電中性特性，平均起來，電子密度ne等于離子密度ni，該密度被稱為等離子體密度n，ne=ni=n；它遠遠小于等離子體內(nèi)部中性粒子密度。由于電子有較高能量，較高的

27、溫度，小的質(zhì)量，電子的平均速度遠遠大于離子和中性粒子的平均速度。當待處理樣品被浸泡在等離子體中時，由于電子速度快，故器壁上先帶上負電荷，建立起負電位，最后，到達器壁上的電子通量等于離子通量，這時被稱為等離子體電位VP，有時也被稱為空間電位。如果器壁是絕緣材料，器壁上是漂浮電位Vf, Vf lD，這樣的電離氣體可被稱為電中性的等離子體。例如霓虹燈中的電離氣體是電中性的等離子體。3.2.2.5等離子體極易受電磁場的作用等離子體在外加電場的作用下，電荷分離，電子與離子作反向運動。在外加磁場的作用下，電子與離子圍繞磁力線作反向旋轉(zhuǎn)，減少了電子與離子橫越磁力線擴散運動，使電子與離子受到約束。例如在容器器

28、壁附近加上一個軸向磁場，電子首先受約束，圍繞磁力線旋轉(zhuǎn)，使離子更容易受磁力線約束，圍繞磁力線作反向旋轉(zhuǎn)，這就大大減小了電子與離子碰撞器壁的損失，使器壁附近等離子體密度大大提高，這就有效地增加了等離子體密度的均勻性。3.2.3等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）原理與設備在PACVD過程中，待處理零件作為陰極，反應沉積室器壁作為陽極，輸入沉積介質(zhì)的氣體，兩極間建立輝光放電等離子體，放電等離子體中的離子被吸引到陰極表面，并沉積在表面，形成薄膜。因為離子具有一定能量，它作為零件表面沉積薄膜時化學反應所需的能量，從而大大降低零件表面沉積薄膜所需的溫度，也明顯加快了化學反應速度。圖3.1表示了PACV

29、D裝置示意圖。輝光放電可以是直流輝光放電，也可以是射頻輝光放電。圖3.1PACVD裝置示意圖3.2.4等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）的優(yōu)缺點等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）的優(yōu)點：i沉積薄膜的溫度低。例如沉積TiC或TiN膜時，CVD過程沉積溫度90011000C，PACVD 過程沉積溫度為5000C。ii大大減少了因薄膜與襯底材料熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)應力。iii可以提高沉積速率。等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）的缺點：i在等離子體中，電子能量分布廣泛，在沉積薄膜的過程中可能產(chǎn)生多種化學反應，致使反應產(chǎn)物難以控制，所以用PACVD難以獲得很純凈的物質(zhì)。iiPACVD沉

30、積溫度低，反應過程中產(chǎn)生的其它氣體會殘留在薄膜之中。iii對于某些脆弱的襯底易造成離子轟擊傷。ivPACVD相對于CVD而言，其處理價格較高。與PACVD的優(yōu)缺點相比，PACVD的優(yōu)點是主要的，因而PACVD目前得到廣泛的應用。3.3類金剛石碳（DLC）膜類金剛石碳（DLC）膜是一種高sp3鍵含量（金剛石鍵）的非晶態(tài)碳膜，它具有許多優(yōu)良的特性，因而近幾年來它在許多工業(yè)部門得到廣泛的應用。3.3.1類金剛石碳（DLC）膜制備技術制備DLC膜的方法有許多種，如低壓電弧噴涂沉積、濺射沉積、激光燒蝕、離子束沉積、雙離子束沉積、及磁過濾陰極弧沉積、等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）等，PACVD是近

31、幾年來發(fā)展非?？?，普遍采用的方法之一。在PACVD過程中，首先對真空室（沉積反應室）抽到所需本底真空度，將甲烷、或乙炔，或氬與乙炔混合氣體輸入沉積反應室，通過燈絲熱電子發(fā)射建立真空氣體放電甲烷、或乙炔等離子體；或通過電感或電容RF輝光放電建立甲烷、或乙炔等離子體，使基體加大約-2kV偏壓，使DLC膜以大約0.1mm/h沉積速率沉積在基體表面沉積。基體材料可以采用硅片，或采用金屬。乙炔比甲烷有更低的電離能，因此乙炔比甲烷可提供更高的等離子體密度，因而乙炔比甲烷有更高的沉積速率。實驗表明：采用丁烷比乙炔或甲烷可獲得更好的DLC膜的特性。由于DLC膜與金屬的彈性模量、熱膨脹系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)差別較大，在

