1、會(huì)計(jì)學(xué)1物理氣相沉積物理氣相沉積第1頁/共73頁第2頁/共73頁第3頁/共73頁第4頁/共73頁第5頁/共73頁第6頁/共73頁第7頁/共73頁第8頁/共73頁第9頁/共73頁氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù):發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛 表面成膜技術(shù)表面成膜技術(shù)application 制備各種特殊力學(xué)性能制備各種特殊力學(xué)性能的薄膜涂層，的薄膜涂層， 如超硬、高耐蝕、耐熱和抗氧化等。如超硬、高耐蝕、耐熱和抗氧化等。 制備各種功能薄膜材料和裝飾薄膜涂層等。制備各種功能薄膜材料和裝飾薄膜涂層等。第10頁/共73頁超硬薄膜涂層等。超硬薄膜涂層等。第11頁/共73頁since 1970s薄膜技術(shù)和薄膜

2、材料薄膜技術(shù)和薄膜材料發(fā)展突飛猛進(jìn)發(fā)展突飛猛進(jìn)成果累累成果累累當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域微電子工業(yè)乃至信息工業(yè)的基礎(chǔ)工藝微電子工業(yè)乃至信息工業(yè)的基礎(chǔ)工藝:氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)+微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)（光刻腐蝕、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子注入和（光刻腐蝕、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子注入和離子束混合改性等在內(nèi)的微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域）離子束混合改性等在內(nèi)的微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域）第12頁/共73頁可沉積的物質(zhì)：可沉積的物質(zhì)：金屬膜、合金膜，化合物、非金屬、半導(dǎo)體、金屬膜、合金膜，化合物、非金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、塑料膜等。陶瓷、塑料膜等。沉積薄膜物質(zhì)

3、無限制沉積薄膜物質(zhì)無限制基體無限制基體無限制 第13頁/共73頁application1.大量用于電子器件和大規(guī)模集成電路制作大量用于電子器件和大規(guī)模集成電路制作2.制取磁性膜及磁記錄介質(zhì)、絕緣膜、電介質(zhì)膜、制取磁性膜及磁記錄介質(zhì)、絕緣膜、電介質(zhì)膜、壓電膜、光學(xué)膜、光導(dǎo)膜、超導(dǎo)膜、傳感器膜和壓電膜、光學(xué)膜、光導(dǎo)膜、超導(dǎo)膜、傳感器膜和耐磨、耐蝕、自潤(rùn)滑膜、裝飾膜以及各種特殊需耐磨、耐蝕、自潤(rùn)滑膜、裝飾膜以及各種特殊需要的功能膜等要的功能膜等在促進(jìn)電子電路小型化、功能高度集成化方面發(fā)在促進(jìn)電子電路小型化、功能高度集成化方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。揮著關(guān)鍵的作用。第14頁/共73頁薄膜技術(shù)：薄膜技術(shù)： 1

4、.薄膜材料與制備技術(shù)薄膜材料與制備技術(shù) 2.薄膜沉積過程監(jiān)測(cè)控制技術(shù)薄膜沉積過程監(jiān)測(cè)控制技術(shù) 3.薄膜檢測(cè)技術(shù)與薄膜應(yīng)用技術(shù)薄膜檢測(cè)技術(shù)與薄膜應(yīng)用技術(shù) 薄膜產(chǎn)業(yè)薄膜產(chǎn)業(yè)門類齊全。門類齊全。第15頁/共73頁8.1 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD） 物理氣相沉積物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱PVD法），法），是利用熱蒸發(fā)、輝光放電或弧光放電等物理過程，是利用熱蒸發(fā)、輝光放電或弧光放電等物理過程，在基材表面沉積所需涂層的技術(shù)。在基材表面沉積所需涂層的技術(shù)。包括包括:真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)鍍膜鍍膜濺射濺射鍍膜鍍膜離子離子鍍膜鍍膜物理氣相沉積物理氣相沉積第1

5、6頁/共73頁P(yáng)VD 設(shè)備設(shè)備 第17頁/共73頁與其他鍍膜或表面處理方法相比，物理氣相沉積與其他鍍膜或表面處理方法相比，物理氣相沉積具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)：（1）鍍層材料廣泛，可鍍各種金屬、合金、氧化）鍍層材料廣泛，可鍍各種金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物等化合物鍍層，也能鍍制金屬、物、氮化物、碳化物等化合物鍍層，也能鍍制金屬、化合物的多層或復(fù)合層；化合物的多層或復(fù)合層；（2）鍍層附著力強(qiáng)；工藝溫度低，工件一般無受熱）鍍層附著力強(qiáng)；工藝溫度低，工件一般無受熱變形或材料變質(zhì)等問題，如用離子鍍得到變形或材料變質(zhì)等問題，如用離子鍍得到TiN等硬質(zhì)等硬質(zhì)鍍層，其工件溫度可保持在鍍層，其工件溫度

