表面处理工艺-pvd及其他

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1、表面处理工艺,刘西净 2010年12月,内容,物理气相沉积,物理气相沉积原理,高真空 (HV) 高纯材料 清洁和光滑的衬底表面 提供能量的电源,PVD的四个条件,真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。 真空技术是基本实验技术之一。自从1643年托里拆利(E. Torricelli)做了著名的有关大气压力实验，发现了真空现象以后，真空技术迅速发展。现在，真空技术已经成为一门独立的前言学科。,真空的概念,真空量度单位 1标准大气压=760mmHg=

2、760(Torr) 1标准大气压=1.013x105 Pa 1Torr=133.3Pa,真空区域的划分 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空,真空的基本特点,在真空中，气体分子密度低，在某些情况下，真空可以近似地看作没有气体“污染”的空间。真空中，气体分子或带电粒子的平均自由程为：,其中为分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数。,真空获得真空泵,1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。 原理：当泵工作后，形成压差，p1 p2，实现了抽气。,真空泵的分类,气体传输泵: 是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散

3、泵、涡轮分子泵。 气体捕集泵: 是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。,真空泵的主要参数,抽气速率: 定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积 或表示为： 其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。 泵的抽气速率S并不是常数，随P而变。,几种常用真空泵的工作压强范围 旋片机械泵 吸附泵 扩散泵 涡轮分子泵 溅射离子泵 低温泵,旋片式机械泵,几种常用真空泵的工作原理 1. 旋片机械泵,2. 油扩散泵,水冷套； 2. 喷油嘴； 3. 导流管； 4. 泵壳； 5. 加热器,3.涡轮分子泵,1. 动叶轮；2.

4、泵壳；3. 涡轮排； 4. 中频电动机；5. 底座；6. 出气口法兰； 7. 润滑油池；8. 静叶轮；9. 电机冷却水管.,真空的测量真空计 1. 绝对真空计,直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计) 。,压缩型真空计 测量范围：103 10-3 Pa,U型计 测量范围：105 10 Pa,2. 相对真空计,热偶真空计(热传导真空计) 测量范围：100 10-1 Pa 热阴极电离真空计 测量范围：1.3310-1 1.3310-5 Pa 超高真空熱阴极电离计 测量范围：1.3310-1 1.010-10Pa,直接测量与压强有关的物理量，再与绝对真空计相比较进行 标定的真空计。

5、,薄膜厚度的测量,干涉显微镜法 称重法 石英晶体振荡器法,真空蒸发镀,基本思想：提高温度，熔解并蒸发材料 将材料置于某种容器内（上） 将用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料 将用绝缘材料(quartz, graphite, alumina, beryllia, zirconia)制成的坩埚通上射频交流电，利用电磁感应加热材料,真空蒸发,常用蒸发源,加热丝,加热舟,坩埚,盒状源（Knudsen Cell）,In-Sn丝,NCVM镀膜材料,锡粒,NCVM工艺流程,金属在制成厚度低於100nm 的薄膜时,都会形成岛状不连续的金属膜,使得其电阻率大幅

6、增加,NCVM不导电的原理,性能： 1、ESD , 阻值 (200M20G以上) ； 2、RF的测试 ； 3、常规信赖性测试。,网络分析仪,影响良率的因素 薄膜厚度 50nm 50-100nm 100nm 薄膜厚度的均匀性 钨丝篮的分布 镀膜用量的分布 空间中真空度的均匀性 喷涂的品质 杂质 橘皮 积漆,电子束蒸发镀,原理：利用电子束加热使膜材汽化蒸发后，凝结在基片表面成膜的一种方法。电子束获得能量密度大，可加热到3000度以上，可同时满足高熔点材料蒸发，如钨、SiO2、Al2O3等。 被蒸镀材料放在水冷坩埚内，可免容器材料蒸发及其与膜材的反应。 电子束轰击膜材时，会激发许多有害的反射电子、背