32、金屬表面沉積DLC膜時，需要考慮增加DLC膜與金屬基底之間的膜基結(jié)合力，也就是說需要考慮DLC膜與金屬基底之間的粘結(jié)強度。增加DLC膜與金屬基底之間膜基結(jié)合力的方法有三種：一種是使金屬加10-20kV負偏壓，用氬等離子體的氬離子轟擊金屬表面，對金屬表面進行非晶態(tài)化處理，以使基體表面適合于DLC膜沉積；二是在DLC膜沉積前，用適當能量碳注入可增強DLC膜的粘結(jié)力，那是由于基體表面形成了碳化物相，這個相對DLC膜起到固定作用，為此，在碳注入后需要低能轟擊基體表面，以去掉注入期間在表面上形成的石墨膜；第三種是較好的方法，即在DLC膜與金屬表面之間設計Ti/TiC/DLC多層結(jié)構(gòu)過渡層，其中TiC采用

33、濃度漸變的梯度結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)過渡層可獲得較厚的，膜基結(jié)合強度很大的DLC膜。3.3.2類金剛石碳（DLC）膜的種類DLC膜可分為二種：一種是含氫（含氫量可達30%到40%）的非晶態(tài)氫化碳膜，以a-C:H標記；另一種是不含氫的非晶態(tài)無氫化碳膜，以a-C標記。一般用等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD）制備的DLC膜是非晶態(tài)氫化碳膜；及磁過濾陰極弧沉積制備的DLC膜是無氫硬碳膜。3.3.3類金剛石碳（DLC）膜特性3.3.4類金剛石碳（DLC）膜的評估與檢測喇曼（Raman）光譜常用來表征金剛石和石墨碳膜的特征，同時也是分析類金剛石碳膜結(jié)構(gòu)的一種有效方法。典型的DLC膜的Raman光譜結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出

34、兩個峰，即在1550cm-1處的G峰和在1350cm-1處的D峰。如果測出的膜具有Raman光譜結(jié)構(gòu)特征，就能確定該膜具有類金剛石碳膜的特征。圖3.2為DLC/Si，DLC/Ti和石墨的喇曼（Raman）譜線，表明沉積的膜具有典型的DLC特征。圖3.2為DLC喇曼（Raman）譜3.3.5類金剛石碳（DLC）膜的應用DLC）膜的應用很廣泛，如DLC膜用在硬質(zhì)合金刀具上，用以提高硬質(zhì)合金刀具抗磨損能力；DLC膜用于揚聲器振膜上，用以提高頻響上限，降低高頻諧波失真，改善瞬態(tài)特性；DLC膜被沉積在硬盤及滑動觸頭上，用以保護硬盤及滑動觸頭，提高它們的硬度，降低它們的摩擦系數(shù)，減少它們的磨損，等等。3.

35、4等離子體、離子束及電子輔助下的催化作用在等離子體、離子束及電子束輔助下，可以明顯促進零件表面物理與化學反應的進行。下面的例子清楚地說明了這個現(xiàn)象。當SiO2暴露于XeF2氣體時，SiO2腐蝕速率非常低，在大約800s后，加上1500eV, 50mA/cm2的電子束，電子束可使XeF2氣體腐蝕SiO2表面侵（腐）蝕速率為大約200/min，這是電子束對XeF2氣體和SiO2表面化學反應的的催化作用的清楚的例子，如圖3.3所示。這種表面的催化作用也從有腐蝕氣體時，高能激光束入射表面過程中觀察到，或從等離子體輔助下觀察到。圖3.3電子束的催化作用3.5真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)（Vacuum Evapo

36、ration）鍍膜又被稱為蒸鍍，它是較早發(fā)展的一種鍍膜技術。在真空蒸發(fā)鍍膜過程中，首先在真空條件下，用蒸發(fā)加熱蒸發(fā)物質(zhì)，使之汽化，蒸發(fā)粒子流直接射向基片，并在基片上沉積形成固態(tài)薄膜。3.5.1鍍料加熱：顯然，在蒸發(fā)過程中，鍍料汽化的量（即鍍料的蒸氣壓）與鍍料受熱（溫升）有密切關系，鍍料溫升越高，鍍料汽化的量越大，膜的沉積速率越大。3.5.2真空度在真空蒸發(fā)鍍膜過程中必須在真空室內(nèi)保持一定的真空度，因為在真空系統(tǒng)內(nèi)，當氣相粒子濃度和殘余氣體的壓強足夠低時，這些粒子從蒸發(fā)源到基片之間可以保持直線飛行，粒子在輸運過程中不會與殘余分子碰撞而散射。3.5.3膜厚、膜的均勻性真空蒸發(fā)沉積在基片上不同位置的

