表面工程09气相沉积

1、college of materials science and engineering, bjut第五章：表面工程技术第五章：表面工程技术college of materials science and engineering, bjut第七章第七章 气相沉积技术气相沉积技术5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述气相沉积技术是近气相沉积技术是近3030年来迅速发展的表面技术，它利用年来迅速发展的表面技术，它利用气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多层薄膜，使材料或制品获得所需的各种优异性能。层薄膜，使材料或制品获得所需的各种

2、优异性能。这项技术这项技术college of materials science and engineering, bjut负偏压负偏压靶靶基片基片plasma 反应性气体反应性气体基片基片ch4 5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and engineering, bjutcvd vs pvdcvd vs pvdlthe main difference is the resulting step profile of the deposited film.la pvd film deposits straight dow

3、n onto the surface.la cvd film deposits evenly on all surfaces at the same timefilm growth with pvdfilm growth with cvdcollege of materials science and engineering, bjut5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and engineering, bjut。5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and

4、 engineering, bjut5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and engineering, bjut5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and engineering, bjut5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and engineering, bjut 5.5.1 5.5.1 气相沉积概述气相沉积概述college of materials science and en

5、gineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut蒸镀方法蒸镀方法(1) (1) 电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀(2) (2)

6、 电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀 power supplyplatens with several wafersmolten aluminium in a crucibleelectron beamaluminium vapourelectron guncollege of materials science and engineering, bjut蒸镀方法：蒸镀方法：college of materials science and engineering, bjut多电子束蒸发源是由隔开的几个坩埚组成，坩埚数量按合金元素的多电子束蒸发源是由隔开的几个坩埚组成，坩埚数量按合金元素的多少来确定，

7、蒸发后几种组元同时凝聚成膜。多少来确定，蒸发后几种组元同时凝聚成膜。单电子束蒸发源沉积合金时会遇到分馏问题单电子束蒸发源沉积合金时会遇到分馏问题: :蒸镀的合金膜，其组成为蒸镀的合金膜，其组成为 80/20。蒸发温度约。蒸发温度约 2000k，而铬在，而铬在 2000k 时的蒸时的蒸气压强比镍要高气压强比镍要高 100 倍。如果镀料是一次加热，则因铬原子消耗较快，而使倍。如果镀料是一次加热，则因铬原子消耗较快，而使镀层逐渐贫铬。镀层逐渐贫铬。 解决分馏问题的办法是连续加料，熔池的温度和体积保持恒定是工艺成功的解决分馏问题的办法是连续加料，熔池的温度和体积保持恒定是工艺成功的关键。如果合金组元蒸

8、气压差别过大，沉积合金的工艺便受到限制。关键。如果合金组元蒸气压差别过大，沉积合金的工艺便受到限制。 college of materials science and engineering, bjut但有一些化合物，如氯化物、硫化物、硒化物和硫化物，甚至少但有一些化合物，如氯化物、硫化物、硒化物和硫化物，甚至少数氧化物如数氧化物如 b2o3，sno 可以采用蒸镀，因为它们很少分解或可以采用蒸镀，因为它们很少分解或者当其凝聚时各种组元又重新化合。者当其凝聚时各种组元又重新化合。然而蒸镀不仅有热分解问题，也有与坩埚材料反应从而改变膜层然而蒸镀不仅有热分解问题，也有与坩埚材料反应从而改变膜层成分的

9、问题，这些都是化合物蒸镀的限制因素。成分的问题，这些都是化合物蒸镀的限制因素。 college of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 aluminium targetpedestalwaferplasmacollege of materials science and engineering, bjut

10、argon sputter processargon sputter processl argon gas is fed into the chamber which is under vacuum.l a large voltage is applied causing some electrons on the argon molecules to break free, leaving positively charged argon ions.ar+ar+ar+ar+ararargas inararararar-+e-e-e-e-the argon ions will be attra

11、cted to the negative potential, so thats where the target material is placed.the wafer is placed on the positive/neutral electrode.the argon bombards the target causing chunks of material to fall on the wafer.the free electrons collide with the argon atoms producing more ions and so sustaining the p

12、lasma and the sputtering processcollege of materials science and engineering, bjut直流二极溅射直流二极溅射 5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering, bjut三极和四极溅射三极和四极溅射 5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering, bjut磁控溅射磁控溅射 ：磁控溅射是磁控溅射是7070年代迅速发展起来的新型溅射技术，

13、目前年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中实际应用。已在工业生产中实际应用。磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级，它具有高速、低温、低损伤等优点：，它具有高速、低温、低损伤等优点：高速是指沉积速率快；高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering, bjut5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 磁控溅射原理：磁

14、控溅射原理：college of materials science and engineering, bjut射频溅射：射频溅射：射频是指无线电波发射范围的频率射频是指无线电波发射范围的频率 ，为了避免干扰电台工作，溅射为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为专用频率规定为131356mhk56mhk。 射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上，似乎没有阴极与阳极之分射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上，似乎没有阴极与阳极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极不是对称的。放置基片的电极与机了。实际上射频溅射装置的两个电极不是对称的。放置基片的电极与机壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的

15、电极而言，是一个大面积壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。在在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。体电离为等离子体。另一电极对于等离子体处于负电位，是阴极，受另一电极对于等离子体处于负电位，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。到离子轰击，用于装置靶材。缺点：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射缺点：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射频溅

