气相沉积技术分析

气相沉积技术分析一、薄膜的定义和基本性质

1．薄膜的定义薄膜可以定义为：按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。从原子尺度来看，薄膜的表面呈不连续性，高低不平，薄膜内部有空位、位错等缺陷，并且有杂质的混入。用各种工艺方法，控制一定的工艺参数，可以得到不同结构的薄膜，如单晶薄膜、多晶薄膜、非晶态薄膜、亚微米级的超薄膜以及晶体取向外延薄膜等。2．薄膜的基本性质(1)力学性质。其弹性模量接近体材料，但抗拉强度明显地高于体材料，有的高达200倍左右。这与薄膜内部高密度缺陷有关。(2)导电性。其与电子平均自由程λf和膜厚t有关。在t<λf时：如果薄膜为岛状结构，则电阻率极大；t增大到数十纳米后，电阻率急剧下降；·多晶薄膜因晶界的接触电阻大而使其电阻比单晶薄膜大。在t》λf时，薄膜的电阻率与体材料接近，但比体材料大。2．薄膜的基本性质(3)电阻温度系数。一般金属薄膜的电阻温度系数也与膜厚t有关，t小于数十纳米时为负值，而大于数十纳米时为正值。(4)密度。一般来说，薄膜的密度比体材料低。(5)时效变化。薄膜制成后，它的部分性质会随时间延长而逐渐变化；在一定时间或在高温放置一定时间后，这种变化趋于平缓。二、薄膜的形成过程及生长模式

薄膜的形成过程气相生长薄膜的过程大致上可分为形核和生长两个阶段。基底表面吸附外来原子后，邻近原子的距离减小，它们在基底表面进行扩散，并且相互作用，使吸附原子有序化，形成亚稳的临界核，然后长大成岛和迷津结构。岛的扩展接合形成连续膜，在岛的接合过程中将发生岛的移动及转动，以调整岛之间的结晶方向。临界核的大小，即所含原子的数目，决定于原子间，原子与基底间的键能，并受薄膜制备方法的影响，一般只含2-3个原子。临界核是二维还是三维，对薄膜的生长模式有决定作用。薄膜一般有以下三种生长模式：

(1)岛状生长。一般的物理气相沉积都是这种生长模式。首先在基底上形成临界核，当原子不断地沉积时，核以三维方向长大，不仅增高而且扩大，形成岛状，同时还会出现新的核继续长大成岛。当岛在基底上不断扩大时，岛会相互联系起来，构成岛的通道。当原子继续沉积，通道的横向也会连接起来，形成连续的薄膜。这种薄膜表面起伏较大，表面粗糙。薄膜一般有以下三种生长模式：

(2)层状生长。当覆盖度日小于1时，在基底上生成一些分立的单分子层组成的临界核，继续沉积时就会形成一连续的单分子层，然后在第一层上再生长单分子层的粒子。当覆，盖度日大于2时，形成两个分子层，并在连续层上再出现分立的单分子层的粒子。继续沉积，将一层一层地生长下去，形成一定厚度的连续膜。(3)层状加岛状生长。随原子沉积量的增加，即有单分子形成，在连续层上又有岛的生长。薄膜的分析技术由于表面分析技术的进步，现在可用多种方法来观察薄膜的形成过程，如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等。其中最方便的是原子力显微镜，因为薄膜在不同阶段沉积后，样品可不作任何处理便可直接观察。虽然原子力显微镜的分辨率相当高，但仍然不能看到临界核，所看到的是临界核长大后的粒子或岛，然后岛长大、接合，出现迷津结构。随着原子沉积增加，使通道加宽，空洞减少，最后形成连续的薄膜。常用的气相沉积技术PVDCVD物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，简称PVD法），是利用热蒸发、辉光放电或弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需涂层的技术。化学气相沉积是利用气态物质在固体表面发生化学反应，生成固态沉积物的过程。化学气相沉积的过程可以在常压下进行，也可以在低压下进行。CVD技术是当前获得固态薄膜的方法之一。PVD/CVD比较PVD/CVD比较PVD/CVD比较工业实例：

气相沉积技术在模具中的应用提高模具的精度、寿命、硬度和耐磨损、耐腐蚀以及耐高温性能通常包括三个方面：①正确选择模具材料；②对模具基体的热处理；③对模具表面的改性处理。模具表面改性处理的方法很多，有镀硬铬、合金的电镀法，有氮化、碳化及氧化等化学处理方法，有化学气相沉积(CVD)法和物理真空镀(PVD)法等镀膜的方法.PVD法与CVD法的比较

金属表面的处理方法中，CVD法应用较早，我国从70年代开始，主要用于超硬涂层。但耐冲击性能较差，特别是在间断切削时，很容易发生脆裂。PVD法可以克服这个缺点，它可以在工具钢的退火温度以下形成涂层。两者比较见表1。在模具的处理中，CVD法有些方面适用，尤其是用于凸模类的冷锻。然而，由于CVD是在工具钢的变态点以上的高温处进行处理，所以就必须有真空淬火和回火的后续处理，因此会发生变形，难于满足高精度的要求。相比之下，用PVD法就完全不发生变形。PVD法是能够在工具钢(高速钢、模具钢)的回火温度下，在金属表面上沉积一层硬质膜的方法。由于此法比较简单，均可在真空槽内进行，因此被广泛用于表面硬化技术中。冲压是大批量零件成型生产实用工艺之一。在冲压生产过程中，模具出现的问题最多，它是整个冲压生产要素中最重要的因素。直接影响到生产效率和成本。影响到产品的交货周期。模具问题主要集中在模具损坏、产品质量缺陷和模具的刃磨等，它们长期困扰着行业生产。模具损坏是指模具开裂、折断、涨开等，见图2所示。

PVD涂层技术针对冲压／成型模具的解决方案

在模具的使用过程中，早期失效经常出现。失效的因数通常是磨损、腐蚀、融合、粘着等。而PVD涂层技术可以广泛应用于各类磨损、咬合、腐蚀、粘着、融合等引起失效的工具、模具、机械零件、医疗器械等。其中，因磨损