37、膜厚、膜的均勻性與蒸發(fā)源的發(fā)射特性、蒸發(fā)源的幾何尺寸與形狀、基片的幾何形狀以及蒸發(fā)源與基片的相對幾何位置有關。3.5.4蒸發(fā)源蒸發(fā)源是用來加熱鍍料使之氣化蒸發(fā)的部件。表3.2列出了各種蒸鍍方法，其中包括了蒸發(fā)源、加熱方法、加熱溫度、沉積速率、蒸發(fā)物質(zhì)等等。3.5.5真空蒸發(fā)鍍的應用真空蒸發(fā)鍍的應用非常廣泛，它已處于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，蒸發(fā)鍍Al膜是它的最大應用領域，其塑料金屬化的份額非常大；真空蒸發(fā)鍍也廣泛用于光學膜的生產(chǎn)。表3.2蒸鍍方法加熱法蒸發(fā)源蒸發(fā)物質(zhì)膜面積最高使用溫度/K沉積速率/nms-1速率控制電阻加熱蒸發(fā)盤、絲、蒸發(fā)管、直接通電幾乎所有物質(zhì)中2000個位數(shù)容易外加熱坩堝陶瓷坩堝+加

38、熱器同上中2000二位數(shù)容易輻射加熱試樣表面、熱屏蔽坩堝（Ta,W）同上小20003000二位數(shù)難高頻加熱陶瓷坩堝金屬中2000二位數(shù)難電子束加熱水冷銅坩堝+電子槍幾乎所有物質(zhì)中3500三位數(shù)可能電子轟擊水冷銅坩堝+試樣棒金屬中2500個位數(shù)可能閃蒸法高溫蒸發(fā)盤幾乎所有物質(zhì)小中2500約100不可能通電爆線試自身為線形金屬小中3000約105不可能電弧加熱絕緣容器金屬中3000約10不可能離子束加熱電弧放電室金屬小25000.010.1可能激光加熱試樣表面幾乎所有金屬小3500約105難3.6濺射沉積鍍膜用離子轟擊靶材表面，靶材的原子從靶材表面被擊出的現(xiàn)象稱為濺射，從靶材表面濺射出的原子沉積在

39、基體表面形成薄膜稱為濺射鍍膜。離子可以是定向離子束；大多數(shù)情況，離子是氣體放電產(chǎn)生的氣體等離子體中的正離子，這些正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶體，從陰極靶體表面擊出原子或分子，被擊出的原子或分子飛向被鍍基體表面并沉積成薄膜。3.6.2濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額是指一個入射離子所擊出的靶材的原子數(shù)，又稱為濺射率或濺射系數(shù)，用e（原子/離子）表示，如方程3.7所示：濺射產(chǎn)額（e）=被濺射原子數(shù)/入射離子數(shù)(3.7)電子（因為沒由足夠大的質(zhì)量），及中性粒子（因為沒有足夠高的能量）很少能在工業(yè)應用條件下從表面濺射出原子，因此，一般我們只考慮離子入射對靶表面引起的濺射。圖3.4表示了典型的濺射產(chǎn)額-入射粒子能量

40、曲線。一般，橫坐標取作為入射粒子能量的半對數(shù)，縱坐標為濺射產(chǎn)額e。濺射產(chǎn)額曲線有下列特性：濺射能量閾值，通常在20100eV 范圍內(nèi)。當入射離子的能量小于或等于某個能量值時，不會發(fā)生濺射，e=0，此值稱為濺射能量閾值；最大值，通常在1-10keV；及下降區(qū)，從最大值到高于10keV能量的一個緩慢下降區(qū)。圖3.4濺射產(chǎn)額-入射粒子能量曲線靶材的濺射速率（R）與濺射產(chǎn)額（e）和入射離子流密度（ji）的乘積成正比，即Re x ji(3.8)實驗表明濺射產(chǎn)額e的大小與入射離子能量、轟擊離子原子序數(shù)、靶材料原子序數(shù)、離子入射角、工作氣體壓強等有關，一般情況下與靶材的溫度關系無關。3.6.3濺射原子入射離

