物理气相沉积ver2.0

1、物理气相沉积肖皓15723821目录PVD概念PVD技术分类文献研讨物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）： 表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源从固体或液体表面气化成气体原子、分子或部分电离成离子，并通过抵押气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有特殊功能薄膜的技术。粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜粒子运输到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）从原材料发射粒子（蒸发、升华、溅射和分解等过程）PVD过程示意图衬底以气态方式进行物质运输能量运输靶材能量气态几种PVD技术PVD真空蒸镀溅射镀膜离子镀电子束（EB）热蒸发

2、直流溅射射频溅射脉冲直流溅射真空蒸镀概念：将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸发的原子核原子团在温度较低的基板上凝结，形成薄膜。TBAPvlog03 . 2 RHBvp 汽化热Hv 为材料从凝聚相转为气相所需能量p P为蒸汽压，p A为积分常数，p R0为阿夫加德罗常数不同元素的平衡蒸气压与温度的函数关系为了得到合适的淀积速率，样品蒸气压至少为10 mTorr。Ta，W，Mo和Pt，这些难熔金属，它们具有很高的溶化温度，如为达到10 mtorr 的蒸气压， 钨需要超过3000。真空度与分子平均自由程 高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：1.源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动

3、，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。2.残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化。3.残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底。平均自由程 反比于气体压强 r为气体分子的半径prkT22esevapPTmAR21083. 5Pe是蒸气压（torr），As是源面积，m为克分子质量，T为温度可见蒸发的淀积速率和蒸发材料、温度/蒸汽压、及淀积腔的几何形状决定反应腔内晶片的位置、方向有关。热运动热运动原子团簇原子团簇岛岛薄膜薄膜根据加热原理（或加热方式）有：电阻加热蒸发、电子束蒸发等电阻加热蒸发将用高熔点金属(W, Mo,

4、 Ta, Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料。电阻加热蒸发特点 结构简单、成本低廉、操作方便； 支撑坩埚及材料与蒸发物反应； 难以获得足够高温蒸发介电材料（Al2O3、TiO2）； 蒸发率低； 加热导致合金或化合物分解。 可制备单质、氧化物、介电和半导体化合物薄膜。电子束蒸发用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料电子束加热原理:是基于电子在电场作用下,获得动能轰击处于阳极的蒸发材料,使蒸发材料加热气化。电子束蒸发源的优点电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度 。达到104 109 W/cm2 的功率密度，使熔点3000的材料蒸发，如W、 Mo、 Ge、 Si

5、O2 、 Al 2O3 等。被蒸发材料可置于水冷坩锅中 避免容器材料蒸发、及其与蒸发材料反应热量可直接加到蒸镀 材料的表面 热效率高、热传导和热辐射损失小电子束蒸发源的缺点电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使 蒸发原子和残余气体分子电离 影响膜层质量。可选择电子枪加以解决电子束蒸镀装置结构复杂、价格昂贵 加速电压高时，产生的一些射线对人体伤害蒸发工艺中的一些问题：I.对某些元素淀积速率很慢II.合金和化合物很难采用III.台阶覆盖差IV.目前大生产很少采用文献研讨摘要：电子束物理气相沉积技术被采用制备大尺寸高温合金薄板，靶基距和不同坩埚中锭料蒸发速率对厚度均匀性的影响规律被研究。研

6、究结果表明，靶基距对锭料的有效蒸发效率和厚度均匀性具有重要影响。靶基距低，有效蒸发效率高，反之，靶基距高，有效蒸发效率低。靶基距与锭料的有效蒸发效率成反比关系。调整不同坩埚中锭料蒸发速率，可获得不同的薄板厚度分布。当靶基距为h = 50 cm，2 号坩埚蒸发量为83%，4 号坩埚蒸发量为17% 时，沉积薄板厚度分布均匀性最好，在r450 mm 范围内薄板厚度分布满足国家薄板厚度公差标准。理论计算与实验结果相符合表明模型合理。1 号和4 号坩埚中心距基板中心投影距离为250 mm，2 号和3 号坩埚中心距离基板中心投影距离为400 mm。靶基距从400 到550mm 可调整。镍基合金锭料被分别放

