第4章-物理气相沉积.ppt

第四章物理气相沉积技术,物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,PVD），在真空条件下，利用热蒸发或辉光放电、弧光放电等物理过程，实现材料的迁移，并在零件基体表面上沉积形成涂层的技术。包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,特点涂层形成是不受物理变化定律控制的凝固过程，是一种非平衡过程。工艺过程对基体材料的影响很小，因此可以在各种基体材料上涂覆涂层。沉积层厚度范围较宽，从nmmm级都可实现无环境污染；缺点：设备复杂，一次投资较大。,气相沉积的基本过程,三个步骤：提供气相镀料、镀料向所镀制的工件输送、镀料沉积在基片上构成膜层。气相物质的产生；气相物质的输送；气相物质的沉积。,第四章物理气相沉积技术,真空技术基础1、真空度的单位真空：空间内压力低于一个大气压（1.013105Pa）的气体状态。,第四章物理气相沉积技术,特点：压强低，空气稀薄，分子平均自由程长,真空的性质可由压强、单位体积分子个数、气体的密度等表示,“真空度”和“压强”两个参量来衡量真空的程度表示真空状态下气体的稀薄程度，常用压力表示。国际单位以帕斯卡（pascal）表示。1帕斯卡（Pa）1N/m21托（Torr）=133.322Pa=1/760atmmmHg、atm、bar等,Relativepressure,Absolutepressure,描述真空的独特单位,第四章物理气相沉积技术,2、真空的划分低真空105Pa102Pa：目的获得压差vacuumcleaner；vacuumfilter；CVD中真空102Pa10-1Pa：气体分子运动特征改变，电场下具有导电特性。Sputtering；LPCVD高真空10-1Pa10-5PaEvaperating；Ionsource超高真空：10-5PaSurfaceanalysis；Particlephysics,第四章物理气相沉积技术,真空技术基础3、气体分子的平均自由程（MeanFreePath）一个气体分子在连续两次碰撞所经历的路程称为自由程。所有气体分子彼此碰撞间所经历平均距离称为平均自由程-。,第四章物理气相沉积技术,n-气体分子密度，标准状态n31019-分子直径,气体分子密度与平均自由程,1.真空蒸发镀膜,原理利用真空泵将样品室抽至一定程度的真空，对放在高熔点坩埚里的原材料加热，使其蒸发，并在收集基底上沉积成膜的技术。步骤,第四章物理气相沉积技术,1.真空蒸发镀膜工艺过程,镀前准备抽真空离子轰击烘烤预热蒸发取件镀后处理检测成品。1、预抽真空低真空：机械泵10.1Pa高真空：扩散泵10-3Pa以下2、烘烤：非金属低于热变形温度2030，金属不超过2003、蒸发源加热，镀膜材料熔化、蒸发。4、蒸发材料在零件表面吸附，沉积形成涂层。5、后处理,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,1.真空蒸发镀膜蒸发源,真空蒸发镀膜需要将镀层材料加热变成蒸气原子，蒸发源是其关键部位，大多数金属材料都要在1000-2000的温度下蒸发。因此，必须将材料加热到这样高的温度。,常用的加热法有：电阻法、电子束法、高频法及激光加热法等。,1.真空蒸发镀膜（1）电阻蒸发源,选择原则：在所需蒸发温度下不软化、饱和蒸汽压小，不发生反应。一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常制作成螺旋丝状或箔舟状。特点：结构简单、造价低、应用广泛；存在污染，也不能蒸镀高熔点材料。,螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能够浸润螺丝或者有足够的表面张力以防止掉落，它的优点是可以从各个方向发射蒸汽。箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润加热器的材料，效率较高（相当于小型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸发。,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,1.真空蒸发镀膜（2）电子束蒸发源,将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中，直接用电子束加热法，称为电子束加热法。,优点：（1）热量可直接加在蒸发材料上；（2）盛放蒸发材料的容器可以是冷的；（3）可以蒸发诸如钽和钨等类高温金属。缺点：（1）装置复杂；（2）残余气体分子和蒸发材料蒸气的一部分会被电子电离；（3）多数化合物由于电子轰击而部分分解。,第四章物理气相沉积技术,1.真空蒸发镀膜（3）激光加热蒸发源,采用CO2激光器加热陶瓷材料使其蒸发，可在基材上蒸镀得到陶瓷层（Al2O3）。,1.真空蒸发镀膜真空蒸镀膜的特点,缺点：膜/基界面结合力较弱。结晶不够完整，工艺重复性不够好，高熔点物质和低蒸气压物质难以制备真空镀膜。蒸发源材料也会蒸发，成为杂质沉积在膜层中。主要结构：真空室；蒸发源；基板；基板加热器及测温计,第四章物理气相沉积技术,优点：设备结构简单，工艺操作简单；制的薄膜纯度高，薄膜生长机理简单；大多数物质可采用真空蒸镀方法镀膜。,2.阴极溅射镀膜（Sputtering）,2.1定义：利用高能量的荷能粒子轰击阴极靶材(镀膜材料)，使靶材表面的原子或分子逸出而沉积在基材(零件)表面上的过程。,第四章物理气相沉积技术,实质：用带有几十电子伏特以上动能粒子束照射固体表面，是靠近固体表面的原子获得能量而从表面射出的现象。