薄膜物理气相沉积

1、 薄膜物理气相沉积-真空蒸发装置1 分类：（1）电阻式蒸发装置（2）电子束蒸发装置 （3）电弧蒸发装置（4）激光蒸发装置（5）空心阴极蒸发装置2电加热方法: 钨丝热源： 主要用于块状材料的蒸发、可以在 2200K下工作； 有污染、简单经济； 难熔金属蒸发舟：W, Ta, Mo等材料制作； 可用于粉末、块状材料的蒸发； 有污染、简单经济； （1）电阻式蒸发装置3 利用大电流通过一个连接着靶材材料的电阻器,将产生非常高的温度,利用这个高温来升华靶材材料。 通常使用钨(Tm=3380),钽Ta(Tm=2980), 钼Mo(Tm=2630) ,高熔点又能产生高热的金属,做成电阻器。 4电阻器可以依被镀

2、物工件形状,摆放方式,位置,腔体大小,旋转方式,而作成不同的形状。5 1.避免被蒸发物质与加热材料之间发生化学反应的可能性，可以考虑使 用表面涂有一层Al2O3的加热体； 2.防止被加热物质的放气过程可能引起的物质飞溅。 对被蒸发的物质可以采取两种方法，即普通的电阻加热法和高频感应法。前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，而后者依靠感应线圈在被加热的物质中或在坩锅中产生出感应电流来实现对蒸发物质的加热。在后者情况下，需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的导电性。加热方式：注意：61.电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。2.靶材可以依需要,做成各种的形状。优点:缺点:1. 因为热量及温度是由

3、电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会 在过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害膜层 的质量。 2. 热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质材料,因为氧 化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。3. 蒸镀的速率比较慢,且不易控制。4. 化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪 燃蒸镀使用。5. 电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。7 电子束加热枪：灯丝+加速电极+偏转磁场组成 蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩埚； 电子束蒸发的特点： 工作真空度比较高，可与离子源联合使用； 可用于粉末、块状材料的蒸发；

4、可以蒸发金属和化合物； 可以比较精确地控制蒸发速率； 电离率比较低。（2）电子束蒸发装置8 电子束蒸发设备的核心是偏转电子枪，偏转电子枪是利用具有一定速度的带点粒子在均匀磁场中受力做圆周运动这一原理设计而成的。其结构由两部分组成：一是电子枪用来射高速运动的电子；二是使电子做圆周运动的均匀磁场。 电子束蒸发装置示意图9 电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走，因而其热效率较低。另 外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。 熔点要高。饱和蒸汽压要低。化学性能要稳定。缺点：电子束蒸发对源材料的要求：10 电弧蒸发装置也具有能够避免电阻加热材料或坩埚材料的污染，加热温度较高的特点

5、，特别适用于熔点高，同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发。同时，这一方法所用的设备比电子束加热装置简单，因此是一种较为廉价的蒸发装置，现今很多蒸发镀膜法均采用电弧蒸发装置。 （3）电弧蒸发装置11电弧离子镀设备: 电弧离子镀膜技术是以金属等离子体弧光放电为基础的一种高效镀膜技术； 电弧源：靶(导电材料)+约束磁场+弧电极+触发电极 等离子体的电离率高达70%； 可蒸发高熔点导电材料，如C、Ta等； 有部分金属液滴； 可在活性气氛下工作；电弧蒸发装置示意图12 沉积速率高, 高达0.1m/min； 沉积能量可控、具有自清洗功能； 有大颗粒、粗糙度大； 在放电过程中容易产生微米量级大小的电极

6、颗粒的飞溅，从而影响被沉积薄膜的均匀性。 优点：缺点：13电弧蒸发法的改进电弧过滤技术: 磁镜过滤方法： 通过磁场对电子运动的控制实现对等离子体的控制； 可以显著降低薄膜中的大颗粒； 沉积效率降低明显、束径受磁镜限制； 磁场约束遮挡过滤： 等离子体发射方向与镀膜方向垂直 束径不受限制，但沉积率比较低；14通过对基片施加脉冲偏压减少等离子体中的颗粒沉积；脉冲偏压过滤原理：利用等离子体尘埃带负电的特点，通过脉冲偏压的动态等离子体壳层控制尘埃颗粒沉积； 脉冲偏压过滤特点： 沉积效率降低比较小； 可以实现化合物的低温沉积(TiN，低于200oC)； 可以改善薄膜的力学性能； 特别大的颗粒过滤效果不理想

7、；电弧蒸发法的改进 脉冲偏压技术:15（4）激光蒸发装置 使用高功率的激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积的方法就被称为激光蒸发沉积法。 实际应用中，多使用位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发的光源，如波长为248nm、脉冲宽度为20ns的KrF（氟化氪）准分子激光等。 由于在蒸发过程中，高能激光光子可在瞬间将能量直接传递给被蒸发物质的原子，因而激光蒸发法产生的粒子能量一般显著高于普通的蒸发方法。16脉冲激光沉积(PLD)方法:加热源：脉冲激光(准分子激光器) 波长越短，光子能量越大，效率越高； 不要求高真空，但激光器价格昂贵PLD的特点： 蒸气的成分与靶材料基本相同，没有偏析现象； 蒸发量可以由脉冲

