薄膜制備技術(shù)PVD

1、物理制備方法物理制備方法第十四章第十四章. 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)14.1 薄膜材料基礎(chǔ)薄膜材料基礎(chǔ)14.1.1 薄膜的概念與分類薄膜的概念與分類 1. 薄膜材料的概念薄膜材料的概念 采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料料) )的基團(tuán)以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底的基團(tuán)以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。 簡(jiǎn)而言之，薄膜是由離子、原子或分子的沉積過(guò)程形成的簡(jiǎn)而言之，薄膜是由離子、原子或分子的沉積過(guò)程形成的二維材料。二維

2、材料。2. 2. 薄膜分類薄膜分類 固態(tài)液態(tài)氣態(tài)（1 1）物態(tài)）物態(tài)（2 2）結(jié)晶態(tài)：）結(jié)晶態(tài)： 合體組成由許多取向相異單晶集多晶：在襯底上生長(zhǎng)，質(zhì)外延在單晶基底上同質(zhì)和異單晶：外延生長(zhǎng)晶態(tài)長(zhǎng)程無(wú)序有序非晶態(tài)：原子排列短程、。、（3 3）化學(xué)角度）化學(xué)角度 無(wú)無(wú)機(jī)機(jī)薄薄膜膜有有機(jī)機(jī)薄薄膜膜（4 4）組成）組成 非非金金屬屬薄薄膜膜金金屬屬薄薄膜膜（5 5）物性）物性 光光學(xué)學(xué)薄薄膜膜磁磁阻阻薄薄膜膜介介電電薄薄膜膜超超導(dǎo)導(dǎo)薄薄膜膜半半導(dǎo)導(dǎo)體體薄薄膜膜金金屬屬導(dǎo)導(dǎo)電電薄薄膜膜熱熱學(xué)學(xué)薄薄膜膜聲聲學(xué)學(xué)薄薄膜膜硬硬質(zhì)質(zhì)薄薄膜膜厚度厚度：決定薄膜性能、質(zhì)量：決定薄膜性能、質(zhì)量 通常，膜厚通常，膜厚 1

3、0cm10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。的寬束離子源用于濺射鍍膜。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：轟擊離子的能量和轟擊離子的能量和束流密度獨(dú)立可控，束流密度獨(dú)立可控，基片不直接接觸等基片不直接接觸等離子體，有利于控離子體，有利于控制膜層質(zhì)量。制膜層質(zhì)量。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難4. 濺射鍍膜的用途濺射鍍膜的用途光光聲聲磁磁電電物物理理功功能能膜膜抗抗蝕蝕耐耐熱熱耐耐磨磨、減減磨磨表表面面強(qiáng)強(qiáng)化化、固固體體潤(rùn)潤(rùn)滑滑機(jī)機(jī)械械功功能能膜膜q采用采用CrCr、Cr-CrNCr-CrN等合金靶，在等合金靶，在N N2 2、CHCH4 4等氣氛中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜

4、，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CrCr（425-840HV425-840HV）、）、CrCCrC、CrNCrN（1000-3500HV1000-3500HV），），可代替電鍍可代替電鍍CrCr。q用用TiCTiC、TiNTiN等超硬鍍層涂覆刀具、模具等表面，摩擦系數(shù)小、化學(xué)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，具優(yōu)良的耐磨、耐熱、抗氧化、抗沖蝕，在提高其工件穩(wěn)定性好，具優(yōu)良的耐磨、耐熱、抗氧化、抗沖蝕，在提高其工件特性的同時(shí)，大幅度提高壽命，一般可達(dá)特性的同時(shí)，大幅度提高壽命，一般可達(dá)3-103-10倍。倍。q用用TiCTiC、TiNTiN

5、，AlAl2 2O O3 3具有良好的耐蝕性。具有良好的耐蝕性。q可制取優(yōu)異的固體潤(rùn)滑膜可制取優(yōu)異的固體潤(rùn)滑膜MoSMoS2 2. .q可制備聚四氟乙烯膜?？芍苽渚鬯姆蚁┠ぁ?4.2.4 14.2.4 離子成膜離子成膜1. 離子鍍及其原理：離子鍍及其原理： 真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時(shí)，采用帶，在鍍膜的同時(shí)，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行的鍍膜技術(shù)。行的鍍膜技術(shù)。 即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料蒸發(fā)，即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料蒸發(fā)，一部分

