材料表面工程第十一章PPT学习教案

1、会计学1 材料表面工程第十一章材料表面工程第十一章PPT课件课件 第1页/共68页 11-1-2 PVD的基本过程的基本过程 气相沉积的基本过程包括气相沉积的基本过程包括三个步骤三个步骤：a. 提供气相镀料；提供气相镀料； b. 镀料向所镀制的镀料向所镀制的 工件工件(或基片或基片)输送输送 ； c. 镀料沉积在基片上镀料沉积在基片上 构成膜层。构成膜层。 (1) 气相物质的产生气相物质的产生 一类方法是使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜；一类方法是使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜； 另一类是用具有一定能量的离子轰击靶材另一类是用具有一定能量的离子轰击靶材(镀料镀料)，从靶材，从靶材 上击出镀料原子，称

2、为溅射镀膜。上击出镀料原子，称为溅射镀膜。 第2页/共68页 第3页/共68页 (2) 气相物质的输送气相物质的输送 气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为了避免气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为了避免 气体碰撞妨碍气相镀料到达基片。气体碰撞妨碍气相镀料到达基片。 在高真空度的情况下在高真空度的情况下(真空度为真空度为10 2Pa)，镀料原子很少与，镀料原子很少与 残残 余气体分子碰撞，基本上是从镀料源直线前进到达基片；余气体分子碰撞，基本上是从镀料源直线前进到达基片； 在低真空度时在低真空度时(如真空度为如真空度为10Pa)，则镀料原子会与残余气，则镀料原子会与残余气 体分子发生

3、碰撞而绕射，如真空度过低，镀料原子频体分子发生碰撞而绕射，如真空度过低，镀料原子频 繁碰撞会相互凝聚为微粒，则镀膜过程无法进行。繁碰撞会相互凝聚为微粒，则镀膜过程无法进行。 第4页/共68页 (3) 气相物质的沉积气相物质的沉积 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。的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。 镀料原子在沉积时，可与其它活性气体分子发生化学反应镀料原子在沉积时，可与其它活性气体分子发生化学反应 而形成化合物膜，称为反应镀。而形成化合物膜，称为反应镀。 在镀料原子凝聚成膜的过程中

4、，还可以同时用具有一定能在镀料原子凝聚成膜的过程中，还可以同时用具有一定能 量的离子轰击膜层，改变膜层的结构和性能，这种镀膜技术量的离子轰击膜层，改变膜层的结构和性能，这种镀膜技术 称为离子镀。称为离子镀。 第5页/共68页 11-1-3 蒸镀蒸镀 在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚 在基体表面的方法称蒸发镀膜在基体表面的方法称蒸发镀膜(简称蒸镀简称蒸镀)。 1蒸镀原理蒸镀原理 固体在任何温度下也或多或少地气化固体在任何温度下也或多或少地气化(升华升华)，形成该物质，形成该物质 的蒸气。在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度

5、下的蒸气。在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度下 的饱和蒸气向上散发，基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气的饱和蒸气向上散发，基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气 流，蒸气则在其上形成凝固膜。流，蒸气则在其上形成凝固膜。 第6页/共68页 2蒸镀方法蒸镀方法 (1) 电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀 加热器材料常使用钨、钼、钽等高熔点金属，按照蒸发材料加热器材料常使用钨、钼、钽等高熔点金属，按照蒸发材料 的不同，可制成丝状、带状和板状。的不同，可制成丝状、带状和板状。 第7页/共68页 (2) 电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀 由灯丝发射的电子经由灯丝发射的电子经6l0kV的高压加速后，进入偏转的高压加速后，进入偏转

6、磁铁，被偏转磁铁，被偏转270 之后轰击镀料。镀料装在水冷铜坩埚内之后轰击镀料。镀料装在水冷铜坩埚内 ，只有被电子轰击的部位局部熔化，不存在坩埚污染问题，只有被电子轰击的部位局部熔化，不存在坩埚污染问题 。 第8页/共68页 (3) 合金膜的镀制合金膜的镀制 多电子束蒸发源是由隔开的几个坩埚组成，坩埚数量按合金元素的多少多电子束蒸发源是由隔开的几个坩埚组成，坩埚数量按合金元素的多少 来确定，蒸发后几种组元同时凝聚成膜。来确定，蒸发后几种组元同时凝聚成膜。 单电子束蒸发源沉积合金时会用单电子束蒸发源沉积合金时会用连续加料的办法来连续加料的办法来分馏问题。分馏问题。 第9页/共68页 (4) 分子