6、可保持在550以下，這比化學(xué)以下，這比化學(xué)氣相沉積法制備同樣的鍍層所需的氣相沉積法制備同樣的鍍層所需的1000要低得要低得多；多；鍍層純度高、組織致密；工藝過程主要由電參數(shù)鍍層純度高、組織致密；工藝過程主要由電參數(shù)控制，易于控制、調(diào)節(jié)；對(duì)環(huán)境無污染?？刂?，易于控制、調(diào)節(jié)；對(duì)環(huán)境無污染。第18頁/共73頁雖然存在設(shè)備較復(fù)雜、一次投資較大等缺陷，雖然存在設(shè)備較復(fù)雜、一次投資較大等缺陷，但由于以上特點(diǎn)，但由于以上特點(diǎn)，物理氣相沉積技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。物理氣相沉積技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。第19頁/共73頁8.1.1物理氣相沉積的基本過程物理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

7、類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；另一類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；另一類是用具有一定能量的離子轟擊靶材（鍍料），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，稱為濺射鍍膜。從靶材上擊出鍍料原子，稱為濺射鍍膜。（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，這主要是為氣相物質(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。了避免氣體碰撞妨礙氣相鍍料到達(dá)基片。（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。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、根據(jù)凝聚條件的不

8、同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜。多晶膜或單晶膜。第20頁/共73頁蒸鍍和濺射蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本鍍膜技術(shù)。是物理氣相沉積的兩類基本鍍膜技術(shù)。以此為基礎(chǔ)，又衍生出以此為基礎(chǔ)，又衍生出反應(yīng)鍍和離子鍍反應(yīng)鍍和離子鍍。其中反。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；而離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較大，和濺射的一種應(yīng)用；而離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列為另一類鍍膜技術(shù)。所以通常將其與蒸鍍和濺射并列為另一類鍍膜技術(shù)。第21頁/共73頁反應(yīng)鍍反應(yīng)鍍鍍料原子在沉積時(shí)，可與其它活性氣體鍍料原子在沉積時(shí)，可與其它活

9、性氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化合物膜，稱為分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化合物膜，稱為反應(yīng)鍍反應(yīng)鍍。離子鍍離子鍍?cè)阱兞显幽鄢赡さ倪^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。第22頁/共73頁8.1.2 蒸發(fā)鍍膜蒸發(fā)鍍膜 蒸發(fā)鍍是蒸發(fā)鍍是PVD方法中最早用于工業(yè)生產(chǎn)的一種，方法中最早用于工業(yè)生產(chǎn)的一種，該方法工藝成熟，設(shè)備較完善，低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)該方法工藝成熟，設(shè)備較完善，低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)效果高，可用于制備介質(zhì)膜、電阻、電容等，也效

10、果高，可用于制備介質(zhì)膜、電阻、電容等，也可以在塑料薄膜和紙張上連續(xù)蒸鍍鋁膜。可以在塑料薄膜和紙張上連續(xù)蒸鍍鋁膜。 定義：定義：在真空條件下，用加熱蒸發(fā)的方法使鍍?cè)谡婵諚l件下，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為料轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法稱為蒸發(fā)鍍膜，簡(jiǎn)稱蒸鍍。蒸發(fā)鍍膜，簡(jiǎn)稱蒸鍍。 第23頁/共73頁一、蒸發(fā)原理一、蒸發(fā)原理 在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉(zhuǎn)化為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)鍍膜氣相，然后凝聚在基體表面的方法稱蒸發(fā)鍍膜（簡(jiǎn)稱蒸鍍）。（簡(jiǎn)稱蒸鍍）。蒸發(fā)鍍膜過程是由蒸發(fā)鍍膜過程是由鍍材物質(zhì)蒸發(fā)、蒸發(fā)材