7、散射电子及二次 电子，损伤基片。,电子束蒸发镀,E-Gun Crucible,Substrate fixture,常用蒸发材料形态,SiO2/MgF2,五氧化三钛,ZnS,氧化锆,ZnS,三氧化二钛,光学增透膜,用于玻璃基底的增透膜 经典的单层增透膜由一薄层MgF2构成，MgF2在510nm时的折射率为n=1.38，需要的膜厚为d=92nm。因此，在510nm波长时膜层有一个光学密度（厚度）n*d为1/4的波长。镀在加热到250-300C的玻璃基底上的MgF2，不但牢固，稳定，并且相当方便，经济，直接使用蒸发船便可。 想得到更低的反射率，最简单的方法是镀一层CeF3和一层MgF2（各为1/4的

8、光学厚度），可用蒸发船。2层膜的优点是在可见光范围的中段有更低的反射率，缺点在于在红，蓝端的反射率上升过快。 由于2层膜的效果不理想，为了达到理想的效果，必须使用3层或多层膜。,6层AR膜：玻璃/TiO2/SiO2/ TiO2/SiO2 TiO2/SiO2 厚度范围（nm）913/3040/5080/115/2240/8090 AR宽度范围：0.6%,430680nm,真空溅射镀,溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下轰击作为阴极的靶材，使靶材中的原子（或分子）逸出并沉积到基板表材上形成所需要的膜。在阴极靶材上造一个正交的磁场，是的电离的几率增加，就成为了广泛应用的磁控溅射镀。,分类：

9、,成膜条件： 靶材 Ar 周围的真空环境,磁控溅射原理,1.氩气电离 Ar Ar+ + e 2.在电场作用下电子会加速飞向阳极 3.在电场作用下， Ar+会加速飞向阴极的靶材，靶材离子及二次电子被击出，前者到达基材表面形成薄膜，后者会被加速至阴极途中促成更多的电离 4.垂直分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程中的几率的作用。,DC ( 导电材料 ) RF ( 绝缘介质材料 ) 反应 (氧化物、氮化物) 或不反应 ( 金属 ),溅射过程的物理模型,磁控溅射原理 为了提高离化率,增加溅射沉积的速率,在靶背面增加磁场是个有效的方法-电场与

10、磁场的交互作用,使得二次电子在靶面做螺旋式运动, 大大延长了二次电子的运动行程，从而大大增加了它同气体分子碰撞的机会，从而大大地提高了离化率，增加了溅射速率。,磁控溅射的特点 1. 离化率高，等离子密度大，从而提高了溅射速率； 2. 减少了电子对基材的轰击，从而有效地降低了基材的温升； 3. 平面靶材利用率低，只有20-30%左右，不过目前可以使用旋转圆柱靶材，可以获得70%以上的利用率。,溅射电流 ( 生长速率 ) 压强 ( 溅射粒子的最高能量 ) 压强与靶材-衬底之间的距离 (多孔性、质地、晶体性） 反应气体混合比 ( 化学配比 ) 衬底温度 ( 晶体性、密度和均匀性 ) 衬底偏压 ( 薄

11、膜结构和化学配比 ),磁控溅射中的重要参数,溅射靶材,水平溅射镀,价格低。 金属薄膜厚度只有0.52m，不影响装配。 环保制程，无污染。 欲溅射材料无限制 被溅射基材几无限制 膜质致密均匀、膜厚容易控制。 附著力强,EMI的优点,工艺： 超声波清洗-烘干-辉光清洗-镀铜-（Al Ag Ni )镀不锈钢,性能： 电阻 耐蚀性 附着力 环境测试,真空离子镀,真空离子镀膜技术是将真空蒸发及溅射相结合的一种新镀膜技术。 离子镀与蒸发镀、溅射镀的本质区别：前者在基片上施加了负偏压，后者在基片上未加负偏压。在之前讲过的各种蒸发镀、溅射镀技 术中，若能在基片（导电基材）上施加一定幅值的直流或脉冲负偏 压，便

