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1、物理气相沉积技术,第八章,低维材料,定义：二维、一维和零维材料，统称低维材料。 二维材料：是指当材料的任一维度，如Z方向的尺寸小到纳米量级，则此材料就成为X，Y方向延展的二维材料。 薄膜材料(纳米薄膜） 一维材料：当材料在Z方向缩小的同时，Y方向也缩小到纳米尺度。又称量子线，纳米管 零维材料：当材料在X，Y，Z方向上的尺寸都缩小到纳米量级。 纳米粉体材料,PVD是制备低维材料的手段，特别是薄膜材料！,What is the Deposition?,薄膜材料的制备,气相沉积技术 溶胶凝胶技术,（装饰，机械制品，电子器件）,眼镜片的镀膜,1、减反射膜（增透膜） 2、顶膜（防水膜、防雾膜）,镀膜技术
2、的评价 薄膜性能 膜厚分布 附着力 沉积速度,一、 真空蒸发镀,概念： 真空蒸发镀是将被镀工件放在真空室，并用一定方法加热使镀膜材料（简称膜料）蒸发或升华飞至工件表面凝聚成膜。,（一）真空蒸发镀示意图,、蒸发 、汽化粒子的输运（源基距平均自由程） 、凝聚、生长过程,（二）主要过程,1、蒸发过程,蒸发速率： Gm4.38*103PS(Ar/T）0.5 确定材料的饱和蒸汽压PS ，T Gm 确定材料的饱和蒸汽压PS ，Gm T,蒸发方式（蒸发源类型）,1、电阻加热蒸发方式 2、电子束加热蒸发方式 3、高频加热蒸发方式 4、激光加热蒸发方式 优点：可用于高熔点膜材，蒸发速率高,3、凝聚、生长过程,表
3、面现象： 被吸附粒子的凝聚、生长过程： 原子表面扩散 ，发生碰撞，形成原子簇团； 原子超过临界值，形成稳定核； 稳定核合并； 晶核长大； 生成连续膜或纳米粒子。,反射,吸附,再蒸发,动态平衡,（三）真空蒸发镀工艺,1、一般工艺 镀前准备抽真空离子轰击一烘烤一预热一蒸发镀一取件镀后处理一检测一成品。 2、合金蒸发镀工艺 (蒸汽压不同导致组分偏离) （1）多源同时蒸发法 （2）瞬源同时蒸镀法（闪蒸法）,清洗、 蒸发源,表面清洗,除吸附气体,提高基体活性,立式蒸发镀膜机,蒸发镀膜制品,二、 溅射镀,(一）概念 用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄
4、膜的方法称为溅射镀膜。,靶材,(二）镀膜原理,1.离子束溅射：指真空状态下用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜。 2.阴极溅射：利用低压气体的异常辉光放电产生的阳离子，在电极作用下高速冲向阴极（耙材），以致对靶材表面产生非常强烈的溅射作用，并使溅射出的粒子沉积到基片或工件上成膜，是把基片或工件作为阳极。,离子束溅射,工艺昂贵,阴极溅射镀膜原理示意图,1-高压屏蔽 2-高压线 3-基片 4-钟罩 5-阴极屏蔽 6-阴极 （靶材）,7-阳极 8-加热器 9-Ar进口 10-加热电源 11-至真空系统 12-高压电源,阴极溅射主要过程：,（三）膜生成的三大阶段：,1.靶面原子的溅射 2.
