第七章 气相沉积技术

《第七章 气相沉积技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 气相沉积技术（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第七章 气相沉积技术,19世纪末，德国的Erlwein等利用化学气相沉 积（简称CVD），在氢气的参与下，用挥发性的金 属化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯丝上形成 TiC。后来Arkel和Moors等又分别报道了在灯丝 上用CVD制取高熔点碳化物工艺试验的研究结果。 1954年，联邦德国金属公司的冶金实验室在工模具 表面也得到了致密、光滑、粘结力良好的TiC镀层， 并随之取得了联邦德国、美国、法国、瑞典及日本等 国的专利。19681969年，联邦德国和瑞典的 TiC镀层刀片已先后投放世界市场。,2,到1970年，美国、日本、英国等硬质合 金制造商也相继开始了镀层刀片的研究与生 产，美国TF

2、S公司与联邦德国研制的TiN镀 层刀片也相继问世。到60年代末，CVD沉 积TiC及Ti硬膜技术已逐渐走向成熟，大规 模用于镀层硬质合金刀片以及Cr12系列模 具钢。目前在发达国家中，刀片的70% 80%是带镀层使用的。,第七章 气相沉积技术,3,CVD的主要缺点是沉积温度高（900 1200），超过了许多工模具的常规热处理温 度，因此镀覆之后还需进行二次热处理，不仅 会引起基材的变形与开裂，而且也使镀层的性 能下降。为了克服这些缺点，研究工作者又开 发出了物理气相沉积（PVD）硬膜技术。,第七章 气相沉积技术,4,上世纪70年代是PVD技术与CVD技术全 面发展的阶段。1972年美国加州大学

3、Bunshan发明了活性反应蒸镀技术；1973年前苏联又推出了多弧离子镀；与 此同时，日本的村山洋一和小宫泽治分别发 明了射频离子镀和空心阴极离子镀。在这之 后，又推出了磁控溅射离子镀、集团束离子 镀等。,第七章 气相沉积技术,5,7.1 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，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。它包括 真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。与其他镀膜或表面处理方法相比，物理气相沉积 具有以下特点： （1）镀层材料广泛，可镀各种金属、合金、氧化 物、氮化物、碳化物等化合物镀层

4、，也能镀制金属、 化合物的多层或复合层；,第七章 气相沉积技术,6,7.1 物理气相沉积（PVD） （2）镀层附着力强；工艺温度低，工件一般无受热 变形或材料变质等问题，如用离子镀得到TiN等硬质 镀层，其工件温度可保持在550以下，这比化学 气相沉积法制备同样的镀层所需的1000要低得 多；镀层纯度高、组织致密；工艺过程主要由电参数 控制，易于控制、调节；对环境无污染。虽然存在设 备较复杂、一次投资较大等缺陷，但由于以上特点， 物理气相沉积技术具有广阔的发展前景。,第七章 气相沉积技术,7,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.1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

5、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。,第七章 气相沉积技术,8,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.1气相沉积的基本过程 （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。镀料原子在沉积时，可与其它活性气体分子发生 化学反应而形成化合物膜，称为反应镀。在镀料原子 凝聚成膜的过程中，还可以同时用具有一定能量的离 子轰击膜层，目的是改变膜层的结构和性能，这种镀

6、膜技术称为离子镀。,第七章 气相沉积技术,9,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.1气相沉积的基本过程蒸镀和溅射是物理气相沉积的两类基本镀膜技 术。以此为基础，又衍生出反应镀和离子镀。其中反 应镀在工艺和设备上变化不大，可以认为是蒸镀和溅 射的一种应用；而离子镀在技术上变化较大，所以通 常将其与蒸镀和溅射并列为另一类镀膜技术。,第七章 气相沉积技术,10,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜蒸发镀是PVD方法中最早用于工业生产的一种， 该方法工艺成熟，设备较完善，低熔点金属蒸发效果 高，可用于制备介质膜、电阻、电容等，也可以在塑 料薄膜和纸张上连续蒸镀铝膜。定义：在真空条件

7、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，简称蒸镀。,第七章 气相沉积技术,11,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 一、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。,第七章 气相沉积技术,12,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜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

8、，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。,第七章 气相沉积技术,13,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法蒸发源：加热待蒸发材料并使之挥发的器具称为 蒸发源，也称加热器。蒸镀方法主要有下列几种： 1.电阻加热法：让大电流通过蒸发源，加热待镀材 料，使其蒸发的简单易行的方法。,第七章 气相沉积技术,14,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法 1.电阻加热法：对蒸发源材料的基本要求是：高熔点，低蒸气 压，在蒸发

9、温度下不会与膜料发生化学反应或互溶， 具有一定的机械强度，且高温冷却后脆性小等性质。 常用钨、钼、钽等高熔点金属材料。按照蒸发材料的 不同，可制成丝状、带状和板状等。,第七章 气相沉积技术,15,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法 1.电阻加热法：对蒸发源材料的基本要求是：高熔点，低蒸气 压，在蒸发温度下不会与膜料发生化学反应或互溶， 具有一定的机械强度，且高温冷却后脆性小等性质。 常用钨、钼、钽等高熔点金属材料。按照蒸发材料的 不同，可制成丝状、带状和板状等。,第七章 气相沉积技术,16,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法 2.

