表面技术(第8讲 气相沉积技术(Ⅱ))

《表面技术(第8讲 气相沉积技术(Ⅱ))》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面技术(第8讲 气相沉积技术(Ⅱ))（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术第八讲 气相沉积技术() CVD的方法与应用 CVD法沉积陶瓷涂层 CVD法沉积超硬涂层南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术一、CVD的方法与应用化学气相沉积(CVD)：利用气态化合物或气态化合物的混合物在基底表面上发生化学反应, 在基底表面上沉积固态薄膜的工艺技术。CVD过程：反应气体进入反应室到达基体并吸附在基体表面在基体表面发生化学反应固体生成物成核、生长多余反应产物被排除。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术1. CVD技术的分类 按激发方式分：热CV

2、D、等离子体CVD、光激发CVD、激光诱导CVD； 按反应室气压分：常压CVD、低压CVD； 按反应温度分：高温CVD、中温CVD、低温CVD； 按主要特征分：热激发CVD、低压CVD、等离子体CVD、激光(诱导)CVD、金属有机化合物CVD 。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术2. CVD的化学反应类型南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术3. CVD技术主要工艺参数 1).温度：由于大多数沉积反应为吸热反应，提高工艺温度有利于化学气相沉积的进行。CVD法温度一般在7001100。 2).反应物供给及配比：CVD原料选择常温下是气态物质或具有高蒸气压的液体或固

3、体。原料气按一定配比混合通入。 3).压力：压力影响反应器内热量、质量及动量传输，因此会影响反应效率、膜质量及膜厚度的均匀性。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术4. CVD技术的优点 1)设备简单，操作维护方便，既可制造金属膜、非金属膜，又制造多种成分的合金膜，并且能在相当大的范围内控制产物的组分。 2)可在常压或低真空状态下镀膜，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)涂层与基体之间结合好，在十分恶劣的条件下使用，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。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术5. CVD技

4、术的应用 1).复合材料制备：CVD法制备的纤维状或晶须状的沉积物多半用来制造各种复合材料； 2).微电子学工艺：CVD法制备半导体膜的外延、p-n结扩散源的形成、介质隔离、扩散掩膜和金属膜，CVD法制备高纯硅、使半导体进入了集成化的新时代； 3).半导体光电技术：CVD法可以制备半导体激光器、半导体发光器件、光接受器、集成光路等；南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术 4).太阳能利用：CVD法是制备太阳能电池最主要的技术，在硅、砷化镓同质结电池以及利用-族、-族等半导体制成了多种异质结太阳能电池，如SiO2Si，GaAsGaAlAs等； 5).光纤通信：光导纤维是用CVD技术

5、制得的石英玻璃棒经烧结拉制而成； 6).超导技术：CVD法制备的超导材料有Nb3Sn、Nb3Ge，V3Ga、Nb3Ga等； 7).保护涂层：CVD法可以沉积多种元素及其碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物和磷化物。涂层刀具。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术二、CVD法沉积陶瓷涂层CVD法沉积陶瓷涂层主要是碳化物、氮化物和硼化物。其性能如下：南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术1. TiN涂层 氮化钛的化学稳定性非常好，是一种非常优良的扩散屏障。摩擦系数很低，适合于减轻摩擦磨损及抗腐蚀、冲蚀和剥落，广泛用作硬质合金、工具涂层。南京航空航天大学 第八讲 气相沉

6、积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术2. TiC涂层碳化钛具有很高的硬度和抗磨损能力，特别适用于降低机械和磨粒磨损。但易受化学腐蚀，不用作扩散屏障。一般采用易挥发的卤化钛(TiCl4、TiI4)和碳氢化合物(CH4、C2H6)，通过化学气相沉积法(CVD)制备。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术3. B4C涂层 碳化硼硬度极高，可用于需要耐冲蚀的场合，也可用于核反应堆。以H2、N2、BCl3、CH4等气体，采用化学气相沉积法沉积。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术三、CV

7、D法沉积超硬涂层超硬材料：硬度在HV8000以上，硬度比陶瓷材料更硬的材料，包括：金刚石类金刚石立方氮化硼南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术1、CVD法沉积金刚石金刚石具有硬度最高、杨氏模量最大、摩尔密度最大、传递声速最快、热导率最高、透波波段最宽、禁带宽度大和化学惰性等一系列独特的力学、热学、声学、电学、光学和化学性能。自二十世纪八十年代CVD金刚石膜技术取得突破性进展以来，从日本和美国开始，进而在全世界掀起金刚石薄膜及其产品的制备和应用研究热潮。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术金刚石薄膜的性能南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空