7、束外延分子束外延 以蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备，经过几以蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备，经过几 十年的开发，已制备出各种十年的开发，已制备出各种-V族化合物的半导体器件。族化合物的半导体器件。 外延是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体外延是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体(同质同质 外延外延)，或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体，或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体(异异 质外延质外延)。 目前分子束外延的膜厚控制水平已经达到单原子层，甚至目前分子束外延的膜厚控制水平已经达到单原子层，甚至 知道某一单原子层是否已经排满，而另一层是否已经开始知

8、道某一单原子层是否已经排满，而另一层是否已经开始 成长。成长。 分子束外延的最新研究进展是量子阱半导体器件和纳米器分子束外延的最新研究进展是量子阱半导体器件和纳米器 件。件。 第10页/共68页 图图4-44-4是分子束外延装置的示意图。是分子束外延装置的示意图。 分子束分子束( (或原子束或原子束) )由喷射坩锅产生。由喷射坩锅产生。 这种坩锅的口径小于坩锅内镀料蒸这种坩锅的口径小于坩锅内镀料蒸 气分子的平均自由程，因而蒸气分气分子的平均自由程，因而蒸气分 子形成束流喷出坩锅口。分子束通子形成束流喷出坩锅口。分子束通 过开在液氮冷却的屏蔽罩上的小孔过开在液氮冷却的屏蔽罩上的小孔 进入真空室。

9、小孔上方装有活动挡进入真空室。小孔上方装有活动挡 板，可以彻底切断束流，阻止任何板，可以彻底切断束流，阻止任何 镀料原子飞向基片。镀料原子飞向基片。 第11页/共68页 分子束的发散角很小，挡板有可能将分子束全部挡住分子束的发散角很小，挡板有可能将分子束全部挡住。而。而在一般蒸镀在一般蒸镀 装置中，挡板不可能彻底挡住镀料原子装置中，挡板不可能彻底挡住镀料原子，由挡板间隙中漏出的镀料原，由挡板间隙中漏出的镀料原 子与真空室器壁碰撞反射后有可能到达基片。子与真空室器壁碰撞反射后有可能到达基片。 正是由于上述特点，分子束外延有可能精确控制膜厚。正是由于上述特点，分子束外延有可能精确控制膜厚。 第12

10、页/共68页 分子束外延装置内是采用分子束外延装置内是采用10 7 10 9Pa的超高真空。当真空的超高真空。当真空 度为度为10 8Pa时，基片表面的原子每时，基片表面的原子每104s受到一个残余气体受到一个残余气体 分子的碰撞。因而分子束外延时的镀膜速率有可能降低到分子的碰撞。因而分子束外延时的镀膜速率有可能降低到 102s沉积一层厚约数埃的单原子层。这样低速镀膜不但有沉积一层厚约数埃的单原子层。这样低速镀膜不但有 利于膜厚控制，还有利于膜厚控制，还有利于利于降低外延温度。降低外延温度。 第13页/共68页 第14页/共68页 3蒸镀用途蒸镀用途 蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能

11、膜，例如蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如 用作电极的导电膜，光学镜头用的增透膜等。用作电极的导电膜，光学镜头用的增透膜等。 蒸镀的优势是镀膜速率快，适合于镀制纯金属膜；用于镀蒸镀的优势是镀膜速率快，适合于镀制纯金属膜；用于镀 制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多 。 第15页/共68页 第16页/共68页 11-1-4 溅射镀膜溅射镀膜 溅射镀膜是在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使溅射镀膜是在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使 被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。 溅射镀

12、膜有两种：溅射镀膜有两种： （1）在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒）在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒 子在基片表面成膜，称为离子束溅射。子在基片表面成膜，称为离子束溅射。 （2）在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子）在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子 状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在 基片上。基片上。 第17页/共68页 第18页/共68页 (2) 三极和四极溅射三极和四极溅射 三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使放出热电子强化放三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使放出

13、热电子强化放 电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方便。电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方便。 四极溅射又称为等离子弧柱溅射，是在四极溅射又称为等离子弧柱溅射，是在 原来二极溅射靶和基板垂直的位置上，原来二极溅射靶和基板垂直的位置上， 分别放置一个发射热电子的灯丝分别放置一个发射热电子的灯丝(热阴极热阴极) 和吸引热电子的辅助阳极，其间形成低和吸引热电子的辅助阳极，其间形成低 电压、大电流的等离子体弧柱，大量电电压、大电流的等离子体弧柱，大量电 子碰撞气体电离，产生大量离子。子碰撞气体电离，产生大量离子。 第19页/共68页 第20页/共68页 第21页