5、溅射原子向基片迁移 粒子的平均自由程，决定了靶面与基板的距离！ 3.成膜粒子向基板入射并沉积成膜,靶面原子的溅射,1.机理 1）高温蒸发 2）弹性碰撞 2.靶材表面原子运动现象,（四）影响溅射量的因素：,1.Q ，气压高，离子数目多，杂质多 2. 1）靶材元素种类；2）入射离子能量 3.T 4.入射角,Ar溅射不同靶 材的溅射率曲线,不同气体离子轰 击钨靶的溅射率曲线,（五）溅射镀膜的优缺点,优点： 1）适用性广 2）粒子能量高：对基片有清洗，升温的作用；薄膜附着力大。 3）薄膜成分易控制 4）可实现工业化 缺点： 1）装置复杂 2）受气氛影响 3）需要制备靶材 4）沉积速度低 5）基片温度高
6、,真空蒸发镀膜： 0.15um/min 二级溅射速率：0.010.5um/min,射频、磁控溅射,（六）常用阴极溅射方法,根据电极的结构，电极的相对位置以及溅射镀膜的过程可以分为二极溅射、三极（四极）溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射、吸气溅射等。 按溅射方式的不同，又可分为直流溅射、射频溅射、偏压溅射和反应溅射等。,1、二极溅射镀膜,属于单纯直流溅射法，装置简单，是最早采用的阴极溅射方法。 问题：1）有直射电子冲击基材，使基材温度升高 达几百度，因此塑料和不允许热变形的 精密零件无法采用。 磁控溅射 2）速度慢，不适于制造10m以上的厚膜。 磁控溅射 3）只能沉积金属膜，而不能沉积介质膜
7、。 射频，磁控溅射,2、射频溅射镀膜,原理：利用高频电磁辐射来维持低气压（2.510 2Pa）的辉光放电。这样在一个周期内正离 子和电子可以交替地轰击靶，从而实现溅射 介质材料（靶子）的目的。 可解决直流阴极溅射方法能沉积介质膜的问题！,射频溅射镀膜的原理图,1-射频电源 ；2-匹配电路；3-射频电级（水冷） 4-电磁线圈；5-工件；6-工件架（水冷）； 7-靶材；8-射频电级,阴极为小电极,阳极为大电极,原理：,电极面积大小 暗区电压降 离子能量 小电极的离子能量大电极的离子能量 当离子能量溅射阀能，电极上不发生溅射 一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶材,应用： 用来沉积各种合金膜、磁性
8、膜、超声换能器的铌酸锂和钛酸钡压电薄膜和其它功能薄膜。 特点：（相对直流溅射） 1）射频溅射几乎可以用来沉积任何固体材料的薄膜； 2）获得的薄膜致密、纯度高； 3）与基片附着牢固； 4）溅射速率大、工艺重复性好。,3、磁控溅射镀膜（高速低温溅射）,有效解决了基片温度升高和溅射速度低的问题！,JC500-2/D型磁控溅射镀膜机,磁控溅射镀膜制品,三、 离子镀膜,（一）基本原理： 在基片和蒸发源间加上数百至数千伏的直流电压，引起氩气的电离，形成低压气体放电的等离子区。处于负高压的基片被等离子体包围，不断遭到氩离子的高速轰击而溅射清洗并活化。然后接通交流电，使蒸发源中的膜料加热蒸发，蒸发出的粒子通过
9、辉光放电的等离子区时部分被电离成为正离子，通过电场与扩散作用，高速打在基片表面。 此外，大部分仍处于激发态的中性蒸发粒子，在惯性作用下到达基片表面，堆积成薄膜。,离子镀膜原理示意图,（二）常用离子镀膜方法,1、空心阴极离子镀(HCD) 2、多弧离子镀 3、磁控溅射离子镀技术 4、活性反应离子镀,1、空心阴极离子镀(HCD),过程：, HCD枪作为： 1）镀料的汽化源 2）蒸发离子的离化源,电子束蒸发镀与离子镀技术相结合的！,空心阴极离子镀(HCD)装置示意图,1-HCD枪； 2-钟罩；3-工件；4-高压电源5-水冷钢坩埚；6-坩埚,2、磁控溅射离子镀技术,磁控溅射技术与离子镀技术相结合的！,过
10、程：,等离子体,等离子体清洗,阴极,阳极,阴极,磁控溅射离子镀原理示意图,1-真空容器； 2-永久磁铁； 3-磁控阳极 4-磁控靶； 5-磁控电源； 6-真空系统 7-氩气充气系统； 8-基板（工件）； 9-控制系统,（三）离子镀的优点：（与蒸发、溅射比较）,电场作用下高能离子对基板轰击作用！ 1.膜层附着力好 2.膜层的密度高 3.绕射性能好（使工件各表面处于电场之中） 4.可镀材质范围广 5.有利于化合物膜层的形成 6.沉积速度高，成膜速度快,三种PVD镀膜机理比较,三种PVD镀膜技术性能比较,小结：,三大过程： 1.膜料分离（蒸发速率、溅射率） 1）气化蒸发-蒸发镀（加热） 2）离子溅射-溅射镀（辉光放电） 2.粒子迁移（粒子平均自由程） 1）粒子自由运动 2）电场作用-离子镀（离化） 3.沉积成膜（动态平衡）,作业： 1、试比较不同PVD法的机理及特点？ 2、蒸发镀的主要过程？ 3、磁控溅射离子镀的主要过程？ 4、举一个PVD应用实例？,