,2.2溅射的基本原理,第四章物理气相沉积技术,ArAr+e,溅射过程：气体分子被高压电离后形成正离子与电子。正离子在电场的作用下加速，以高的动能轰击靶材（阴极），使靶原子能量增加并脱离表面形成溅射层，沉积在基板上形成薄膜。电离产生的电子在受控电场的加速下也会使新的气体分子再电离，从而使溅射率提高。,溅射离子来源于辉光放电（高压气体放电）,1.电离率高，容易起辉2.惰性气体，不反应3.价格便宜,辉光放电,2.2溅射的基本原理,真空度为10-2Pa10Pa范围内，在两极之间加上高压时产生的放电现象，称为辉光放电。,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,1.靶面原子的溅射溅射量SQ,溅射镀膜生成的三个阶段,2.溅射原子向基片的迁移迁移过程受辉光放电真空度条件的限制。3.粒子向工件入射再结合而成膜成膜过程遵循吸附，形核和长大成膜的过程。,Q-入射离子数，-溅射系数（一个离子所溅射出的原子数目）,2.3阴极溅射镀膜工艺过程,入射Ar离子,1.镀前处理2.抽真空10-1Pa3.充Ar气，施加负偏压3-7kV使Ar原子产生电离，在电场作用下高速撞击靶材表面，溅射出靶材原子或分子沉积在零件表面形成涂层4.后处理,第四章物理气相沉积技术,溅射出的原子,1、阴极溅射与真空蒸镀相比具有以下特点：优点：溅射依靠动量交换作用使原子、分子进入气相，与基底结合牢固。任何物质均可溅射；（只要是固体无论块状或粒状）溅射薄膜密度高、厚度均匀，膜层纯度高，不存在真空镀膜时坩埚污染现象。膜厚可控，重复性好。缺点：溅射设备复杂，需要真空系统及高压装置，沉积速度慢。真空蒸镀：0.15m/min阴极溅射：0.010.5m/min,2.4阴极溅射镀膜的特点,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,2.4阴极溅射镀膜的特点,蒸发与溅射物理过程的比较1、沉积粒子的产生过程,蒸发,加热（升华，蒸发）,基板加热清洗，真空度10-1Pa10-5Pa,溅射：真空度102Pa10-1Pa,2、粒子能量蒸发：0.1-0.4eV（气化过程，热运动能低，膜层附力低）溅射：1-10eV（以动能输运为基础，动量转移过程；对基板有作用，使表面活性增加；去除结合不牢的原子，使膜层附着力高）,2.4阴极溅射镀膜的特点,第四章物理气相沉积技术,3、粒子性质（逸出）蒸发：几乎不带电，主要为中性原子，仅有极少数热发射电子。,溅射：中性原子（靶材）、原子团（靶材）、正负离子（靶材）、二次电子（溅射气体）、光子，粒子性质复杂多样。,2.4阴极溅射镀膜的特点,第四章物理气相沉积技术,4、粒子的迁移过程蒸发：10-1Pa10-5Pa，气体分子平均自由程源间距。迁移过程：粒子基板（极少与分子碰撞）能保持能量、角分布、运动直线，故一般不考虑蒸发原子与气体分子碰撞，或蒸发原子之间碰撞，所以分布不均匀性存在。溅射：102Pa10-1Pa，气体分子平均自由程数毫米溅射粒子与气体分子碰撞几率大，动量损失大，运动方向改变，到达基板的粒子来自基板正前方整个半个球面的所有方向，所以膜层均匀性改善，成膜均匀化。,2.4阴极溅射镀膜的特点,第四章物理气相沉积技术,3.离子镀3.1原理及过程,第四章物理气相沉积技术,在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反应物蒸镀在基片上。特点：1、把气体辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜结合在一起。2、提高了膜层性能3、扩充了镀膜技术的应用范围，兼有真空蒸发和溅射的优点外，附着力好、绕射性好、材料广泛。,3.离子镀3.1原理及过程,第四章物理气相沉积技术,过程预抽真空10-3Pa（高本底真空度）充Ar气10-110-3Pa（低压惰性气体高压放电）溅射清洗离子镀膜（镀膜材料蒸发、离化、加速、沉积）,3.1原理及过程,第四章物理气相沉积技术,沉积与溅射同时存在成膜的条件：溅射速度沉积速度,3.2离子轰击的作用对基片表面,离子溅射清除吸附气体、溅射掉表面物质、发生反应。产生缺陷当能量大于25eV，缺陷产生。结晶学破坏形成非晶态。表面成分变化择优溅射。气体渗入形貌变化温度升高近表面材料的物理混合,第四章物理气相沉积技术,造成几何表面凹凸不平，在较高部位优先形核生长，得到柱状晶结构。,在离子镀过程中，因轰击溅射逸散在空间的基体原子有一部分会再返回到基片表面与蒸发原子混合发生“凝固扩散”作用，促进了中间层的形成，使膜/基界面附近的微小区域内的成分逐渐变化，这种膜/基界面附近成分逐渐变化的区域称为“伪扩散层”。,3.2离子轰击的作用对界面的影响,物理混合沉积+溅射“伪扩散层”增强扩散改变成核方式溅射效应优先除去结合松散的原子改善覆盖度,第四章物理气相沉积技术,3.2离子轰击的作用对薄膜的生长,降低薄膜内应力增加反应程度和速度,第四章物理气相沉积技术,3离子镀3.4离子镀的特点,离子镀可在较低的温度下进行（成膜温度低）结合力好绕镀性好沉积速率高沉积速率一般为150m/min溅射一般为0.010.5m/min真空蒸镀为0.15m/min无环境污染,第四章物理气相沉积技术,物理气相沉积的三种基本方法比较,第四章物理气相沉积技术,物理气相沉积的三种基本方法比较,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,第四章物理气相沉积技术,在航空领域主要用在以下几个方面1、离子镀润滑材料（固体润滑膜镀Ag、MoS2）2、