11、料粒子的鍍材物質(zhì)蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和蒸發(fā)材料粒子在基板表面沉積遷移和蒸發(fā)材料粒子在基板表面沉積三個(gè)過程組成。三個(gè)過程組成。 第24頁/共73頁第25頁/共73頁蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離子鍍膜相比有如下優(yōu)缺點(diǎn)：子鍍膜相比有如下優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、工藝容易掌握、可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、工藝容易掌握、可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，鍍膜的形成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，多數(shù)物質(zhì)均可采用真空鍍膜的形成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，多數(shù)物質(zhì)均可采用真空蒸發(fā)鍍膜；蒸發(fā)鍍膜；但鍍層與基片的結(jié)合力差，高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣但鍍層與基片的結(jié)合力差，高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的鍍膜很

12、難制作，如鉑、鋁等金屬，蒸發(fā)壓物質(zhì)的鍍膜很難制作，如鉑、鋁等金屬，蒸發(fā)物質(zhì)所用坩堝材料也會(huì)蒸發(fā)，混入鍍膜之中成為物質(zhì)所用坩堝材料也會(huì)蒸發(fā)，混入鍍膜之中成為雜質(zhì)。雜質(zhì)。第26頁/共73頁二、蒸發(fā)方法二、蒸發(fā)方法 蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱為蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱為蒸發(fā)源，也稱加熱器。蒸發(fā)源，也稱加熱器。 蒸鍍方法主要有下列幾種：蒸鍍方法主要有下列幾種：1.電阻加熱法：讓大電流通過蒸發(fā)源，加熱待鍍材電阻加熱法：讓大電流通過蒸發(fā)源，加熱待鍍材料，使其蒸發(fā)的簡(jiǎn)單易行的方法。料，使其蒸發(fā)的簡(jiǎn)單易行的方法。第27頁/共73頁對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點(diǎn)，低蒸氣對(duì)蒸發(fā)源材

13、料的基本要求是：高熔點(diǎn)，低蒸氣壓，在蒸發(fā)溫度下不會(huì)與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或壓，在蒸發(fā)溫度下不會(huì)與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆互溶，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等性質(zhì)。常用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬材料。性小等性質(zhì)。常用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬材料。按照蒸發(fā)材料的不同，可制成絲狀、帶狀和板狀等。按照蒸發(fā)材料的不同，可制成絲狀、帶狀和板狀等。 第28頁/共73頁電阻加熱蒸發(fā)源電阻加熱蒸發(fā)源 第29頁/共73頁2. 電子束加熱：即用高能電子束直接轟擊蒸發(fā)電子束加熱：即用高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。 由于是直接在蒸發(fā)物質(zhì)中加熱，避免了

14、蒸由于是直接在蒸發(fā)物質(zhì)中加熱，避免了蒸發(fā)物質(zhì)與容器的反應(yīng)和蒸發(fā)源材料的蒸發(fā)，故發(fā)物質(zhì)與容器的反應(yīng)和蒸發(fā)源材料的蒸發(fā)，故可制備高純度的膜層。一般用于電子原件和半可制備高純度的膜層。一般用于電子原件和半導(dǎo)體用的鋁和鋁合金，此外，用電子束加熱也導(dǎo)體用的鋁和鋁合金，此外，用電子束加熱也可以使高熔點(diǎn)金屬（如可以使高熔點(diǎn)金屬（如W，Mo，Ta等）熔化、等）熔化、蒸發(fā)。蒸發(fā)。第30頁/共73頁高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源蒸發(fā)源 3.高頻感應(yīng)加熱：在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍的材料高頻感應(yīng)加熱：在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍的材料置于坩鍋中，通過高頻交流電使材料感應(yīng)加熱而蒸發(fā)。置于

15、坩鍋中，通過高頻交流電使材料感應(yīng)加熱而蒸發(fā)。 此法主要用于鋁的大量蒸發(fā)，得到的膜層純凈而且不受帶電粒子的損害。此法主要用于鋁的大量蒸發(fā)，得到的膜層純凈而且不受帶電粒子的損害。 第31頁/共73頁8.1.3 濺射鍍膜濺射鍍膜 在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在工件表面沉積的過程。工件表面沉積的過程。 在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子，