14、/共68页 第22页/共68页 (5) 离子束溅射离子束溅射 离子束溅射采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子。离子束溅射采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子。 阴极灯丝发射的电子加速到阴极灯丝发射的电子加速到40 80eV飞向阳极，并使气体（氩气）电离飞向阳极，并使气体（氩气）电离 为等离子体。屏栅与加速栅之间的强电场将离子引出离子源轰击靶材为等离子体。屏栅与加速栅之间的强电场将离子引出离子源轰击靶材 。 第23页/共68页 第24页/共68页 第25页/共68页 在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金膜的成在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金膜的成 分。采用分。采用Cr

15、、Cr-CrN等合金靶，在等合金靶，在N2、CH4等气氛中进行反等气氛中进行反 应溅射镀膜，可以在各种工件上镀应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr、CrC、CrN等镀层。等镀层。 溅射法制取固体润滑剂如溅射法制取固体润滑剂如MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效，膜及聚四氟乙烯膜十分有效， 膜致密性好，附着性优良，适用于在高温、低温、超高真空膜致密性好，附着性优良，适用于在高温、低温、超高真空 、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件 。 第26页/共68页 第27页/共68页 第28页/共68页 1离子镀的类型离子镀的类型 离子镀设备要在真空、气体放电的条件下完成镀膜

16、和离子轰击过程，由离子镀设备要在真空、气体放电的条件下完成镀膜和离子轰击过程，由 真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。 (1) 空心阴极离子镀空心阴极离子镀(HCD) HCD法是利用空心热阴极放电产生等离子体。法是利用空心热阴极放电产生等离子体。 由由HCD枪引出的电子束初步聚焦后，在偏转枪引出的电子束初步聚焦后，在偏转 磁场作用下，束直径收缩而聚焦在坩埚上。磁场作用下，束直径收缩而聚焦在坩埚上。 HCD枪既是镀料的气化源也是蒸发粒子的离枪既是镀料的气化源也是蒸发粒子的离 化源。化源。 空心阴极离子镀广泛用

17、于镀制高速钢刀具空心阴极离子镀广泛用于镀制高速钢刀具TiN 超硬膜。超硬膜。 第29页/共68页 (2) 多弧离子镀多弧离子镀 多弧离子镀采用电弧放电的方法，在固多弧离子镀采用电弧放电的方法，在固 体的阴极靶材上直接蒸发金属。体的阴极靶材上直接蒸发金属。 多弧离子镀的特点是从阴极直接产生等离多弧离子镀的特点是从阴极直接产生等离 子体，阴极靶可根据工件形状在任意方向子体，阴极靶可根据工件形状在任意方向 布置，使夹具大为简化。布置，使夹具大为简化。 多弧离子镀以喷射蒸发的方式成膜，可以保证膜层成分与靶材一致，多弧离子镀以喷射蒸发的方式成膜，可以保证膜层成分与靶材一致， 这这是其它蒸镀技术所做不到的

18、。突出优点是速率快，存在的主要问题是其它蒸镀技术所做不到的。突出优点是速率快，存在的主要问题 是弧斑喷射的液滴飞溅射到膜层上会使膜层粗糙，对耐蚀性不利。是弧斑喷射的液滴飞溅射到膜层上会使膜层粗糙，对耐蚀性不利。 第30页/共68页 (3) 离子束辅助沉积离子束辅助沉积 离子束辅助沉积是在蒸镀的同时，用离子束轰击基片。离子束辅助沉积是在蒸镀的同时，用离子束轰击基片。 双离子束镀是一种将离子注入和常规气相沉积双离子束镀是一种将离子注入和常规气相沉积 镀膜结合起来，兼有两者优点的高新技术。镀膜结合起来，兼有两者优点的高新技术。 两个离子束，其中低能的离子束两个离子束，其中低能的离子束1用于轰击靶用于

19、轰击靶 材，使靶材原子溅射并沉积在基片上。另一个材，使靶材原子溅射并沉积在基片上。另一个 高能的离子束高能的离子束2起轰击起轰击(注入注入)作用。作用。 双离子束镀的基本特征是在气相沉积镀膜的同时，用具有一定能量的双离子束镀的基本特征是在气相沉积镀膜的同时，用具有一定能量的 离子束轰击不断沉积着的物质。由于离子轰击引起沉积膜与基体材料离子束轰击不断沉积着的物质。由于离子轰击引起沉积膜与基体材料 间的原子互相混合，界面原子互相渗透溶为一体，形成一个过渡层从间的原子互相混合，界面原子互相渗透溶为一体，形成一个过渡层从 而大大改善了膜基的结合强度。而大大改善了膜基的结合强度。 第31页/共68页 2