41、子能量大約在100500eV之間，靶上濺射出來的粒子絕大部分是靶材的單原子態(tài)，離化狀態(tài)僅占1%左右。如果入射離子能量很高，會濺射出較多的復合粒子。濺射粒子的能量分布曲線符合Maxwell分布。3.6.3合金和化合物的濺射在多元合金靶面上，由于各合金元素的濺射率不同，當開始轟擊時，濺射率較高的組分優(yōu)先被濺射出，這樣表面中濺射率較低的組分含量比例增加，表面化學成分發(fā)生變化。由于濺射機制和局部加熱作用，深層原子在濃度差的勢能促使下向表面層擴散遷移，直到達到一個新的穩(wěn)定濃度分布比例為止。表面層達到穩(wěn)定狀態(tài)后，濺射膜層的組分比例與穩(wěn)定表面層的組分比例相同，而與靶材原有的整體合金組分比例有縮差異。3.6.

42、4濺射技術濺射技術的種類有很多。3.6.4.1直流二極濺射直流二極濺射是一種最簡單的濺射技術，如圖3.5所示。在真空鍍膜室中設置相距510cm的兩個平面電極，一個是陰極，裝有1030cm的靶材，陰極需附有加熱功能，并需有冷卻結(jié)構(gòu)；另一個為陽極，它放置被鍍基體，通常它和真空室相連，并接地。真空鍍膜室中建立氬等離子體，在負偏壓的作用下，氬離子轟擊靶陰極，靶原子從靶陰極表面濺射出來，飛向陽極，沉積在基體表面，形成薄膜。 圖3.5直流二極濺射裝置示意圖3.6.4.2三極濺射為了進一步提高氬等離子體密度，對二極濺射裝置進行了改進，研制成功了三極濺射裝置，如圖3.6所示，它是在二極濺射裝置中引入熱燈絲陰極

43、和與之相對的陽極。熱燈絲陰極也和真空室相連，接地（電位為零），輔助陽極為+50100V。熱燈絲陰極發(fā)射的電子在向陽極運動的過程被電場加速，獲得足夠的能量，它們在與氬原子碰撞時，使氬原子電離，建立非自持的熱陰極弧光放電，在兩極間產(chǎn)生氬等離子體。靶體陰極相對于等離子體保持高的負電位，使氬等離子體中的氬離子具有足夠的能量轟擊靶體進行濺射，基體與熱燈絲陰極均處與同電位，相對于輔助陽極均為負電位，因此熱燈絲陰極發(fā)射的電子不會流向基體。圖3.6三極濺射裝置示意圖三極濺射的電流密度比二極濺射高很多，因此三極濺射的鍍膜速率可達二極濺射的兩倍，但是由于熱絲電子發(fā)射，三極濺射難以獲得大面積均勻等離子體，它不適于鍍

44、制大工件。表3.3列出了濺射與蒸發(fā)方法的原理及特性比較表3.3濺射與蒸發(fā)方法的原理及特性比較濺射法蒸發(fā)法沉積氣相的產(chǎn)生1 離子轟擊和碰撞動量轉(zhuǎn)移機制2 較高的濺射原子能量（230eV）3 稍低的濺射速率4 濺射原子運動具方向性5 可保證合金成分，但有的化合物有分解傾向6 靶材純度隨材料種類而變化1 原子的熱蒸發(fā)機制2 低的原子動能（溫度1200K時約為0.1eV）3 較高的蒸發(fā)速率4 蒸發(fā)原子運動具方向性5 發(fā)時會發(fā)生元素貧化或富集，化合物有分解傾向6 蒸發(fā)源純度較高氣相過程1 工作壓力稍高2 原子的平均自由程小于靶與襯底間距，原子沉積前要經(jīng)過多次碰撞1 高真空環(huán)境2 蒸發(fā)原子不經(jīng)碰撞直接在襯

45、底上沉積薄膜沉積過程1 沉積原子具有較高能量2 沉積過程會引入部分氣體雜質(zhì)3 薄膜附著力較高4 多晶取向傾向大1 沉積原子能量較低2 氣體雜質(zhì)含量低3 晶粒尺寸大于濺射沉積的薄膜4 有利于形成薄膜取向3.6.4.3射頻濺射在二極濺射裝置中，作為靶體材料的陰極必須是導電材料，如果陰極是絕緣材料，則正離子轟擊靶材陰極時，電荷就會聚集起來，電極的電位會升高，最后正離子不能到達靶面，無法進行濺射，所以對絕緣材料必需采用射頻濺射。直流濺射要求靶材是導電材料，它可濺射各類合金薄膜。射頻濺射適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。射頻濺射裝置如圖3.7所示，其原理可作如下描述。在兩個電極之間接上50H