8、的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制； 沉积原子的能量比较高，一般10 20eV; 由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；17激光蒸发装置 在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。装置示意图18（5）空心阴极蒸发装置 空心阴极蒸发装置的原理与电子束蒸发装置较为相似。在中空金属Ta管制成的阴极和被蒸发物质制成的阳极之间加上一定幅度的电压，并在Ta管内通入少量的Ar气时，可在阴阳两极之间产生放电现象。这时，Ar离子的轰击会使Ta管的温度升高并维持在2000K以上的高温下，从而能够发射出大量的热电子。将热电子束从Ta管内引出并

9、轰击阳极，即可导致物质的热蒸发，并在衬底上沉积出薄膜。空心阴极电弧蒸发装置示意图19 特点：（一）可以提供数安培至数百安培的高强度电子流，因而可以提高薄膜的沉积速度。（二）大电流蒸发使蒸发出来的物质原子进一步发生部分的离化，从而生成大量的被蒸发物质的离子。（三）与上述多种蒸发方法不同，空心阴极在工作时需要维持有110-2Pa的气压条件。（四）空心阴极在产生高强度电子流的同时，也容易产生阴极的损耗和蒸发物质的飞溅。20 除激光法、电压偏置情况下的空心阴极之外，多数蒸发方法的共同特点之一，是其蒸发和参与沉积的物质粒子只具有较低的能量。下面列出了蒸发法涉及到的粒子能量的典型值以及其与物质键合能之间的

10、比较。显然，与物质键合能相比，一般蒸发法获得的粒子能量较低，在薄膜沉积过程中所起的作用较小。因此在许多情况下，需要采用某些方法提高入射到衬底表面的粒子的能量。蒸发粒子能量与物质键合能的比较2122实验方法实验方法1 涂层试样制备首先用煤油和酒精依次对样品进行超声除油, 再使用刚玉砂砾对样品表面进行喷砂处理, 其中砂砾平均粒径为 220 m, 喷砂压力、角度和距离分别为 1.5105 Pa、60和 100 mm,最后用压缩空气对样品进行除杂; 除杂完毕后把样品放置在喷涂夹具上, 设置机械手喷涂程序; 通过真空泵把喷涂真空罐抽至 150 Pa, 然后回充氩气至4000 Pa 时进行喷枪点火; 通过

11、等离子体先预热基体至 850 , 再通过机械手调整喷距为 950 mm 进行双管内送粉喷涂, 喷涂过程中对真空罐进行适量的补氧防止 7YSZ 晶体失氧。另外, 在喷涂前需把7YSZ 粉末放入送粉器烘干, 温度设置为 50 。232 CMAS 腐蚀性能分析24结果与讨论结果与讨论1 柱状结构热障涂层制备25.2 柱状结构热障涂层沉积机理263 柱状结构热障涂层 CMAS 腐蚀失效机制27结论结论1) 采用等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)在850 基体温度下, 可制备结构致密的柱状 7YSZ 涂层, 涂层中柱状晶上端与下端宽度不一致, 涂层表面呈现“菜花“状形貌。柱状涂层以气相分子沉积并以岛

12、状形式生长, 气相分子先在基体表面形成稳定的小岛状临界晶核, 再经过岛状、联并、沟道、连续这四个阶段最终形成具有柱状结构的 7YSZ 涂层。2) 经 1200 CMAS 腐蚀 24 h 后, 柱状涂层会出现平行涂层表面的横向裂纹, 这主要是由于热化学和热机械的相互作用导致的: 一方面, 在侵蚀区域内, CMAS 与 7YSZ 发生化学反应, 改变 7YSZ 的热物性能; 另一方面, 在冷却过程中, CMAS 渗透区与未渗透区膨胀系数不匹配诱发应力产生。两者相互作用促使裂纹沿柱状晶原表面裂纹失稳扩展, 最终导致涂层发生层离失效。2829IntroductionAmorphous coating

13、has many advantages in their superior corrosion resistance , high modulus,better wear resistance, and unique magnetic properties and so on .The amorphous/crystalline composite coating in this work is composed of columnar grains near the substrate side and an amorphous top layer. particular structure

14、 will endow the material with excellent mechanical strength and better wear resistance.In this paper, FeCrAl amorphous coating was achieved during electron beam physical vapor deposition with substrate temperature of 500 C around. 30ExperimentalThe coatings were fabricated by a GEKONT L5 electron be

15、am facility in a vacuum chamber evacuated to 110-3 Pa. A 98.5-mm diameter FeCrAlTi (Fe-19.7Cr-5.3Al-5.5Ti) ingot and a 68.5-mm diameter Y2O3 ingot were placed into two water-cooled copper crucibles and evaporated by two electron beams simultaneously and separately. The deposition lasted about 15 min

16、. Then the deposition barrier plate was placed to protect extra deposition on the deposits. The mean deposition rate was about 13um/min. The heating ramp for the substrate before deposition was about 38/min, and the cooling rate for the substrate after deposition was about 47/min.31The chemical comp

17、osition of the foil was examined by X-ray fluorescence. The surface morphology and cross-sectional fractures were observed on a HITACHI S-570 Scanning Electron Microscope (SEM). X-ray diffraction (XRD) was conducted for both sides of the sample on a D/max-rB X-ray diffractometer with Cu K radiation.

18、 The surface morphology of the amorphous and the crystalline parts were examined using a NanoScope type atomic force microscopy (AFM)Results and Discussion32XRD patterns of the foil.(a) amorphous/crystalline composite coating; (b) crystalline coating.33 SEM pictures of surface morphology. (a) the amorphous/crystalline composite coating; (b)the crystalline coating.34 Cross-sectional morphology of the amorphous/crystalline composite coating. (a) highmagnification; (b) low magnifi