20、离子镀的应用离子镀的应用 离子镀膜具有粘着力强、离子镀膜具有粘着力强、 均镀能力好、取材范围广均镀能力好、取材范围广 且能互相搭配，以及整个且能互相搭配，以及整个 工艺没有污染等特点，在工艺没有污染等特点，在 工业上有着广泛应用。工业上有着广泛应用。 此外，离子镀在能源、集此外，离子镀在能源、集 成电路、磁光记录、光导成电路、磁光记录、光导 通讯等领域也有广泛的用通讯等领域也有广泛的用 途。途。 第32页/共68页 11-2 化学气相沉积化学气相沉积(CVD) 11-2-1 概概 述述 化学气相沉积化学气相沉积(chemical vapor deposition，简称，简称CVD)是在是在 相

21、当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混 合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化 合物的固态薄膜或镀层。合物的固态薄膜或镀层。 CVD与物理气相沉积不同的是沉积粒子来源于化合物的气与物理气相沉积不同的是沉积粒子来源于化合物的气 相分解反应相分解反应。 第33页/共68页 第34页/共68页 随着随着CVD技术的进一步完善并扩大应用范围，又发展了多技术的进一步完善并扩大应用范围，又发展了多 种新型的种新型的CVD技术。技术。 例如例如, 用离子增强化学气相沉积用离子增强化学气相

22、沉积(PCVD)制备制备TiC薄膜，沉积薄膜，沉积 温度可降至温度可降至500。 由于半导体外延和大规模集成电路的需要由于半导体外延和大规模集成电路的需要, 又发展了金属有又发展了金属有 机化合物化学气相沉积机化合物化学气相沉积(MOCVD)和激光化学气相沉积和激光化学气相沉积 (LCVD)。 第35页/共68页 第36页/共68页 第37页/共68页 12-2-2 CVD的化学反应和特点的化学反应和特点 1CVD的化学反应的化学反应 化学气相沉积时将所需反应气体通入反应器内化学气相沉积时将所需反应气体通入反应器内, 在基片附近在基片附近 进行反应进行反应, 为基片提供反应物。主要反应有：为基

23、片提供反应物。主要反应有： (1) 分解反应分解反应(热分解或光分解热分解或光分解) 当气相化合物与高温工件表面当气相化合物与高温工件表面(基片基片)接触时接触时, 发生热分解发生热分解, 生生 成沉积物原子成沉积物原子(或分子或分子), 并向基片表面迁移。并向基片表面迁移。 如多晶硅膜和碳化硅膜的沉积反应如多晶硅膜和碳化硅膜的沉积反应: SiH4(g) Si(s) + 2H2(g) CH3SiCl3(g) SiC(s) + 3HCl(g) 第38页/共68页 第39页/共68页 (4) 氮化反应氮化反应 由氨分解、化合生成所需氮化物粒子。由氨分解、化合生成所需氮化物粒子。 如沉积氮化硅薄膜时

24、的反应如沉积氮化硅薄膜时的反应: 3SiH4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12H2(g) (5) 碳化物生成反应碳化物生成反应 如沉积如沉积TiC膜时的置换反应膜时的置换反应: TiCl4(g) + CH4(g) TiC(s) + 4HCl(g) (6) 复杂的合成反应复杂的合成反应 在沉积过程中包含了上述一种或几种反应在沉积过程中包含了上述一种或几种反应, 如在还原反应的同如在还原反应的同 时时, 通入另一反应气体通入另一反应气体, 可获得所需化合物的薄膜可获得所需化合物的薄膜: 2TiCl4(g) + 4H2(g) + N2(g) 2TiN(s) + 8HCl(g) 以

25、上反应式包括了以上反应式包括了Ti的还原和氮化反应的还原和氮化反应, 最后获得最后获得TiN沉积物沉积物 。 第40页/共68页 2CVD的特点的特点 (1)在中温和高温下，通过气态的初始化合物之间的气相在中温和高温下，通过气态的初始化合物之间的气相 化化 学反应而沉积固体。学反应而沉积固体。 (2) 可以在大气压可以在大气压(常压常压)或者低于大气压下或者低于大气压下(低压低压)进行沉积。进行沉积。 一般来说低压效果要好些。一般来说低压效果要好些。 (3) 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应， 可在较低的温度下进行沉积。可在较低的温