16、這種濺射稱為子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射離子濺射。用離子束。用離子束轟擊靶而發(fā)生的濺射，則稱為轟擊靶而發(fā)生的濺射，則稱為離子束濺射離子束濺射。第32頁/共73頁第33頁/共73頁 一、濺射鍍膜方法一、濺射鍍膜方法 （1）直流二極濺射）直流二極濺射 二極濺射是最早采用的一種濺射方法。二極濺射是最早采用的一種濺射方法。 以鍍膜材料為陰極，而被鍍膜材料為陽極。陰極以鍍膜材料為陰極，而被鍍膜材料為陽極。陰極上接上接13kV的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。工作時(shí)的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。工作時(shí)先抽真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。先抽真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。接通電源，陰極靶上的

17、負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光接通電源，陰極靶上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陰極電位降作用下，加速轟擊陰極在陰極附近的陰極電位降作用下，加速轟擊陰極靶、使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積靶、使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。在基片表面，形成靶材料的薄膜。第34頁/共73頁靶材靶材基材基材陽極陽極陰極陰極輝光放電產(chǎn)生離子輝光放電產(chǎn)生離子濺射氣體濺射氣體Ar直流二極濺射直流二極濺射第35頁/共73頁這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控

18、制方便。缺點(diǎn)有：缺點(diǎn)有：因工作壓力較高因工作壓力較高, 膜層有沾污；沉積速率低，膜層有沾污；沉積速率低，不能鍍不能鍍10m以上的膜厚；由于大量二次電子以上的膜厚；由于大量二次電子直接轟擊基片使基片溫升過高。直接轟擊基片使基片溫升過高。第36頁/共73頁（2）三極濺射）三極濺射 三極濺射是在二極濺射三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個(gè)的裝置上附加一個(gè)電極電極熱陰極，發(fā)熱陰極，發(fā)射熱電子，熱電子射熱電子，熱電子在電場(chǎng)吸引下穿過在電場(chǎng)吸引下穿過靶與基極間的等離靶與基極間的等離子體區(qū)，使熱電子子體區(qū)，使熱電子強(qiáng)化放電，它既能強(qiáng)化放電，它既能使濺射速率有所提使濺射速率有所提高，又能使濺射工高，又能使濺射

19、工況的控制更為方便況的控制更為方便。這樣，濺射速率。這樣，濺射速率提高，由于沉積真提高，由于沉積真空度提高，鍍層質(zhì)空度提高，鍍層質(zhì)量得到改善。量得到改善。第37頁/共73頁（3）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)展起來的新型濺射技術(shù)。年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術(shù)。 其特點(diǎn)是在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，其特點(diǎn)是在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在電磁場(chǎng)作用下，被壓縮在近靶面的二次電子在電磁場(chǎng)作用下，被壓縮在近靶面作回旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了到達(dá)陽極的路程，大大提作回旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了到達(dá)陽極的路程，大

20、大提高了與氣體原子的碰撞概率，因而提高濺射率。高了與氣體原子的碰撞概率，因而提高濺射率。磁控濺射目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。這是由于磁控濺射磁控濺射目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。這是由于磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。具有沉積速的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。具有沉積速率、基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小等優(yōu)點(diǎn)。率、基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小等優(yōu)點(diǎn)。1974年年Chapin發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射發(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。靶，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動(dòng)作用。第38頁/共73頁第39頁/共73頁（4）反應(yīng)濺射）反應(yīng)濺射 在陰極

21、濺射中，真空槽中需要充入氣體作為媒在陰極濺射中，真空槽中需要充入氣體作為媒 介，使輝光放電得以啟動(dòng)和維持。介，使輝光放電得以啟動(dòng)和維持。 最常用的氣體是氬氣。如果在通入的氣體中摻入最常用的氣體是氬氣。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體（如易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體（如O2，N2等），因而等），因而能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。物等化合物薄膜）。 其實(shí)際裝置，除為了混合氣體需設(shè)置兩個(gè)氣體引其實(shí)際裝置，除為了混合氣體需設(shè)置兩個(gè)氣體引入口以及將基片加熱到入口以及將基片加熱到500以外，與兩極濺射和以外，與兩極濺射和射頻

22、濺射無多大差別。射頻濺射無多大差別。 濺射是物理氣相沉積技術(shù)中最容易控制合金成分濺射是物理氣相沉積技術(shù)中最容易控制合金成分的方法。的方法。第40頁/共73頁二、濺射鍍膜的特點(diǎn)二、濺射鍍膜的特點(diǎn)與真空蒸鍍法相比，有如下特點(diǎn)：與真空蒸鍍法相比，有如下特點(diǎn)：結(jié)合力高；結(jié)合力高；容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；可以在較大面積上得到均一的薄膜；可以在較大面積上得到均一的薄膜；容易控制膜的組成；容易控制膜的組成；可以長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；可以長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；有良好的再現(xiàn)性；有良好的再現(xiàn)性；幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。 第41頁/共73頁三、濺射的用途三、濺射的用途 濺