46、z交流電，氣體放電情況與直流電時沒有根本的改變，差別只是在交流的每半個周期后陰極和陽極的電位相互調(diào)換，電位極性的不斷變化導致陰極濺射交替式地在兩個電極上發(fā)生。當頻率超過50Hz后，放電過程開始出現(xiàn)以下兩個變化：第一，在兩極之間等離子體中不斷振蕩運動的電子將從高頻電場中獲得足夠的能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使氣體分子發(fā)生電離；由電極過程產(chǎn)生的二次電子對于維持放電過程的相對重要性下降。因此射頻濺射可在1Pa左右的低氣壓下進行，沉積速率也因氣體分子散射少而較二極濺射時高。第二，高頻電場可以由其它阻抗形式耦合進沉積室，而不必要求電極是導體。射頻濺射的頻率一般在530MHz，我國定為13.56

47、MHz射頻方法被使用的另一個原因是它可在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應，即在射頻電場起作用的同時，靶材會自動地處于一個負電位下，這導致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。我們可將靶電極和地電極以及其間的等離子體看做是組成了兩個串聯(lián)的電容。其中靶電極與等離子體間的電容因靶電極面積很小而很小，地電極與等離子體間的電容因地電極面積很大而很大，這就是說，電極表面建立起來的鞘層位降V將與電極面積A的二次方成反比，即(3.9)Vc，Ac分別是靶電極鞘層位降和面積，靶電極鞘層位降Vc很大，靶電極面積Ac很?。籚d，Ad分別是地電極鞘層位降和面積，地電極鞘層位降Vd很小，地電極面積Ad很大。這樣大大增加了正離子轟擊靶電極

48、的能量，增加了靶的濺射速率，也就是說增加了襯底（基體）上的薄膜沉積速率。這樣也大大減弱了正離子轟擊襯底（基體）的能量；同時基體電極是導電的，面積也大，使轟擊基體的正離子能量進一步減弱，因而襯底（基體）的逆濺射大大減弱。與直流濺射相比，射頻濺射法可將能量直接耦合給等離子體的電子，因而工作氣壓和對應的靶電壓較低，典型數(shù)值為工作氣壓1.0Pa，濺射電壓1000V，靶電流密度1.0mA/cm2，薄膜沉積速率0.5mm/min。射頻濺射的優(yōu)點是：濺射速率比二極濺射高；可濺射金屬及絕緣材料。射頻濺射的缺點是：濺射電源功率不能很大；濺射電源昂貴；濺射輻射泄漏對人體有危害。3.6.4.4磁控濺射為了進一步提高

49、二極濺射的濺射速率，減弱二次電子轟擊基體引起基體發(fā)熱的不利影響，發(fā)展了磁控濺射技術，即在二極濺射的靶極上，有規(guī)律地放置一些永久磁體，構(gòu)成如圖3.8所示的磁場圖形，在兩極之間的電子e在電場E作用下被加速，在飛向基體的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出氬離子，氬離子在電場E作用下被加速，飛向靶極，并轟擊靶表面，使靶材產(chǎn)生濺射。濺射出來的中性靶原子（或分子）沉積在基體邊面上，形成薄膜，同時靶材表面也濺射出來二次電子e1，二次電子e1在靶陰極暗區(qū)被加速，在飛向基體過程中，受到靶極附近區(qū)域磁場B的洛侖茨力的約束作用，在靶表面附近圍繞磁力線作回旋運動，使其行程大大增加，因而大大增加了與氬原子的碰撞幾率，使產(chǎn)生

50、的氬離子數(shù)量大大增加，從而使靶材表面的濺射速率大大增加，使基體表面薄膜沉積速率大大增加，這就是磁控濺射的工作原理。圖3.8磁控濺射工作原理磁控濺射屬于高速低溫濺射技術，其工作氣壓為0.1Pa，濺射電壓為幾百伏，靶電流密度可達幾十毫安，沉積速率達幾百2000nm/min。和其它濺射技術相比，磁控濺射優(yōu)點：靶電流密度最大，沉積速率最大；對基片轟擊小，溫升小；濺射功率效率高。但是磁控濺射的靶極必須水冷。由于靶極結(jié)構(gòu)不同，磁控濺射可分為幾種：平面磁控濺射，圓柱磁控濺射，S-槍濺射靶磁控濺射等。圖3.9表示了平面磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)，圖3.10表示了圓柱磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)。 圖3.9平面磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)圖3.