16、射不适于工业生产应用。频溅射不适于工业生产应用。5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering, bjut5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering, bjut在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金膜的成分：膜的成分： 5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering

17、, bjut 溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类：前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料等。5.5.3.2 5.5.3.2 溅射镀膜溅射镀膜 college of materials science and engineering, bjut离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的在于改善膜层的性能，离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，

18、再加上数百伏的负在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，再加上数百伏的负偏压，即有能量为偏压，即有能量为100ev量级的离子向基片轰击，从而实量级的离子向基片轰击，从而实现离子镀。现离子镀。离子镀也可以在蒸镀的基础上实现，例如在真空室内通入离子镀也可以在蒸镀的基础上实现，例如在真空室内通入1pa量级的氩气后，在基片上加上量级的氩气后，在基片上加上1000v以上的负偏压，以上的负偏压，即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基片，这就是离子镀。片，这就是离子镀。college of materials science and engineeri

19、ng, bjut对于真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的每个沉积粒子所带的能量是不同的：热蒸镀原子大约 0.2ev，溅射原子大约1-50ev，而离子镀中轰击离子大概有几百到几千ev。离子轰击对基片表面有清洗作用，另外还能促进形成共混的过渡层。如果离子轰击的热效应足以使界面处产生扩散层，形成冶金结合，则更有利于提高结合强度。蒸镀的膜层其残余应力为拉应力，而离子轰击产生压应力，可以抵消一部分拉应力。离子轰击可以提高镀料原子在膜层表面的迁移率，这有利于获得致密的膜层。如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀

20、了。离子渗镀的离子能量为1000ev左右。college of materials science and engineering, bjut空心阴极离子镀（空心阴极离子镀（hcdhcd） college of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut college of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut col

21、lege of materials science and engineering, bjutthe cvd processthe cvd processstep 1: gases are introduced into the system which may be at atmospheric or low pressure.step 2: the precursors diffuse through the system to the stagnant gas flow above the wafer surface where they are adsorbed.step 3: the

22、se precursors migrate on the surface so that chemical reactions can begin and produce solid by-products.step 4: these solid by-products form nuclei which grown into islands while the waste by-products are pumped awaystep 5: these islands of material eventually merge together so that a continuous fil

23、m is produced.college of materials science and engineering, bjut college of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut化学气相沉积（化学气相沉积（ cvdcvd） 的过程的过程college of materials science and engineering, bjut college of materials science and engineering, bjut coll

24、ege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut由于传统的cvd沉积温度大约在800以上，所以必须选择合适的基体材料。例如，大部分钢就不合适：应力，相变等常用的基体包括：各种难熔金属（钼常被采用）、石英、陶瓷、硬质合金等。当沉积温度低于700时，也可以钢为基体，但对钢的表面必须进行保护，一般用电镀或化学镀的方法在表面沉积一薄层镍。college of m

25、aterials science and engineering, bjutcvd 镀层可用于要求耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及镀层可用于要求耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及有某些电学、光学和摩擦学性能的部件。有某些电学、光学和摩擦学性能的部件。 对于耐磨硬镀层一般采用难熔的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。对于耐磨硬镀层一般采用难熔的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位。满足这些要求的镀层包括在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位。满足这些要求的镀层包括tic，tin，al2o3，tac，hfn 和和 tib2 以及它们的组合。以及它们的组合。 除刀具外，除刀具外，cv

26、d镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备，如泥浆传输设备镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备，如泥浆传输设备、煤的气化设备和矿井设备等。、煤的气化设备和矿井设备等。 college of materials science and engineering, bjutcollege of materials science and engineering, bjut工件置于阴极上，利用辉光放电或工件置于阴极上，利用辉光放电或外热源使工件升到一定温度后，与外热源使工件升到一定温度后，与cvd 法相似，通入适量的反应气，法相似，通入适量的反应气，经过化学和等离子体反应生成沉积经过化学和等离子体反应生成沉积

27、薄膜。薄膜。由于存在辉光放电过程，气体剧烈由于存在辉光放电过程，气体剧烈电离而受到活化，这和电离而受到活化，这和 cvd 法的法的气体单纯受热激活不同，所以反应气体单纯受热激活不同，所以反应温度可以大大下降。温度可以大大下降。college of materials science and engineering, bjutpcvdpcvd法与法与cvd cvd 法比较法比较 college of materials science and engineering, bjut激光化学气相沉积是新出现的技术，通过激光激活而使常规cvd技术得到强化，工作温度大大降低，在这个意义上lcvd类似于pc

28、vd技术，然而这两种技术之间有一些重要差别。college of materials science and engineering, bjutlcvd的应用包括激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正、激光蒸发一沉积以及金属化。college of materials science and engineering, bjut（1）温度对于高速钢镀膜具有重大意义。cvd法的工艺温度超过了高速钢的回火温度，用cvd法镀制的高速钢工件，必须进行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。镀后热处理会产生不容许的变形。（2）college of materials science and engineering,

29、bjutcvd镀层往往厚度在7.5m左右，pvd镀层通常不到2.5m厚。相反，pvd镀膜如实地反映材料的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽，这在装饰镀膜方面十分重要。college of materials science and engineering, bjutcvd 发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在反应器中的所有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。相对而论，所有的pvd技术由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。pvd的反应器必须减少装载密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。 在pvd反应器中，通常工件要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。