12、可使其变成蒸发离子镀、溅射离子镀，统称离子镀,在镀膜的同时，采用带能离子轰击基材表面和镀膜层的镀膜技术称为离子镀。离子轰击的目的在于改善膜层的性能。 它借助于一种惰性气体的辉光放电，使金属或合金蒸气离子化。离子经电场加速而沉积在带负电荷的工件上。,离子镀应用,1、工艺性镀膜：提高工件表面理化特性的镀膜可使其使用寿命及生产效率成倍提高。如在切削刀具上镀制25m的TiN膜层，可使刀具寿命提高210倍，提高切削速度30%,提高进给量20100%，且使加工工件的光滑度提高一个等级。,2、装饰性镀膜：离子镀膜设备可制备多种色泽的膜层，由浅到深的金黄色，黑色，蓝色以及彩色和复合色等等，在钟表首饰，灯具厨具

13、及各种装饰性材料的加工过程中已被广泛运用。,高速切削工具(钻头，铣刀等)：镀-AlTiN，TiAlN等,机加工工具(车刀，铣刀，滚刀等)：镀-TiN，TiNC，TiAlN等,模具(塑料挤压模具，金属成型模具等)：镀-TiN，TiNC，TiAlN，CrC,锯片(金属锯片，石料锯片，木工锯片等)：镀-TiN，CrC，TiCN，AlTiN,TiAlN-氮化钛铝 多层膜结构，适用于众多种类工具，例如碳化钨，陶瓷，高速钢，具有良好的热传导率和优秀的化学稳定性，适用于高硬度模具之高速干式切削等各类切削刀具，及需耐温，耐腐蚀性场合之模具，工具零配件。,TiAlN-氮化铝钛(高铝) 纳米结构，更强化了附着力，

14、硬度及减低内应力，适用于高硬度模具钢材之高速，干式切削等各类切削刀具，及需耐温、耐腐蚀性场合之模具、工具零配件。,离子镀的种类,（a）高频放电离子镀（b）空心阴极放电离子镀 (c) 感应加热离子镀,离子镀时离子沉积的能量达到30l000eV，故结合力极好，再复杂形状的工件也能镀覆，沉积速率也较快，一般在150mmin。膜层致密无孔。,镀膜：DLC 氮化钛、氮化钽、氮化锆及碳化钛,PMMA表面陶瓷涂层研究,涂层特点： 有机无机杂化涂层 交联式网状结构 透明,PMMA特点：,透明度 92% 化学稳定好 耐候性 易加工 质量轻 抗冲击性好 是无机玻璃的8-10倍,易划伤 耐热性差,溶胶一凝胶工艺作为

15、一种先进的工艺方法，由于具有反应条件温和、容易控制、材料性能调节余地大等特点，可以很方便地通过改变参与反应的有机、无机组分含量，实现纳米涂层的性能裁剪，得到所需性能。,涂层参数,工艺流程,Si（OC2H5）4+H2O Si（OH）4+ 4C2H5OH,水解反应,缩聚反应,nSi（OH）4 nSiO2 + 2nH2O,原材料：无水乙醇、盐酸、正硅酸乙酯、流平剂、消泡剂、偶联剂,反应方程：,偶联剂,偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，它们分子中的一部分官能团可与有机分子反应，另一部分官能团可与无机物表面的吸附水反应，形成牢固的粘合。,硅烷偶联剂硅烷偶联剂的通式为RSiX3，式中R代表氨基、巯基

16、、乙烯基、环氧基、氰基及甲基丙烯酰氧基等基团，这些基团和不同的基体树脂均具有较强的反应能力，X代表能够水解的烷氧基（如甲氧基、乙氧基等）。硅烷偶联剂在国内有KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171这几种型号。,KH550 -氨丙基三乙氧基硅烷 KH560 -缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 KH570 -（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷 CH2=C(CH3)COOC3H6Si(OCH3)3,涂层制备参数,PH值 催化剂 反应温度 黏度 陈化时间 涂布的参数 干燥温度,涂布方式的选择,喷涂 利用喷枪等喷射工具把涂料雾化后，喷射在被涂工件上的涂装方法 旋涂 电子工业中，基片垂直于自身表面的轴旋转，同时把液态涂覆材料涂覆在基片上的工艺 浸涂 将工件浸没于涂料中，取出，除去过量涂料的涂装方法,涂层的测试,附着力 铅笔硬度 抗划痕测试 钢丝绒测试 耐溶剂测试 热冲击测试,Testing method: hammer scratch test,