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1、现代材料加工工艺、技术与装备题目：气相沉积技术姓名：肖彦荣学号：123312053学院：粉末冶金研究院1.概述1.1 气相沉积的分类及特点气相沉积技术是近 30 年来迅速发展的一门新技术，它是利用气相之间的反应，在各种 材料或 制品表面沉积单层或多层薄膜， 从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。 这种技 术的应用有十 分广阔的前景。 气相沉积基体过程包括三个走骤： 即提供气相镀料； 镀料向所 镀制的工件 （或基 片）输送；镀料沉积在基片上构成膜层。沉积过程中若沉积粒子来源于化 合物的气相分解反应，则称 为化学气相沉积（CVD）；否则称为物理气相沉积（PVD），还有一种是物理化学气相沉积（PV
2、CD）。物理气相沉积与化学气相沉积的主要区别在于获得沉积 物粒子 （原子、分子、离子 ）的方法及成膜过程不同。化学气相沉积主要通过化学反应获得沉 积物的粒子 并形成膜层。 物理气相沉积主要是通过蒸发或辉光放电、 弧光放电等物理方法获 得沉积物粒子并形 成膜层。 物理化学气相沉积主要是利用产生等离子体的物理方法增强化学 反应沉积，降低沉积温 度，获得膜层的方法。低气相沉积分类气相沉积一般在密封系统的真空条件下进行，除常压化学气相沉积（NPLVD）系统的压强约为一个大气压外， 都是负压。 沉积气氛在真空室内反应，原料转化率高， 可以节约贵重材 料资 源。 气相沉积可降低来自空气等的污染， 所得到的
3、沉积膜或材料纯度高。 能在较低温度 下制备高 熔点物质如各种超硬涂层。 适于制备多层复合膜、 层状复合材料和梯度材料。 如在 硬质合金刀具 表面用 CVD 法沉积 TiC-Al2O3-TiN 的复合超硬膜； 用 PCVD 法沉积 Ti-TiC 系的多 层梯度材料等。1.2气相沉积的基本过程气相物质的产生： 一是使镀料加热蒸发产生气相物质； 二是用具有一定能量的离子轰击 靶材 （镀料），从靶材上轰击出镀料原子。气相物质的输送：在真空中进行，避免气体碰撞妨碍气相镀料到达基片。 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。2.物
4、理气相沉积（ PVD）2.1概述物理气相沉积（Physical Vapor Deposition , PVD）技术表示在真空条件下，采用物理方 法， 将材料源固体或液体表面气化成气态原子、 分子或部分电离成离子， 并通过低压气体 （ 或 等离子体 ）过程， 在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 物理气相沉积的主要方 法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前， 物理气相 沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物 膜等。真空蒸镀基本原理是在真空条件下， 使金属、 金属合金或化合物蒸发， 然后沉积在基体 表面 上， 蒸发的
5、方法常用电阻加热， 高频感应加热， 电子柬、 激光束、离子束高能轰击镀料， 使蒸发 成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD 法中使用最早的技术。溅射镀膜基本原理是充氩（Ar）气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩（Ar）原子电离 成氩离子（Ar+），氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来 而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流 （Qc）溅射，射频（RF）辉光放电引起 的称射频溅射。磁控（M）辉光放电引起的称磁控溅射。电弧等离子体镀膜基本原理是在真空 条件 下，用引弧针引弧，使真空金壁 （阳极）和镀材 （阴极）之间进行弧光放电，阴极表面快
