气相沉积技术

1、中国石油大学(华东) 气气 相相 沉沉 积积 技技 术术 专业班级：材料物理专业班级：材料物理081-3 开课单位开课单位：材料物理系材料物理系 任课教师：任课教师：韩韩 治治 德德 上次课主要内容回顾 高能束表面改性特点高能束表面改性特点11 五种激光表面处理工艺五种激光表面处理工艺11 三种高能束表面改性的特点三种高能束表面改性的特点 比较比较 离子注入概念离子注入概念11 表面扩渗表面扩渗11、表面淬火热处、表面淬火热处 理、高密度太阳能表面处理理、高密度太阳能表面处理 11、表面形变强化的概念 、表面形变强化的概念 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 日常所见的器具 让 优 秀 成

2、为 一一 种 习 惯 门把手 门把手 玩具 奖杯 精美的刀叉 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 精美的刀叉 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 气相沉积技术概述 薄膜制备技术之一薄膜制备技术之一，利用气相中发生的物，利用气相中发生的物 理、化学过程，在材料表面形成具有特殊理、化学过程，在材料表面形成具有特殊 性能的金属或化合物覆层的工艺方法性能的金属或化合物覆层的工艺方法 薄膜在上一世纪得到了迅猛发展薄膜在上一世纪得到了迅猛发展（前图前图） 思考的问题：思考的问题：膜有厚有薄，膜有厚有薄，多厚算薄膜多厚算薄膜？ 薄膜有哪些特征薄膜有哪些特征？薄膜有哪些种类薄膜有哪些种类？有哪有哪 些应用

3、些应用？是怎么制备出来的是怎么制备出来的？ 定义定义 一类用特殊方法获得的，依靠基体支一类用特殊方法获得的，依靠基体支 撑并具有与基体不同的结构和性能的撑并具有与基体不同的结构和性能的 二维材料，一般指厚度为二维材料，一般指厚度为 100nm 100nm25m25m的膜层的膜层 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的特征 厚度：厚度：薄膜通常具有亚微米级至微米薄膜通常具有亚微米级至微米 级的厚度级的厚度 纳米晶多层膜 金刚石薄膜 金刚石薄膜刀 具 透明金刚石薄 膜 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的特征 有基体支撑：有基体支撑：依附于固体表面并得到依附于固体表面并得到 其支撑而

4、存在，并具有与支撑固体不其支撑而存在，并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料同结构和性能的二维材料 手机贴膜手机贴膜塑料膜 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的特征 特殊的结构和性能：特殊的结构和性能：由于形成方式的由于形成方式的 不同，薄膜材料与块体材料具有不同不同，薄膜材料与块体材料具有不同 的微结构和性能的微结构和性能 金箔一次性铝 箔餐盒 钛箔 铝箔封口 片 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的特征 特殊的形成方式：特殊的形成方式：依靠原子尺度粒子在依靠原子尺度粒子在 另一固体表面生长而成的二维材料另一固体表面生长而成的二维材料 典型的TiO2薄膜扫描电镜图 片 A

5、l2O3薄膜表面形貌扫描电镜 观察 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的分类 膜的用途或功能膜的用途或功能：光、微电子、力学、：光、微电子、力学、 信息存储、防护、装饰性信息存储、防护、装饰性 膜层的组成材料膜层的组成材料：金属、陶瓷、化合：金属、陶瓷、化合 物、半导体、塑料及其他高分子薄膜物、半导体、塑料及其他高分子薄膜 膜的晶体结构膜的晶体结构：单晶、多晶、纳米晶、：单晶、多晶、纳米晶、 非晶态、外延生长薄膜非晶态、外延生长薄膜 厚度厚度：纳米薄膜、微米薄膜、厚膜：纳米薄膜、微米薄膜、厚膜 薄膜组成结构薄膜组成结构：多层薄膜、梯度薄膜、：多层薄膜、梯度薄膜、 复合薄膜复合薄膜 让

6、优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的应用 增透膜增透膜（透镜）和（透镜）和增反膜增反膜（高反射膜）（高反射膜） 利用光在波膜上的干涉理论利用光在波膜上的干涉理论：当入射：当入射 光射到介质膜表面时，改变介质膜的光射到介质膜表面时，改变介质膜的 厚度，将会使入射光产生的两列反射厚度，将会使入射光产生的两列反射 相干光加强或是减弱相干光加强或是减弱 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的应用 增透膜增透膜（透镜）（透镜） 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的应用 增反膜增反膜（高反射膜）（高反射膜） 氦-氖激光器谐振腔全反射 镜 全反射镜 片 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯

