物理气相沉积的基本过程

物理气相沉积的基本过程（1）气相物质的产生一类方法是使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜；另一类是用具有一定能量的离子轰击靶材（镀料），从靶材上击出镀料原子，称为溅射镀膜。（2）气相物质的输送气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍气相镀料到达基片。（3）气相物质的沉积气相物质在基片上沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。原理蒸发原理在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称蒸发镀膜（简称蒸镀）。蒸发镀膜过程是由镀材物质蒸发、蒸发材料粒子的迁移和蒸发材料粒子在基板表面沉积三个过程组成溅射镀膜在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。在溅射镀膜中，被轰击的材料称为靶。由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。用离子束轰击靶而发生的溅射，则称为离子束溅射离子镀的原理离子镀是在真空条件下，借助于一种惰性气体的辉光放电使气体或被蒸发物质部分离化，气体或被蒸发物质离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击的同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。离子镀的技术基础是真空蒸镀，其过程包括镀膜材料的受热，蒸发，离子化和电场加速沉积的过程。蒸发镀膜是物理气相沉积的一种，与溅射镀膜和离子镀膜相比有如下优缺点：设备简单可靠、工艺容易掌握、可进行大规模生产，镀膜的形成机理比较简单，多数物质均可采用真空蒸发镀膜；但镀层与基片的结合力差，高熔点物质和低蒸气压物质的镀膜很难制作，如铂、铝等金属，蒸发物质所用坩埚材料也会蒸发，混入镀膜之中成为杂质。溅射镀膜的特点与真空蒸镀法相比，有如下特点：①结合力高；②容易得到高熔点物质的膜；③可以在较大面积上得到均一的薄膜；④容易控制膜的组成；⑤可以长时间地连续运转；⑥有良好的再现性；⑦几乎可制造一切物质的薄膜。离子镀的特点（1）离子镀可在较低温度下进行。化学气相沉积一般均需在900℃以上进行，所以处理后要考虑晶粒细化和变形问题，而离子镀可在900℃下进行，可作为成品件的最终处理工序。（2）膜层的附着力强。如在不锈钢上镀制20～50μｍ厚的银膜，可达到300N/mm2粘附强度。主要原因：离子轰击时基片产生溅射，使表面杂质层清除、吸附层解吸，使基片表面清洁，提高了膜层附着力；溅射使膜离子向基片注入和扩散，膜晶格中结合不牢的原子将被再溅射，只有结合牢固的粒子形成膜；轰击离子的动能转变为热能，对蒸镀表面产生了自动加热效应，提高表层组织的结晶性能，促进了化学反应，而离子轰击产生的晶体缺陷与自加热效应的共同作用，增强了扩散作用；飞散在空间的基片原子有一部分再返回基片表面与蒸发材料原子混合和离子注入基片表面，促进了混合界面层的形成。3)绕镀能力强。首先，蒸发物质由于在等离子区被电离为正离子，这些正离子随电场的电力线运动而终止在带负电的基片的所有表面，因而在基片的正面、反面甚至基片的内孔、凹槽、狭缝等都能沉积上薄膜。其次是由于气体的散射效应，特别是在工件压强较高时，沉积材料的蒸气离子和蒸气分子在它到达基片的路径上将与残余气体发生多次碰撞，使沉积材料散射到基片周围，因而基片所有表面均能被镀覆。（4）沉积速度快，镀层质量好。离子镀获得的膜层，组织致密，气孔、气泡少。而且镀前对工件清洗，处理较简单，成膜速度快，可达1～50μm/min，而溅射只有0.01～1μm/min。离子镀可镀制厚达30μm的膜层，是制备厚膜的重要手段。5）工件材料和镀膜材料选择性广。工件材料除金属以外，陶瓷、玻璃、塑料均可以，镀膜材料可以是金属和合金，也可以是碳化物、氧化物和玻璃等，并可进行多元素多层镀覆薄膜技术：1.薄膜材料与制备技术2.薄膜沉积过程监测控制技术3.薄膜检测技术与薄膜应用技术物理气相沉积是利用热蒸发、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。包括:蒸发镀膜，离子镀膜，溅射镀膜蒸镀在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称为蒸发镀膜，蒸镀方法主要有下列几种：1.电阻加热法2.电子束加热3.高频感应加热溅射镀膜在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。溅射镀膜方法（1）直流二极溅射2）三极溅射3）磁控溅射（4）反应溅射离子镀的类型1．空心阴极离子镀（HCD）2．活性反应离子镀8.2化学气相沉积（CVD）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。与物理气相沉积不同的是：化学气相沉积沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。是在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。CVD反应过程及一般原理在反应器内进行的CVD过程，其化学反应是不均匀的，可在衬底表面或衬底表面以外的空间进行。衬底表面的大致过程如下：（1）反应气体向衬底表面扩散。（2）反应气体分子被吸附于衬底表面。（3）在表面上进行化学反应、表面移动、成核及膜生长。（4）生成物从表面解吸。（5）生成物在表面扩散。CVD基本条件:沉积温度下必须有足够高的蒸汽压；反应生成物除所需沉积物为固态外，其余为气态；沉积物本身饱和蒸汽压足够低。CVD的特点CVD与其他涂层方法相比，具有如下特点：（1）设备简单，操作维护方便，灵活性强，既可制造金属膜、非金属膜，又可按要求制造多种成分的合金、陶瓷和化合物镀层。通过对多种原料气体的流量调节，能够在相当大的范围内控制产物的组分，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。（2）可在常压或低真空状态下工作，镀膜的绕射性好，形状复杂的工件或工件中的深孔、细孔都能均匀镀膜。（3）由于沉积温度高，涂层与基体之间结合好，这样，经过CVD法处理后的工件，即使用在十分恶劣的加工条件下，涂层也不会脱落。（4）涂层致密而均匀，并且容易控制其纯度、结构和晶粒度。（5）沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层。该法最大缺点是沉积温度高，一般在700～1100℃范围内，许多材料都经受不了这样高的温度，使其用途受到很大的限制。CVD与PVD比较1工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别。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。2CVD工艺对进入反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些，因为附着在工件表面的一些污物很容易在高温下烧掉。此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些。3CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，前者厚度在7.5μm左右，后者通常不到2.5μm厚。CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。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。4CVD反应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CVD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。5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在CVD工艺过程中，要严格控制件，否则，系统中的反应气体或反应产物的腐蚀作用会使基体脆化，如高温会使TiN镀层的晶粒粗大。6比较CVD和PVD这两种工艺的成本比较困难，有人认为最初的设备投资PVD是CVD的3一4倍，而PVD工艺的生产周期是CVD的1/10。在CVD的一个操作循环中，可以对各式各样的工件进行处理，而PVD就受到很大限制。综合比较可以看出，在两种工艺都可用的范围内，采用PVD要比CVD代价高。7操作运行安全问题，PVD是一种完全没有污染的工序，有人称它为“绿色工程”而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质，因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防范。近年来，采用PCVD已经有可能把制取TiN超硬膜的温度降到550℃，为在高速钢刀具上沉积超硬膜提供了极有发展前途的新方法。