26、度下进行沉积。 (4) 镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得 到混合镀层。到混合镀层。 第41页/共68页 第42页/共68页 11-2-3 CVD工艺过程及模型工艺过程及模型 1CVDCVD的工艺过程的工艺过程 CVD的化学反应主要有两种的化学反应主要有两种： (1)(1)通过各种初始气体之间的反应来产生沉积通过各种初始气体之间的反应来产生沉积。 如沉积如沉积TiC、SiC等等。 (2)(2)通过气相的一个组分与基体表面之间的反应来沉积通过气相的一个组分与基体表面之间的反应来沉积。 如钢的渗碳等。如钢的渗碳等。 第43页/共68页

27、CVD法沉积法沉积TiC为例：为例： 工件工件11置于氢气保护下，加热置于氢气保护下，加热 到到1000 1050，然后以氢，然后以氢 气气10作载流气体把卤化物作载流气体把卤化物 (TiCl4)7和甲烷和甲烷1带入炉内带入炉内 反应室反应室2中，使中，使TiCl4中的钛中的钛 与与CH4中的碳中的碳(以及钢件表面以及钢件表面 的碳的碳)化合，形成碳化钛。化合，形成碳化钛。 反应的副产物被气流带出室外。反应的副产物被气流带出室外。 第44页/共68页 其沉积反应如下：其沉积反应如下： TiClTiCl4 4(l) + CH(l) + CH4 4(g) (g) TiC(s) + 4HCl(g)

28、TiC(s) + 4HCl(g) TiCl TiCl4 4(l) + C(l) + C(钢中钢中) + 2H) + 2H2 2(g) (g) TiC(s) + 4HCl(g) TiC(s) + 4HCl(g) 气体中的氧化性组分气体中的氧化性组分(如微量氧、水蒸气如微量氧、水蒸气)对沉积过程有很大对沉积过程有很大 影响，选用气体不仅纯度要高影响，选用气体不仅纯度要高(如氢气要求如氢气要求99.9%以上，以上， TiCl4的纯度要高于的纯度要高于99.5%)，而且在通入反应室前必须经过，而且在通入反应室前必须经过 净化，以除去其中的氧化性成分。净化，以除去其中的氧化性成分。 第45页/共68页

29、第46页/共68页 零件在镀前应进行清洗和脱脂，还应在高温氩气流中作还零件在镀前应进行清洗和脱脂，还应在高温氩气流中作还 原处理。原处理。 为了提高镀层的结合力，在钢或硬质合金上镀层的成分常为了提高镀层的结合力，在钢或硬质合金上镀层的成分常 从从TiC到到TiN逐渐变化，即开始时镀以逐渐变化，即开始时镀以 TiC 使之与基体中使之与基体中 的碳化物有较好的结合力，随后逐渐增加的碳化物有较好的结合力，随后逐渐增加N的含量，减少的含量，减少 C的含量，也就是的含量，也就是Ti(C,N)中中C的成分减少，的成分减少，N增加直至表增加直至表 面成为面成为TiN。 第47页/共68页 第48页/共68页

30、 2CVD的模型的模型 CVDCVD沉积物的形成涉及各种化学平衡及动力学过程沉积物的形成涉及各种化学平衡及动力学过程, , 这些这些 化学过程受反应器设计、化学过程受反应器设计、CVDCVD工艺参数工艺参数( (温度、压强、气体温度、压强、气体 混合比、气体流速、气体浓度混合比、气体流速、气体浓度) )、气体性能、基体性能等、气体性能、基体性能等 诸多因素的影响诸多因素的影响, , 要考虑所有的因素来描述完整的要考虑所有的因素来描述完整的CVDCVD工工 艺模型几乎是不可能的艺模型几乎是不可能的, , 因而必须做某些简化和假设。因而必须做某些简化和假设。 第49页/共68页 最典型的是最典型的

31、是浓度边界层模型浓度边界层模型, , 比较简单地说明了比较简单地说明了CVDCVD工艺中的主要现象工艺中的主要现象 成核和生长的过程，其主要过程有成核和生长的过程，其主要过程有: : ( () )反应气体被强迫导入系统反应气体被强迫导入系统; ; ( () )反应气体由扩散和整体流动反应气体由扩散和整体流动 穿过边界层穿过边界层; ; ( () )气体在基体表面的吸附气体在基体表面的吸附; ; ( () )吸附物之间的或者吸附物与吸附物之间的或者吸附物与 气态物质之间的化学反应气态物质之间的化学反应; ; ( () )吸附物从基体解吸吸附物从基体解吸; ; ( () )生成气体从边界层到整体气