6、物質(zhì)被離化，在電場(chǎng)作用下轟擊襯底表面（清洗襯一部分物質(zhì)被離化，在電場(chǎng)作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。膜。 離子鍍的優(yōu)點(diǎn)離子鍍的優(yōu)點(diǎn)1、入射離子能量高，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，膜層致密，耐久性好，膜層硬度高，耐磨性好，耐蝕性好；2、與其他表面處理工藝結(jié)合使用效果更佳3、可鍍基材廣泛，可同時(shí)在不同金屬材料的表面成膜，膜層的顏色均勻一致，成膜溫度低而熱穩(wěn)定好；4、膜層隱蔽性好5、鍍膜過(guò)程無(wú)環(huán)境污染 真空度真空度 放電氣體種類與壓強(qiáng)放電氣體種類與壓強(qiáng) 蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大小蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大

7、小 襯底負(fù)偏壓與離子電流襯底負(fù)偏壓與離子電流 襯底溫度襯底溫度 襯底與蒸發(fā)源的相對(duì)距離。襯底與蒸發(fā)源的相對(duì)距離。 主要影響因素：主要影響因素： 真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的沉積粒子所帶的能量不同?；系某练e粒子所帶的能量不同。真空蒸鍍：熱蒸鍍?cè)蛹s真空蒸鍍：熱蒸鍍?cè)蛹s0.2 eV濺射：濺射原子約濺射：濺射原子約1-50 eV離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV離子鍍的目的離子鍍的目的：提高膜層與基片之間的結(jié)合強(qiáng)度。離子轟擊可消除污染、提高膜層與基片之間的結(jié)合強(qiáng)度。離子轟擊可消除污染、還能形成

8、共混過(guò)渡層、實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。還能形成共混過(guò)渡層、實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。 例如，蒸鍍時(shí)在基片上加上負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，例如，蒸鍍時(shí)在基片上加上負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，數(shù)百數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見(jiàn)下圖。能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見(jiàn)下圖。2 2 離子鍍的類型和特點(diǎn)離子鍍的類型和特點(diǎn) 離子鍍?cè)O(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊離子鍍?cè)O(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過(guò)程，離子鍍?cè)O(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、過(guò)程，離子鍍?cè)O(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、

9、放置工件的陰極等部分組成。放置工件的陰極等部分組成。（1） 空心陰極離子鍍（空心陰極離子鍍（HCD）國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的設(shè)備類型如下國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的設(shè)備類型如下HCD法利用空心熱陰極的弧光法利用空心熱陰極的弧光放電產(chǎn)生等離子體（空心鉭管為放電產(chǎn)生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽(yáng)極）陰極，輔助陽(yáng)極）鍍料是陽(yáng)極鍍料是陽(yáng)極弧光放電時(shí)，電子轟擊陽(yáng)極鍍料，弧光放電時(shí)，電子轟擊陽(yáng)極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍蒸鍍時(shí)基片上加負(fù)偏壓即可從等蒸鍍時(shí)基片上加負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引離子體中吸引Ar離子向基片轟擊，離子向基片轟擊，實(shí)現(xiàn)離子鍍實(shí)現(xiàn)離子鍍（2）多弧離子鍍）多弧離子鍍?cè)?理理： 多弧離子鍍是采用多弧

10、離子鍍是采用電弧放電電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，裝置無(wú)需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃直接蒸發(fā)金屬，裝置無(wú)需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃依靠引弧陽(yáng)極與陰極的觸發(fā)，依靠引弧陽(yáng)極與陰極的觸發(fā)，弧光放電弧光放電僅僅在靶材表面的一僅僅在靶材表面的一個(gè)或幾個(gè)密集的個(gè)或幾個(gè)密集的弧斑弧斑處進(jìn)行。處進(jìn)行?；“咧睆叫∮诨“咧睆叫∮?00um。弧斑電流密度弧斑電流密度105-107A/cm2溫度溫度8000-40000K弧斑噴出的物質(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大弧斑噴出的物質(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子。部分為離子。特特 點(diǎn)點(diǎn)：直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡(jiǎn)化。可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡(jiǎn)化。（3）離子束輔助沉積）離子束輔助沉積低能的離子束低能的離子束1 1用于轟擊靶用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