7、 薄膜的应用 防电脑辐射眼镜片防电脑辐射眼镜片 防电脑辐射面罩 防电脑辐射面罩 防电脑辐射镜片 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的应用 光敏电阻膜光敏电阻膜 光敏电阻 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的应用 防激光致盲膜防激光致盲膜防激光致盲的镀膜眼镜防激光致盲的镀膜眼镜 激光致盲枪 绿光源激光炫目器 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜的应用 其他功能膜：其他功能膜：类金刚石膜、电极膜、类金刚石膜、电极膜、 磁记录膜、耐高温氧化膜等磁记录膜、耐高温氧化膜等 类金刚石膜刀具 电极膜 磁记录材料用膜 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 薄膜制备方法 液相法液相法 电电

8、 镀镀 化学镀化学镀 广义薄膜广义薄膜 气相法气相法 化学气相沉积化学气相沉积 物理气相沉物理气相沉 积积 真空蒸镀真空蒸镀 溅射镀膜溅射镀膜 离子镀离子镀 膜膜 分子束外延分子束外延 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 等离子体 定义：定义：等离子体是指存在的时间和空间均 超过某一临界值的电离气体 产生途径产生途径宇宙、天体、上层气体、 放射线及同位素、X射线、粒子加速器、反 应堆、场致电离、冲击波、燃烧、激光、 真空紫外光、发电等，在气相沉积中广泛 采用的是气体放电产生等离子体。 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 等离子体特征 等离子体的存在具有特定的空间和时间限度（没有限等离子体的

9、存在具有特定的空间和时间限度（没有限 度）；度）；这种电离气体是由电子、离子、原子、分子或自这种电离气体是由电子、离子、原子、分子或自 由基等粒子组成的集合体（电中性原子、分子组成）；由基等粒子组成的集合体（电中性原子、分子组成）； 这种气体是一种导电流体，而又能在与气体体积相比拟这种气体是一种导电流体，而又能在与气体体积相比拟 的宏观尺度内维持电中性（不导电流体）；的宏观尺度内维持电中性（不导电流体）；有三种运动有三种运动 形式，热运动、在电磁场作用下的迁移运动和沿带电粒形式，热运动、在电磁场作用下的迁移运动和沿带电粒 子浓度递减方向的扩散运动（做无规则的热运动）；子浓度递减方向的扩散运动（

10、做无规则的热运动）；粒粒 子运动受到电磁场的影响和支配（不受影响）；子运动受到电磁场的影响和支配（不受影响）；富集的富集的 离子、电子、激发态的原子、分子及自由基极具反应活离子、电子、激发态的原子、分子及自由基极具反应活 性（相对较小）；性（相对较小）；新的聚集状态新的聚集状态物质第四态（三物质第四态（三 态）。态）。 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 各种气相沉积技术介绍 什么是真空蒸镀？什么是真空蒸镀？ 阿基米德与王冠、牛顿与万有引力、蒸汽阿基米德与王冠、牛顿与万有引力、蒸汽 浴与蒸镀浴与蒸镀 定义：定义：简称蒸镀，是在真空条件下，用一简称蒸镀，是在真空条件下，用一 定的方法加热镀膜材

11、料（简称膜料）使之定的方法加热镀膜材料（简称膜料）使之 气化，并沉积在工件表面形成固态薄膜。气化，并沉积在工件表面形成固态薄膜。 阿基米德所处时代 出土的王冠碎片整 理 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 真空蒸镀的原理 采用各种热能转换方式，使膜料蒸发或升华，气化为具有一定采用各种热能转换方式，使膜料蒸发或升华，气化为具有一定 能量（能量（0.10.3eV）的粒子（原子、分子或原子团）；）的粒子（原子、分子或原子团）； 气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动飞速传输到基体；气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动飞速传输到基体； 粒子沉积在基体表面上并凝聚成薄膜。传输到基体的蒸发粒子粒子沉积在基体表

12、面上并凝聚成薄膜。传输到基体的蒸发粒子 与基体碰撞后一部分被反射，另一部分被吸附在基体表面发生表与基体碰撞后一部分被反射，另一部分被吸附在基体表面发生表 面扩散，沉积粒子之间产生二维碰撞，形成团簇，有的在表面停面扩散，沉积粒子之间产生二维碰撞，形成团簇，有的在表面停 留一段时间后再蒸发。粒子团簇与扩散粒子相碰撞，或吸附单粒留一段时间后再蒸发。粒子团簇与扩散粒子相碰撞，或吸附单粒 子，或放出单粒子，这过程反复进行，当粒子数超过某一临界值子，或放出单粒子，这过程反复进行，当粒子数超过某一临界值 时就变为稳定核，再不断吸附其他粒子而逐步长大，最后与邻近时就变为稳定核，再不断吸附其他粒子而逐步长大，最

