薄膜制备技术PVD

1、物理制备方法物理制备方法第十四章第十四章. 薄膜制备技术薄膜制备技术14.1 薄膜材料基础薄膜材料基础14.1.1 薄膜的概念与分类薄膜的概念与分类 1. 薄膜材料的概念薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料料) )的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。 简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。二维

2、材料。2. 2. 薄膜分类薄膜分类 固态液态气态（1 1）物态）物态（2 2）结晶态：）结晶态： 合体组成由许多取向相异单晶集多晶：在衬底上生长，质外延在单晶基底上同质和异单晶：外延生长晶态长程无序有序非晶态：原子排列短程、。、（3 3）化学角度）化学角度 无无机机薄薄膜膜有有机机薄薄膜膜（4 4）组成）组成 非非金金属属薄薄膜膜金金属属薄薄膜膜（5 5）物性）物性 光光学学薄薄膜膜磁磁阻阻薄薄膜膜介介电电薄薄膜膜超超导导薄薄膜膜半半导导体体薄薄膜膜金金属属导导电电薄薄膜膜热热学学薄薄膜膜声声学学薄薄膜膜硬硬质质薄薄膜膜厚度厚度：决定薄膜性能、质量：决定薄膜性能、质量 通常，膜厚通常，膜厚 1

3、0cm10cm的宽束离子源用于溅射镀膜。的宽束离子源用于溅射镀膜。优点优点：轰击离子的能量和轰击离子的能量和束流密度独立可控，束流密度独立可控，基片不直接接触等基片不直接接触等离子体，有利于控离子体，有利于控制膜层质量。制膜层质量。缺点缺点：速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难4. 溅射镀膜的用途溅射镀膜的用途光光声声磁磁电电物物理理功功能能膜膜抗抗蚀蚀耐耐热热耐耐磨磨、减减磨磨表表面面强强化化、固固体体润润滑滑机机械械功功能能膜膜q采用采用CrCr、Cr-CrNCr-CrN等合金靶，在等合金靶，在N N2 2、CHCH4 4等气氛中进行反应溅射镀膜

4、，等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀可以在各种工件上镀CrCr（425-840HV425-840HV）、）、CrCCrC、CrNCrN（1000-3500HV1000-3500HV），），可代替电镀可代替电镀CrCr。q用用TiCTiC、TiNTiN等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小、化学等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小、化学稳定性好，具优良的耐磨、耐热、抗氧化、抗冲蚀，在提高其工件稳定性好，具优良的耐磨、耐热、抗氧化、抗冲蚀，在提高其工件特性的同时，大幅度提高寿命，一般可达特性的同时，大幅度提高寿命，一般可达3-103-10倍。倍。q用用TiCTiC、TiNTiN

5、，AlAl2 2O O3 3具有良好的耐蚀性。具有良好的耐蚀性。q可制取优异的固体润滑膜可制取优异的固体润滑膜MoSMoS2 2. .q可制备聚四氟乙烯膜。可制备聚四氟乙烯膜。14.2.4 14.2.4 离子成膜离子成膜1. 离子镀及其原理：离子镀及其原理： 真空蒸发与溅射结合的镀膜技术真空蒸发与溅射结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。行的镀膜技术。 即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分

6、物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成膜。膜。 离子镀的优点离子镀的优点1、入射离子能量高，与基体的结合强度高，膜层致密，耐久性好，膜层硬度高，耐磨性好，耐蚀性好；2、与其他表面处理工艺结合使用效果更佳3、可镀基材广泛，可同时在不同金属材料的表面成膜，膜层的颜色均匀一致，成膜温度低而热稳定好；4、膜层隐蔽性好5、镀膜过程无环境污染 真空度真空度 放电气体种类与压强放电气体种类与压强 蒸发源物质供给速率与蒸汽流大小蒸发源物质供给速率与蒸汽流大

7、小 衬底负偏压与离子电流衬底负偏压与离子电流 衬底温度衬底温度 衬底与蒸发源的相对距离。衬底与蒸发源的相对距离。 主要影响因素：主要影响因素： 真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的沉积粒子所带的能量不同。基片上的沉积粒子所带的能量不同。真空蒸镀：热蒸镀原子约真空蒸镀：热蒸镀原子约0.2 eV溅射：溅射原子约溅射：溅射原子约1-50 eV离子镀：轰击离子约几百到几千离子镀：轰击离子约几百到几千eV离子镀的目的离子镀的目的：提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、还能形成

8、共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。蒸镀和溅射都可以发展为离子镀。蒸镀和溅射都可以发展为离子镀。 例如，蒸镀时在基片上加上负偏压，即可产生辉光放电，例如，蒸镀时在基片上加上负偏压，即可产生辉光放电，数百数百eV能量的离子轰击基片，即为二极离子镀。见下图。能量的离子轰击基片，即为二极离子镀。见下图。2 2 离子镀的类型和特点离子镀的类型和特点 离子镀设备在真空、气体放电的情况下完成镀膜和离子轰击离子镀设备在真空、气体放电的情况下完成镀膜和离子轰击过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、

9、放置工件的阴极等部分组成。放置工件的阴极等部分组成。（1） 空心阴极离子镀（空心阴极离子镀（HCD）国内外常见的设备类型如下国内外常见的设备类型如下HCD法利用空心热阴极的弧光法利用空心热阴极的弧光放电产生等离子体（空心钽管为放电产生等离子体（空心钽管为阴极，辅助阳极）阴极，辅助阳极）镀料是阳极镀料是阳极弧光放电时，电子轰击阳极镀料，弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化而实现蒸镀使其熔化而实现蒸镀蒸镀时基片上加负偏压即可从等蒸镀时基片上加负偏压即可从等离子体中吸引离子体中吸引Ar离子向基片轰击，离子向基片轰击，实现离子镀实现离子镀（2）多弧离子镀）多弧离子镀原原 理理： 多弧离子镀是采用多弧

10、离子镀是采用电弧放电电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃依靠引弧阳极与阴极的触发，依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电弧光放电仅仅在靶材表面的一仅仅在靶材表面的一个或几个密集的个或几个密集的弧斑弧斑处进行。处进行。弧斑直径小于弧斑直径小于100um。弧斑电流密度弧斑电流密度105-107A/cm2温度温度8000-40000K弧斑喷出的物质包括电子、离子、原子和液滴。大弧斑喷出的物质包括电子、离子、原子和液滴。大部分为离子。部分为离子。特特 点点：直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。（3）离子束辅助沉积）离子束辅助沉积低能的离子束低能的离子束1 1用于轰击靶用于轰击靶材，使靶材原子溅射并沉