6、速 移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至 “异华” 镀料， 使之电离成以镀料为主要成分的电 弧等 离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。 离子镀基本原理 是在真空条件下， 采用某种等离子体电离技术， 使镀料原子部分电离成离子， 同时产生许多高能量 的中性原子， 在被镀基体上加负偏压。 这样在深度负偏压的作用下， 离 子沉积于基体表面形成薄 膜。物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：（1）镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。（2）镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种 反应。（3）镀料原子、
7、分子或离子在基体上沉积。物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基 体的结合 力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料 等领域，可制备具 有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。随着高科技及新兴工业发展， 物理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点， 如多弧离 子镀与 磁控溅射兼容技术，大型矩形长弧靶和溅射靶，非平衡磁控溅射靶， 孪生靶技术，带 状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术， 条状纤维织物卷绕镀层技术等， 使用的镀层成套设备， 向计 算机全自动，大型 化工业规模方向发展。2.2 真空蒸镀2.2.1
8、真空蒸镀原理(1) 真空蒸镀是在真空条件下，将镀料加热并蒸发，使大量的原子、分子气化并离开液 体镀料 或离开固体镀料表面 (升华 )。(2) 气态的原子、分子在真空中经过很少的碰撞迁移到基体。(3) 镀料原子、分子沉积在基体表面形成薄膜。2.2.2 蒸发源将镀料加热到蒸发温度并使之气化， 这种加热装置称为蒸发源。 最常用的蒸发源是电阻 蒸发源 和电子束蒸发源， 特殊用途的蒸发源有高频感应加热、 电弧加热、辐射加热、激光加 热蒸发源等。2.2.3真空蒸镀工艺实例以塑料金属化为例 ,真空蒸镀工艺包括：镀前处理、镀膜及后处理。真空蒸镀的基本工 艺过程如 下：(1) 镀前处理，包括清洗镀件和预处理。具
9、体清洗方法有清洗剂清洗、化学溶剂清洗、 超声波 清洗和离子轰击清洗等。具体预处理有除静电，涂底漆等。(2) 装炉，包括真空室清理及镀件挂具的清洗，蒸发源安装、调试、镀件褂卡。(3) 抽真空，一般先粗抽至 66Pa 以上，更早打开扩散 泵的前级维持真空泵，加热扩散 泵，待预热足够后，打开高阀，用扩散泵抽至6xlO-3Pa半底真 空度。(4) 烘烤，将镀件烘烤加热到所需温度。(5) 离子轰击，真空度一般在lOPa-10-lPa，离子轰击电压200VlkV负高压，离击时 间为 5min 30min,(6) 预熔，调整电流使镀料预熔，调整电流使镀料预熔，除气lmin 2min。(7) 蒸发沉积，根据要
10、求调整蒸发电流，直到所需沉积时间结束。(8) 冷却，镀件在真空室内冷却到一定温度。(9) 出炉，取件后，关闭真空室，抽真空至1 X 10-1Pa,扩散泵冷却到允许温度，才可 关闭维持泵和冷却水。(10) 后处理，涂面漆。2.3 溅射镀膜溅射镀膜是指在真空条件下， 利用获得功能的粒子轰击靶材料表面， 使靶材表面原子获 得足够 的能量而逃逸的过程称为溅射。 被溅射的靶材沉积到基材表面， 就称作溅射镀膜。 溅 射镀膜中的 入射离子， 一般采用辉光放电获得， 在 10-2Pa l0Pa 范围，所以溅射出来的粒子 在飞向基体过 程中， 易和真空室中的气体分子发生碰撞， 使运动方向随机， 沉积的膜易于均