7、入2 号和4 号坩埚中，工作室抽真空，对基板进行加热，当真空度与基板温度达到沉积要求，用电子束加热锭料，锭料熔化蒸发，蒸气凝结在基板表面，通过连续沉积获得高温合金薄板体材料。实验部分结果与讨论坩埚距离基板投影中心距离越近，基板接收蒸气流的面积越大，因而有效蒸发效率越高。也可以看到，随有效蒸发效率增加，薄板厚度均匀性往往也变得更差。为了实现薄板厚度均匀性和有效蒸发效率的平衡，控制2个坩埚的蒸发量成为EB-PVD工艺制备大尺寸薄板材料的关键。国家薄板厚度公差标准：厚度小于0.4mm的薄板，厚度公差为0.04mm在一定范围内，靶基距高，可在较大尺寸范围内获得厚度分布均匀，满足国家标准的薄板，但有效蒸

8、发效率较低。靶基距低，有效蒸发效率较高，但满足厚度均匀分布的薄板尺寸区域较小。结论( 1) EBPVD 净成型技术制备大尺寸高温合金薄板，坩埚位置、靶基距和不同锭料蒸发速率对薄板厚度均匀性和有效蒸发效率具有重要影响。( 2) 坩埚位置距离基板中心投影位置近，有效蒸发效率高，反之，有效蒸发效率低。( 3) 靶基距低，有效蒸发效率高，反之，靶基距高，有效蒸发效率低。靶基距与锭料的有效蒸发效率成反比关系。( 4) 调整不同锭料蒸发速率，可获得不同薄板厚度分布。当靶基距为h = 50 cm，2 号坩埚蒸发量为83%，4 号坩埚蒸发量为17% 时，沉积薄板厚度分布均匀性最好，在r450 mm 范围内薄板

9、厚度分布满足国家标准。文献研讨INTRODUCTIONPVD has been considered as a potential alternative to the traditional coating technologies.Hindered by the high capital cost of vacuum equipment and the high operating costsTechnical obstacles : too thin without any smoothing or levelling little corrosion protectionAdvanta

10、ges:PVD is a clean and dry coating technology without serious environmental problemsBe able to control chemical compositions and product propertiesHigh wear resistance, biocompatibility, high gloss and a range of attractive coloursDisadvantages:poor corrosion protection and an inability for levellin

11、g or planarizing the substrate surfaceA solution to the above problems is to use a polymer powder coating as an undercoat or primer between the PVD coating and the metal substrate.The powder coating is much thicker than the PVD film, nonconducting and dense.The deposition technique used was electros

12、tatic spraying.1. Adhesion of PVD film to epoxy coatingThe zirconium PVD films showed poor adhesion to the epoxy undercoat.Results and discussionSEM micrograph showing the Zr film deposited by cathodic arc evaporation on an epoxy undercoat: (a) top surface; (b) cross section.Residual stress analysis

13、There are three main contributions to residual stress in PVD films: (i) intrinsic stress; (ii) extrinsic stress and (iii) thermalstress.SEM micrograph of through-thickness cross section of coatings on aluminium substrate: (a) Zrepoxy.The results show that for both coating systems, compressive stress

14、es are developed in the zirconium film. However, the introduction of the epoxy undercoat produces a large scale increase in residual stress.The driving force for buckling, eventual spallation and adhesive failure is provided by the residual stress and particularly the stress discontinuity at the int

15、erface.The origin of the high levels of residual stress is thermal expansion mismatch, particularly between the metallic zirconium and the polymeric epoxy.One way to reduce this is to insert a material with an intermediate expansion coefficient between the zirconium film and the epoxy undercoatCoope

16、r with 17*10-6 K-1 expansion coefficient SEM micrograph of through-thickness cross section of coatings on aluminium substrate: (b) ZrCuepoxyThe SEM micrograph in Fig. 3 shows a cross section of the two layered film on the epoxy undercoat. The use of a copper interlayer between the zirconium and epox

17、y has successfully overcome the cracking and adhesion problem.The topography of the PVD films is governed by that of the epoxy undercoat and demonstrate that a powder coating primer can enable a smooth PVD film on a rough substrateSurface finish of PVD filmsSEM micrographs of: (a) surface of as-rece

18、ived aluminium plate before coating,(b) surface of epoxy coating on aluminium and (c) surface of zirconiumcopper thinfilm on epoxy undercoat (at high magnification).The deposition of arc-evaporated zirconium films on epoxy powder coatings resulted in poor adhesion as a result of its high deposition rate and thermal expansion mismatchThe stress analysis predicted that applying an interlayer material of an inte