23、射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為機(jī)械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。功能膜和物理功能膜兩大類。前者包括耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等表面強(qiáng)化薄膜前者包括耐摩、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；材料、固體潤(rùn)滑薄膜材料；后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。 第42頁/共73頁 采用采用Cr，Cr-CrN等合金等合金靶或鑲嵌靶，在靶或鑲嵌靶，在N2, CH4等氣氛中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍等氣氛中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜，可以在各種工件膜，可以在各種工件上鍍上鍍Cr,CrC,CrN等鍍層。等鍍層。純純Cr的顯微硬度為的顯

24、微硬度為425840HV，CrN為為1000350OHV，不僅硬，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。代替水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆、速率電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆、速率慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。染問題。 第43頁/共73頁用用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、模具等表面，摩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，具有優(yōu)良的耐熱、耐擦系數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模磨、抗氧化、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，一般可使具等的工作特性，又可以提高

25、使用壽命，一般可使刀具壽命提高刀具壽命提高310倍。倍。 TiN，TiC，Al2O3等膜層化學(xué)性能穩(wěn)定，在許多等膜層化學(xué)性能穩(wěn)定，在許多介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，可作基體材料保護(hù)膜。介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，可作基體材料保護(hù)膜。第44頁/共73頁8.1.4 離子鍍膜離子鍍膜 一、離子鍍的原理一、離子鍍的原理 離子鍍是在真空條件下，借助于一種惰性氣體的離子鍍是在真空條件下，借助于一種惰性氣體的輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，氣體或被輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后對(duì)帶負(fù)電荷的基體轟擊蒸發(fā)物質(zhì)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后對(duì)帶負(fù)電荷的基體轟擊的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基體

26、上。的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基體上。 離子鍍的技術(shù)基礎(chǔ)是真空蒸鍍，其過程包括鍍離子鍍的技術(shù)基礎(chǔ)是真空蒸鍍，其過程包括鍍膜材料的受熱，蒸發(fā)，離子化和電場(chǎng)加速沉積的膜材料的受熱，蒸發(fā)，離子化和電場(chǎng)加速沉積的過程。過程。第45頁/共73頁二、離子鍍的特點(diǎn)二、離子鍍的特點(diǎn)（1）離子鍍可在較低溫度下進(jìn)行離子鍍可在較低溫度下進(jìn)行?；瘜W(xué)氣相沉積一般均需在化學(xué)氣相沉積一般均需在900以上進(jìn)行，所以處以上進(jìn)行，所以處理后要考慮晶粒細(xì)化和變形問題，而離子鍍可在理后要考慮晶粒細(xì)化和變形問題，而離子鍍可在900下進(jìn)行，可作為成品件的最終處理工序。下進(jìn)行，可作為成品件的最終處理工序。（2）膜層的附著力強(qiáng)。膜層的附

27、著力強(qiáng)。如在不銹鋼上鍍制如在不銹鋼上鍍制2050厚的銀膜，可達(dá)到厚的銀膜，可達(dá)到300N/mm2粘附強(qiáng)度。粘附強(qiáng)度。主要原因：主要原因： 離子轟擊時(shí)基片產(chǎn)生濺射，使表面雜質(zhì)層清離子轟擊時(shí)基片產(chǎn)生濺射，使表面雜質(zhì)層清除、吸附層解吸，使基片表面清潔，提高了膜層附除、吸附層解吸，使基片表面清潔，提高了膜層附著力；著力； 濺射使膜離子向基片注入和擴(kuò)散，膜晶格中結(jié)濺射使膜離子向基片注入和擴(kuò)散，膜晶格中結(jié)合不牢的原子將被再濺射，只有結(jié)合牢固的粒子形合不牢的原子將被再濺射，只有結(jié)合牢固的粒子形成膜；成膜；第46頁/共73頁轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)蒸鍍表面產(chǎn)生轟擊離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?duì)蒸鍍表面產(chǎn)生了自動(dòng)