11、匀。近年发展起来 的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已 适当于进行大型建筑装饰镀 膜，及工业材料的功能性镀膜，及TGN-JR 型用多弧或磁控溅射在卷材的泡沫塑料及纤维织物表面镀镍Ni及银Ago2.4电弧蒸发和电弧等离子体镀膜这里指的是 PVD 领域通常采用的冷阴极电弧蒸发，以固体镀料作为阴极，采用水冷、 使冷阴极 表面形成许多亮斑，即阴极弧斑。弧斑就是电弧在阴极附近的弧根。在极小空间的电流密度极 高，弧斑尺寸极小，估计约为lmlOOum，电流密度高达lO5A/cm2107A/cm2。每个弧 斑存在极短时间，爆发性地蒸发离化阴极改正点处的镀料，蒸发离化后的金属离子，
12、在阴极表面也会 产生新的弧斑，许多弧斑不断产生和消失，所以又称多弧蒸发。 最早设计 的等离子体加速器型多弧 蒸发离化源，是在阴极背后配置磁场，使蒸发后的离子获得霍尔(hall)加速效应，有利于离子增大 能量轰击量体，采用这种电弧蒸发离化源镀膜，离化率较 高，所以又称为电弧等离子体镀膜。 由于 镀料的蒸发离化靠电弧， 所以属于区别于第二节， 第三节所述的蒸发手段。2.5离子镀离子镀技术最早在1963年由D. M. Mattox提出，1972年，Bunshah &Juntz推出活性 反应蒸发离子镀(AREIP)，沉积TiN,TiC等超硬膜，1972年Moley&Smith发展完善了空心热阴 极离子
13、镀，1973年又发展出射频离子镀(RFIP) o 20世纪80年代，又发展出磁控溅射离子镀 (MSIP) 和多弧离子镀 (MAIP)o2.5.1 离子镀离子镀的基本特点是采用某种方法 (如电子束蒸发磁控溅射，或多弧蒸发离化等 )使中性 粒子 电离成离子和电子， 在基体上必须施加负偏压， 从而使离子对基体产生轰击， 适当降低 负偏压 后，使离子进而沉积于基体成膜。此时如通入CO2， N2等反应气体，便可在工件表面获得TiC,TiN覆盖层，硬度高达2000HV。离子镀的重要特点是沉积温度只有500左右， 且覆盖层附着力强，适用于高速钢工具，热锻模等。离子镀的优点如下：膜层和基体结合力强。膜层均匀，
14、致密。在负偏压作用下绕镀性好。无污染。多种基体材料均适合于离子 镀。2.5.2 反应性离子镀如果采用电子束蒸发源蒸发，在坩埚上方加20V100V的正偏压。在真空室中导人反 应性气体。如N2、02、C2H2、CH4等代替Ar，或混入Ar，电子束中的高能电子(几千至几 万 电子伏特 )，不仅使镀料熔化蒸发，而且能在熔化的镀料表面激励出二次电子，这些二次 电子在上方 正偏压作用下加速， 与镀料蒸发中性粒子发生碰撞而电离成离子， 在工件表面发 生离化反应，从而 获得氧化物(如 Te02： Si02、A1203、Zn0、Sn02、Cr203、Zr02、In02 等)。其特点是沉积 率高，工艺温度低。2.
15、5.3 多弧离子镀多弧离子镀又称作电弧离子镀，由于在阴极上有多个弧斑持续呈现，故称作“多弧” o多 弧离子镀的主要特点如下： (1)阴极电弧蒸发离化源可从固体阴极直接产生等离子体，而 不产生熔池，所以可以任意方位布置，也可采用多个蒸发离化源。(2)镀料的离化率高，一般 达60%90%,显著提高与基体的结合力改善膜层的性能。(3)沉积速率高，改善镀膜的效 率。 (4)设备结构简单，弧电源工作在低电压大电流工况，工作较为安全。 英文指 Physical Vapor Deposition简称PVD是镀膜行业常用的术语PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀 膜。对应于 PVD 技术的三个分类，相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射 镀膜 机和真空离子镀膜机这三种。近十多年来， 真空离子镀膜技术的发展是最快的， 它已经成为当今最先进的表面处理方 式之一。我们通常所说的PVD镀膜，指的就是真空离子镀膜；通常所说的PVD镀膜机，指 的也就是真空离子镀膜机。物理气相沉积(PVD)是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反 应形 成化合物沉积在工件表面。 物理气象沉积方法有真空镀， 真空溅射和离子镀三种， 目前 应用 较广的是离子镀。3.化学气相沉积 (CVD)3.1基本原理化学气相沉积法 (Chemical Vapor