8、航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术CVD金刚石膜重要应用领域南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术CVD金刚石膜沉积方法 热丝CVD 电子辅助CVD 直流等离子CVD 微波等离子CVD 电子回旋共振CVD 激光诱导CVD 火焰法 直流电弧等离子体喷射南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术热丝CVD的工艺参数 反应气体压强 碳氢比 灯丝温度 衬底温度 灯丝到衬底距离南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术(

9、) 表面技术反应气体压强 真空室气压主要靠通入气体的总流量与真空沉积室被真空系统抽走的气体量来控制。真空室气压升高，真空沉积室内反应气体的分子数增多，增加了电子碰撞各种气体基团的机会，使离解率增大；真空室气压太高，分子平均自由程减小，原子间的碰撞自由程减小，就使得气体中的电子温度降低，气源分子被离解的作用就减小，降低了离解率。真空室气压在一定范围内的升高，膜的生长速率减小，质量却有提高。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术碳氢比在一定范围内，随着碳源浓度的增加，这时H的浓度降低，活性基中CH3的比例增加，这使得原子H对石墨等非金刚石成分的刻蚀作用降低，金刚石的成核密度也随之增加

10、，晶核晶面的成长逐渐由（111）晶面生长为主变为以（100）晶面生长为主，同时晶核中非金刚石的成分含量增多。通过调节碳源浓度，可以实现对金刚石薄膜生长的（111）晶面和（100）晶面的控制。碳源浓度对金刚石成核的影响主要表现为影响金刚石成核密度、金刚石晶核的晶面取向、金刚石晶核中非金刚石成分的含量等方面。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术灯丝温度 随着气相沉积温度的升高，反应气体的离解率升高，提高了氢对石墨相的刻蚀和抑制石墨相的生成，沉积生长的速率也就升高。但受到热丝熔点的限制。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术衬底温度衬底温度直接影响衬底表面的微观过程，引

11、起原子迁移、原子凝结系数、金刚石成核临界尺寸、原子H和CH3活性基的转化速率等，衬底温度过高或过低都会引起非晶碳的石墨相形成；一定范围内衬底温度升高，成核与生长速率、晶粒尺寸升高，但衬底温度进一步提高，成核与生长速率、晶粒尺寸降低。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术灯丝到衬底距离 灯丝到衬底距离小生长速率增大，但衬底温度场不均匀。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术金刚石膜沉积设备 连续稳定运行200小时，成功制备厚度为2mm，直径为100mm的金刚石厚膜和掺硼金刚石厚膜。第1代大面积EACVD系统(手动控制)第2代大面积EACVD系统(智能控制)第3代小型化

12、EACVD系统(智能控制)直流等离子喷射CVD设备南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术大面积均匀CVD金刚石厚膜沉积SEM及Raman 谱CVD厚膜南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术大面积曲面金刚石厚膜沉积大尺寸金刚石厚膜球冠 金刚石膜Raman谱 金刚石膜AFM照片400 800 1200 1600 2000010002000300040005000Intensity/a.u.Wavenumber/cm-1 南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面

13、技术Si3N4陶瓷轴承内圈、外圈和滚珠表面上的NCD涂层轴承内圈温度场轴承外圈温度场陶瓷轴承NCD涂层南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术CVD金刚石涂层电极药厂废水处理效果0未处理；1金刚石电极；2Ti/IrO2/Ta2O5涂层电极B掺杂金刚石涂层电极01 2掺硼金刚石电极 Ti/IrO2/Ta2O5涂层电极循环伏安曲线药厂废水处理中COD的变化南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术金刚石厚膜透波窗口(a)1010的透明金刚石样品(b) 多尺寸透明金刚石样品1000 2000 3000 40000.40.50.60.7成核面与生长面的透射率曲线南京航空航天大学

14、第八讲 气相沉积技术() 表面技术金刚石工具金刚石厚膜刀具金刚石涂层刀具金刚石拉丝模电沉积金刚石工具南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术2、CVD法沉积类金刚石 DLC的物理、化学性质与金刚石类似，具有很高的硬度，很低的摩擦系数，很高的热导率，很好的红外光学特性及很好的化学稳定性等等。但DLC的性质在很宽的范围内变化，DLC随着膜中sp3和sp2成分的变化，DLC的性质变化。 典型的制备方法有射频等离子体CVD ，双离子束溅射CVD，激光CVD等。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术3、CVD法沉积立方氮化硼 c-BN是继金刚石后人工合成的第二种超硬无机材料，它具有很多类似金刚石的优异特性，其硬度、耐磨性、耐碱能力仅次于金刚石，但热稳定性、化学稳定性优于金刚石，易于实现掺杂。南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术南京航空航天大学 第八讲 气相沉积技术() 表面技术