10、 电子束加热：即用高能电子束直接轰击蒸发物质的表面，使其蒸发。由于是直接在蒸发物质中加热，避免了蒸发物质 与容器的反应和蒸发源材料的蒸发，故可制备高纯度 的膜层。一般用于电子原件和半导体用的铝和铝合 金，此外，用电子束加热也可以使高熔点金属（如 W，Mo，Ta等）熔化、蒸发。,第七章 气相沉积技术,17,7.1 物理气相沉积 7.1.2 蒸发镀膜,电子束加热 蒸发源,第七章 气相沉积技术,18,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法 3.高频感应加热：在高频感应线圈中放入氧化铝和 石墨坩埚，蒸镀的材料置于坩锅中，通过高频交流电 使材料感应加热而蒸发。此法主要用于铝的

11、大量蒸发，得到的膜层纯净而且 不受带电粒子的损害。,第七章 气相沉积技术,19,7.1 物理气相沉积 7.1.2 蒸发镀膜,高频感应加热 蒸发源,第七章 气相沉积技术,20,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法4.激光蒸镀法：采用激光照射在膜料表面，使其加 热蒸发。 由于不同材料吸收激光的波段范围不同，因而需 要选用相应的激光器。例如用二氧化碳连续激光加热 SiO2、ZnS、MgF2、TiO2、Al2O3、Si3N4等膜 料；用红宝石脉冲激光加热Ge、GaAs等膜料。,第七章 气相沉积技术,21,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法4

12、.激光蒸镀法：由于激光功率很高，所以可蒸发任何能吸收激光 光能的高熔点材料，蒸发速率极高，制得的膜成分几 乎与料成分一样。,第七章 气相沉积技术,22,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 (1) 合金膜的镀制如果要沉积合金，则在整个基片表面和膜层厚度范 围内都必须得到均匀的组分。有两种基本方式：闪蒸蒸镀法和多蒸发源蒸镀法。闪蒸蒸镀法就是把合金做成粉末或者细的颗粒，放 入能保持高温的加热器和坩埚之类的蒸发源中，使一 个一个的颗粒在一瞬间完全蒸发。,第七章 气相沉积技术,23,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 (1) 合金膜的镀制多

13、蒸发源蒸镀法是在制作由多种元素组成的合金 镀膜时，把这些元素分别装入隔开的几个坩埚中，坩 埚数量按合金元素的多少来确定。然后独立地控制各 坩埚所在蒸发源的蒸发，设法使到达基片上的各种原 子与所需镀膜组成相对应。,第七章 气相沉积技术,24,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （2）化合物的镀制大多数的化合物在热蒸发时会全部或部分分解。 所以用简单的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成 符合化学比的膜层。但有一些化合物，如氯化物、硫 化物和硒化物，甚至少数氧化物如B2O3，SnO可以 采用蒸镀。因为它们很少分解或者当其凝聚时各种组 元又重新化合。,第七章 气相沉积技

14、术,25,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （3）高熔点化合物的镀制氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔点一般很 高，而且制取这类化合物的也很昂贵，因此常采用 “反应蒸镀法”镀制这类化合物薄膜。如Al2o3、 Cr2O3、SiO2、Ta2O7、AlN、ZrN、TiN、TiC 等。,第七章 气相沉积技术,26,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （3）高熔点化合物的镀制反应蒸镀法就是在充满活性气体的气氛中蒸发固 体材料，使两者在基片上进行反应而形成化合物镀 膜。例如镀制TiC是在蒸镀Ti的同时，向真空室通入 乙炔气，于是在基片上Ti与

15、乙炔发生反应而得到TiC 膜层。,第七章 气相沉积技术,27,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （3）高熔点化合物的镀制如果在蒸发源和基板之间形成等离子体，则可提 高反应气体的能量、离化率和相互间的化学反应程 度，这称为“活性反应蒸镀”。,第七章 气相沉积技术,28,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （4）离子束辅助蒸镀法蒸发原子或分子到达基材表面时能量很低，加上已 沉积粒子对后来飞达的粒子造成阴影效果，使膜层呈 含有较多孔隙的柱状颗粒状聚集体结构，结合力差， 又易吸潮和吸附其他气体分子而造成性质不稳定。为 改善这种状况，可用

16、离子源进行轰击，镀膜前先用数 百电子伏的离子束对基材轰击清洗和增强表面活性， 然后蒸镀中用低能离子束轰击。,第七章 气相沉积技术,29,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （5）非晶蒸镀法采用快速蒸镀，有利于非晶薄膜的形成。Si、Ge 等共价键元素和某些氧化物、碳化物、钛酸盐、铅酸 盐、锡酸盐等在室温或其以上温度下可得到非晶薄 膜，而纯金属等需在液氦温度附近的基板上才能形成 非晶薄膜。采用金属或非金属元素或两种在高浓度下 互不相溶的金属元素共同蒸镀，比纯金属容易形成非 晶薄膜。,第七章 气相沉积技术,30,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 三、膜层镀制 （5）非晶蒸镀法另外也可通过加入降低表面迁移率的某些气体或 离子来获得非晶薄膜。非晶薄膜往往有一些独特的性 能和功能，具有重要用途。,第七章 气相沉积技术,31,7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 四、蒸镀用途蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能 膜，例如用作电极的导电膜，光学镜头用的增透膜 等。蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点 上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可 以表现出镀膜速率快的优势。,