32、生成气体从边界层到整体气 体的扩散和整体流动体的扩散和整体流动; ; ( () )将气体从系统中强制排出。将气体从系统中强制排出。 图12-14 浓度边界层模型示意图 第50页/共68页 11-2-4 CVD的应用的应用 CVDCVD镀层可用于要求耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及有某些电镀层可用于要求耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及有某些电 学、光学和摩擦学性能的部件。学、光学和摩擦学性能的部件。 在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位，一般采在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位，一般采 用难熔的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。用难熔的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。 除了刀具外，除了刀具外，CVDCV

33、D镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备 ，如割草机、切烟丝机、泥浆传输设备、煤的气化设备，如割草机、切烟丝机、泥浆传输设备、煤的气化设备 和矿井设备等。和矿井设备等。 第51页/共68页 第52页/共68页 11-2-5 几种新型化学气相沉积几种新型化学气相沉积 1金属有机化合物化学气相沉积金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)(MOCVD) MOCVD是常规是常规CVD技术的发展。利用在比较低的温度下技术的发展。利用在比较低的温度下 能分解的金属有机化合物作初始反应物。把欲镀膜层的一能分解的金属有机化合物作初始反应物。把欲镀膜层的一 种或几种组分以金属烷基化

34、合物的形式输送到反应区，而种或几种组分以金属烷基化合物的形式输送到反应区，而 其它的组分以氢化物的形式输送。其它的组分以氢化物的形式输送。 第53页/共68页 第54页/共68页 2等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积(PCVD)(PCVD) PCVD法利用辉光放电或外热源使置于阴极的工件升到一法利用辉光放电或外热源使置于阴极的工件升到一 定温度后，通入适量的反应气，经过化学和等离子体反定温度后，通入适量的反应气，经过化学和等离子体反 应生成沉积薄膜。应生成沉积薄膜。 由于存在辉光放电过程，气体剧烈电离而受到活化，和由于存在辉光放电过程，气体剧烈电离而受到活化，和 普通普通CVD法

35、的气体单纯受热激活不同，反应温度可以大法的气体单纯受热激活不同，反应温度可以大 大下降。大下降。 第55页/共68页 第56页/共68页 3激光化学气相沉积激光化学气相沉积(LCVD)(LCVD) LCVDLCVD是以激光为热源，通过激光激活而使常规的是以激光为热源，通过激光激活而使常规的CVDCVD技术技术 得到强化。得到强化。 LCVDLCVD类似于类似于PCVDPCVD技术技术, , 但两者之间有重要差别。但两者之间有重要差别。 在等离子体中在等离子体中, , 电子的能量分布比激光发射的光子的能量电子的能量分布比激光发射的光子的能量 分布要宽得多。另外，普通分布要宽得多。另外，普通CVD

36、CVD和和PCVDPCVD是热驱动的，通常是热驱动的，通常 会使大体积内的反应物预热，还会导致沉积物受到加热表会使大体积内的反应物预热，还会导致沉积物受到加热表 面的污染。而面的污染。而LCVDLCVD在局部体积内进行，所以减少了污染问在局部体积内进行，所以减少了污染问 题。题。 第57页/共68页 第58页/共68页 4微波等离子体化学气相沉积微波等离子体化学气相沉积(MPCVD) 微波等离子体是在微波能量的作用下微波等离子体是在微波能量的作用下, 沉积气体被激发形沉积气体被激发形 成的一种等离子体。成的一种等离子体。 由于微波放电是无极放电，因而在由于微波放电是无极放电，因而在CVD过程中不存在气过程中不存在气 体污染和电极腐蚀问题，并且有高的能量转换效率、等离体污染和电极腐蚀问题，并且有高的能量转换效率、等离 子体参数容易控制、易产生大量的均匀等离子体等特点，子体参数容易控制、易产生大量的均匀等离子体等特点， 使使MPCVD成为制备大面积高质量金刚石膜的主要方法之成为制备大面积高质量金刚石膜的主要方法之 一。一。 第59页/共68页 制备时是将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进制备时是将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进 入反应器入反应器, 并通入并通入CH4和和H2混合气混合气, 产生产生CH4-H2等离子体等离子体, 从而产生固体碳元素沉积到基片上