51、10圓柱磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)1水嘴座，2螺母，3墊片，4密封圈，5法蘭，6密封圈，7絕緣套，8螺母9密封圈，10屏蔽罩，11密封圈，12陰極靶，13永磁體，14墊片，15管，16支撐，17螺母，18密封圈，19螺帽3.6.4.5非平衡磁控濺射在利用磁控濺射技術解決化合物和介質(zhì)膜成膜速率和控制膜層組分和結(jié)構(gòu)時，常利用有適當能量的高密度離子流去轟擊基片，即直接干預膜層沉積，因而提出了非平衡磁控濺射。在非平衡磁控濺射系統(tǒng)中，約束磁場所控制的等離子體區(qū)不僅僅局限在靶面附近，要增大雜散磁場，把等離子體范圍擴展到基片，形成大量離子轟擊，直接干預基片表面濺射成膜過程，改善膜的性能。普通磁控濺射陰極的磁場集中在靶

52、面附近，而非平衡磁控濺射陰極的磁場大量向靶外散發(fā)(圖3-11 )；普通磁控濺射陰極的磁場將等離子體緊密地約束在靶面附近，而基片附近等離子體很弱，基片不會受到離子和電子較強的轟擊。而非平衡磁控濺射陰極的磁場可將等離子體擴展到遠離靶面處，使基片浸沒在其中，可使適當能量的高密度離子流轟擊基片，直接干預膜層沉積。圖3.11表示了非平衡磁控濺射的磁場特點。圖3.11非平衡磁控濺射的磁場特點為了進一步提高離子的轟擊效果，還可在襯底上加各種偏壓，襯底加負偏壓的方法又被稱為磁控濺射離子鍍。3.6.4.6反應磁控濺射化合物薄膜約占全部薄膜材料的70%，在薄膜制備中化合物薄膜制備占有非常重要的地位。在制備化合物薄

53、膜時，可直接使用化合物作為濺射的靶材，但有時沉積的薄膜往往在化學成分上與靶材有很大的差別，原因是相應元素的分壓低于化合物形成所需要的平衡壓力。解決這問題的方法可采用反應磁控濺射。反應磁控濺射技術被用于制備化合物薄膜，在反應磁控濺射過程中，在濺射金屬或合金靶的同時送入反應氣體與之反應來制備既定化學配比的化合物薄膜。在反應磁控濺射中，可采用純金屬作為濺射靶材，在工作氣體Ar中混入適量的活性氣體如O2、N2、NH3、CH4、H2S等，使金屬原子與活性氣體在濺射沉積的同時生成所需的化合物。用這種方法可制備Al2O3、SiO2等，及碳化物SiC、WC、TiC等，氮化物TiN、AlN、Si3N4等，硫化物

54、CdS、ZnS、CuS等，碳氮化物Ti(C,N)等。反應磁控濺射可以是直流反應磁控濺射，也可以是射頻反應磁控濺射。通過控制反應磁控濺射過程中活性氣體的壓力，得到的可以是合金固溶體，也可以是化合物，甚至可以是上述兩相的混合物。如N2的氣氛中濺射沉積Ti時，薄膜中可能出現(xiàn)的相包括Ti、Ti2N、TiN及它們的混合物，提高活性氣體N2的分壓，將有助于含氮量較高的化合物形成。隨著活性氣體壓力的增加，靶表面也可能形成一層相應的化合物，并使濺射和薄膜沉積速率的降低。這時，靶上活性氣體的吸附速率逐漸大于其濺射速率，入射離子不是在對金屬靶材進行濺射，而是在濺射不斷形成的表層化合物。因此，反應濺射過程中會出現(xiàn)兩種不同的模式，即濺射速率相對較高的金屬模式和濺射速率相對較低的化合物模式。靶材形成化合物層造成濺射模式發(fā)生上述變化的現(xiàn)象被稱為靶材中毒。這時，當活性氣體流量降低到更低的水平時，濺射和薄膜沉積速率才會提高到原來的水平。靶材中毒不僅降低了薄膜的沉積速率，也對濺射工藝的控制提出了更嚴格的要求。為了避免靶材中毒可采取下列措施：i.反應氣體的輸入位置應遠離靶材而靠近襯底，提高活性氣