28、加熱效應(yīng)，提高表層組織的結(jié)晶性能，促進(jìn)了自動(dòng)加熱效應(yīng)，提高表層組織的結(jié)晶性能，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)，而離子轟擊產(chǎn)生的晶體缺陷與自加熱了化學(xué)反應(yīng)，而離子轟擊產(chǎn)生的晶體缺陷與自加熱效應(yīng)的共同作用，增強(qiáng)了擴(kuò)散作用；效應(yīng)的共同作用，增強(qiáng)了擴(kuò)散作用； 飛散在空間的基片原子有一部分再返回基片表飛散在空間的基片原子有一部分再返回基片表面與蒸發(fā)材料原子混合和離子注入基片表面，促進(jìn)面與蒸發(fā)材料原子混合和離子注入基片表面，促進(jìn)了混合界面層的形成。了混合界面層的形成。第47頁/共73頁（3）繞鍍能力強(qiáng)繞鍍能力強(qiáng)。首先，蒸發(fā)物質(zhì)由于在等離子區(qū)被電離為正離子，首先，蒸發(fā)物質(zhì)由于在等離子區(qū)被電離為正離子，這些正離子隨電場(chǎng)的電力

29、線運(yùn)動(dòng)而終止在帶負(fù)電的這些正離子隨電場(chǎng)的電力線運(yùn)動(dòng)而終止在帶負(fù)電的基片的所有表面，因而在基片的正面、反面甚至基基片的所有表面，因而在基片的正面、反面甚至基片的內(nèi)孔、凹槽、狹縫等都能沉積上薄膜。片的內(nèi)孔、凹槽、狹縫等都能沉積上薄膜。其次是由于氣體的散射效應(yīng)，特別是在工件壓強(qiáng)較其次是由于氣體的散射效應(yīng)，特別是在工件壓強(qiáng)較高時(shí)，沉積材料的蒸氣離子和蒸氣分子在它到達(dá)基高時(shí)，沉積材料的蒸氣離子和蒸氣分子在它到達(dá)基片的路徑上將與殘余氣體發(fā)生多次碰撞，使沉積材片的路徑上將與殘余氣體發(fā)生多次碰撞，使沉積材料散射到基片周圍，因而基片所有表面均能被鍍料散射到基片周圍，因而基片所有表面均能被鍍覆。覆。第48頁/共7

30、3頁（4）沉積速度快，鍍層質(zhì)量好。沉積速度快，鍍層質(zhì)量好。離子鍍獲得的膜層，組織致密，氣孔、氣泡少。而離子鍍獲得的膜層，組織致密，氣孔、氣泡少。而且鍍前對(duì)工件清洗，處理較簡(jiǎn)單，成膜速度快，可且鍍前對(duì)工件清洗，處理較簡(jiǎn)單，成膜速度快，可達(dá)達(dá)150m/min，而濺射只有而濺射只有0.011m /min。離子鍍可鍍制厚達(dá)離子鍍可鍍制厚達(dá) 30m的膜層，是制備厚膜的的膜層，是制備厚膜的重要手段。重要手段。第49頁/共73頁（5）工件材料和鍍膜材料選擇性廣工件材料和鍍膜材料選擇性廣。工件材料除金屬以外，陶瓷、玻璃、塑料均可以，工件材料除金屬以外，陶瓷、玻璃、塑料均可以，鍍膜材料可以是金屬和合金，也可以是

31、碳化物、氧鍍膜材料可以是金屬和合金，也可以是碳化物、氧化物和玻璃等，并可進(jìn)行多元素多層鍍覆?；锖筒ＡУ?，并可進(jìn)行多元素多層鍍覆。 第50頁/共73頁三、離子鍍的類型三、離子鍍的類型 離子鍍?cè)O(shè)備要在真空、氣體放電的條件下完成鍍離子鍍?cè)O(shè)備要在真空、氣體放電的條件下完成鍍 膜和離子轟擊過程。因此，離子鍍?cè)O(shè)備要由真空室膜和離子轟擊過程。因此，離子鍍?cè)O(shè)備要由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。極等部分組成。 第51頁/共73頁 1空心陰極離子鍍（空心陰極離子鍍（HCD） HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體?？招你g管作為陰極，氬氣