13、后与邻近 稳定核合并，进而变成连续膜；稳定核合并，进而变成连续膜； 组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。 工艺类型工艺类型 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 溅射镀膜 玻璃幕墙怎么做的？玻璃幕墙怎么做的？ 定义：定义：利用溅射现象来达到制取各种薄膜利用溅射现象来达到制取各种薄膜 的目的，即在真空室中利用荷能离子轰击的目的，即在真空室中利用荷能离子轰击 靶表面，使被轰击的气态粒子在基片（工靶表面，使被轰击的气态粒子在基片（工 件）上沉积的技术。件）上沉积的技术。 问题：问题：为什么圆形靶材不是大面积被溅射为什么圆形靶材不是大面积被溅射 掉，而只

14、是局限于一圈呢？掉，而只是局限于一圈呢？ 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 真空离子镀膜 定义：定义：离子镀是在真空条件下，利用离子镀是在真空条件下，利用 气体放电使气体或被蒸发物质部分电气体放电使气体或被蒸发物质部分电 离，在气体离子或被蒸发物质离子轰离，在气体离子或被蒸发物质离子轰 击作用的同时把蒸发物质或其反应产击作用的同时把蒸发物质或其反应产 物沉积在基片上。物沉积在基片上。 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 离子镀膜的特点 裸露表面都可以镀上。离子镀膜过程中，由于部分材原子被电裸露表面都可以镀上。离子镀膜过程中，由于部分材原子被电 离成离子，它们将沿着电场的电力线运动，凡是电

15、力线分布的地离成离子，它们将沿着电场的电力线运动，凡是电力线分布的地 方，这些原子都有可能到达，而在离子镀中工件本身是阴极，因方，这些原子都有可能到达，而在离子镀中工件本身是阴极，因 此，工件的各个表面（即使有沟槽）都可以镀上。此，工件的各个表面（即使有沟槽）都可以镀上。 绕射能力强。由于离子镀要求的真空度不太高而是真空室中的绕射能力强。由于离子镀要求的真空度不太高而是真空室中的 粒子较多，从而粒子之间的相互碰撞，所以离子镀的绕射能力比粒子较多，从而粒子之间的相互碰撞，所以离子镀的绕射能力比 较强。较强。 附着能力强。离子镀过程中不仅存在着许多金属离子和高能金附着能力强。离子镀过程中不仅存在着

16、许多金属离子和高能金 属原子，而且还存在着大量的氩离子和氩原子，它们共同轰击工属原子，而且还存在着大量的氩离子和氩原子，它们共同轰击工 件（阴极）表面，产生阴极溅射效应，这可以大大提高镀层的附件（阴极）表面，产生阴极溅射效应，这可以大大提高镀层的附 着能力，使膜层的结合强度提高。着能力，使膜层的结合强度提高。 改善组织性能等。金属粒子的能量比较高，一般还使用副偏压，改善组织性能等。金属粒子的能量比较高，一般还使用副偏压， 这些都有助于改善膜层的组织性能。还可以利用离子镀获得各种这些都有助于改善膜层的组织性能。还可以利用离子镀获得各种 化合物涂层。化合物涂层。 让 优 秀 成 为 一一 种 习

17、惯 离子镀膜的应用 首先，首先，离子镀是各种刀具的保护神。可以在离子镀是各种刀具的保护神。可以在 各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化钛、碳化各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化钛、碳化 钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆等多种硬质膜。钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆等多种硬质膜。 其次其次，离子镀技术还是美化人民生活的得力，离子镀技术还是美化人民生活的得力 工具。从我们手上带的手表表壳、表带，到手工具。从我们手上带的手表表壳、表带，到手 机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我们衣服上的扣机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我们衣服上的扣 子、领带夹，腰上别的钥匙扣、链子及腰带头。子、领带夹，腰上别的钥匙扣、链子及腰带头。 这些都

18、是离子镀的杰作。颜色也是多种多样。这些都是离子镀的杰作。颜色也是多种多样。 离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、润滑离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、润滑 及电子工业的集成电路等中。及电子工业的集成电路等中。 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 化学气相沉积 什么东西最硬？（钻石、铬钴）什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？沉积原理？ 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 外延 外延的概念：外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向相同的外延是指在单晶基片上生长出位向相同的 同类单晶体（同质外延），或者生长出具有共格或半共同类单晶体（同质外延），或者生长出具有共格或半共 格联系的异类单晶体（

19、异质外延）。格联系的异类单晶体（异质外延）。 外延分为外延分为气相外延、液相外延和分子束外延气相外延、液相外延和分子束外延 气相外延气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。 液相外延液相外延是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀 溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时，溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时， 有固体析出而进行结晶生长的方法。有固体析出而进行结晶生长的方法。 让 优 秀 成 为 一一 种 习 惯 分子束外延 （Molecular Beam Epitaxy，MBE）是将是将 真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种 成膜技术，它是在超高真空条件下，精确成膜技术，它是在超高真空条件下，精确 控制蒸发源给出的中性分子束流，喷射到控制蒸发源给出的中性分子束流，喷射到 一定温度的基片表面，并在基片上外延成一定温度的基片表面，并在基片上外延成 膜的技术。膜的技术。 让 优 秀 成 为 一