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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