32、法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體?？招你g管作為陰極，氬氣通過鉭管流入真空室，輔助陽極距陰極較近，二者作為引燃弧光放電的通過鉭管流入真空室，輔助陽極距陰極較近，二者作為引燃弧光放電的兩兩極。陽極是鍍料。弧光放電時(shí)，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸極。陽極是鍍料?；」夥烹姇r(shí)，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時(shí)基片加上鍍。蒸鍍時(shí)基片加上負(fù)偏壓負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引氬離子向基片轟擊，即可從等離子體中吸引氬離子向基片轟擊，實(shí)實(shí)現(xiàn)離子鍍?，F(xiàn)離子鍍。陰極陰極陽極陽極第52頁/共73頁 空心陰極離子鍍有顯著優(yōu)點(diǎn)，可鍍材料廣空心陰極離子鍍有顯著優(yōu)點(diǎn)，可鍍材料廣泛，既可以鍍單質(zhì)膜，也可以鍍化合物

33、膜。泛，既可以鍍單質(zhì)膜，也可以鍍化合物膜。目目前廣泛用于鍍制高速鋼刀具前廣泛用于鍍制高速鋼刀具TiN超硬膜。超硬膜。第53頁/共73頁 2活性反應(yīng)離子鍍活性反應(yīng)離子鍍 在離子鍍的過程中，若在真空室中導(dǎo)入與金屬蒸在離子鍍的過程中，若在真空室中導(dǎo)入與金屬蒸氣起反應(yīng)的氣體，比如氣起反應(yīng)的氣體，比如O2、N2、C2H2、CH4等代替等代替Ar或摻在或摻在Ar之中，并用各種不同的放電方式，使金之中，并用各種不同的放電方式，使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化，促進(jìn)屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在工件表面就可以獲得化合物鍍其間的化學(xué)反應(yīng)，在工件表面就可以獲得化合物鍍層。

34、這種方法稱為活性反離子鍍法層。這種方法稱為活性反離子鍍法。第54頁/共73頁第55頁/共73頁 2活性反應(yīng)離子鍍活性反應(yīng)離子鍍 ARE活性蒸鍍有如下特點(diǎn)：活性蒸鍍有如下特點(diǎn)： （1）工藝溫度低）工藝溫度低 因電離而增加了反應(yīng)物的因電離而增加了反應(yīng)物的活性，在較低溫度下就能獲得硬度高、附著活性，在較低溫度下就能獲得硬度高、附著性性良好的鍍層。良好的鍍層。第56頁/共73頁CVD的工藝溫度高達(dá)的工藝溫度高達(dá)1000，而，而ARE法的法的工藝溫度可在工藝溫度可在500以下。以下。 （2）可得到多種化合物）可得到多種化合物 通過導(dǎo)入各種反應(yīng)通過導(dǎo)入各種反應(yīng)氣體，就可以得到各種化合物。幾乎所有過氣體，就

35、可以得到各種化合物。幾乎所有過渡渡族元素均能形成氮化物、碳化物。族元素均能形成氮化物、碳化物。第57頁/共73頁（3）可在任何基體上涂覆）可在任何基體上涂覆 由于使用了大功由于使用了大功率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，因此幾乎率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，因此幾乎可可以蒸鍍所有的金屬和化合物，也可在非金屬以蒸鍍所有的金屬和化合物，也可在非金屬材材料如陶瓷、玻璃上鍍膜。料如陶瓷、玻璃上鍍膜。第58頁/共73頁（4）鍍層生長(zhǎng)速度快）鍍層生長(zhǎng)速度快 成膜速度可達(dá)成膜速度可達(dá)4.5mm/h。通過改變蒸發(fā)源功率及改變蒸發(fā)源。通過改變蒸發(fā)源功率及改變蒸發(fā)源與工件之間的距離，都可以對(duì)鍍層生成速度與工件之間的距離，都可以對(duì)鍍層生成速度進(jìn)進(jìn)行控制。行控制。第59頁/共73頁 3多弧離子鍍多弧離子鍍 多弧放電蒸發(fā)多弧放電蒸發(fā)源源是在是在70年代由前年代由前蘇蘇聯(lián)發(fā)展起來的。聯(lián)發(fā)展起來的。美美國(guó)在國(guó)在1980年從蘇年從蘇聯(lián)聯(lián)引進(jìn)這種技術(shù)，引進(jìn)這種技術(shù)，至至今歐美一些公司今歐美一些公司都都在大力發(fā)展多弧在大力發(fā)展多弧離離子鍍技術(shù)。近十子鍍技術(shù)。近十幾幾年來國(guó)內(nèi)引進(jìn)多年來國(guó)內(nèi)引進(jìn)多臺(tái)臺(tái)鍍制鍍制TiN超硬膜超硬膜的設(shè)備，其中大的設(shè)備，其中大多多數(shù)是