表面工程-09气相沉积ppt课件

1、College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT气相沉积技术是近气相沉积技术是近3030年来迅速发展的表面技术，它利用年来迅速发展的表面技术，它利用气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多层薄膜，使材料或制品获得所需的各种优异性能。层薄膜，使材料或制品获得所需的各种优异性能。这项技术早期也被称为这项技术早期也被称为“干镀干镀”，主要分，主要分 PVD PVD 和和 CVD CVD ：物理气

2、相沉积物理气相沉积 （Physical Vapor Deposition Physical Vapor Deposition ）化学气相沉积化学气相沉积 （Chemical Vapor DepositionChemical Vapor Deposition）College of Materials Science and Engineering, BJUT负偏压负偏压靶靶基片基片plasma反应性气体反应性气体基片基片CH4College of Materials Science and Engineering, BJUTlThe main difference is the resultin

3、g step profile of the deposited film.lA PVD film deposits straight down onto the surface.lA CVD film deposits evenly on all surfaces at the same timeFilm Growth with PVDFilm Growth with CVDCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT到60年代末，CVD制

4、备 TiC 及 TiN 硬膜技术已逐渐走向成熟大规模用于镀层硬质合金刀片以及Cr12系列模具钢。目前在发达国家中，刀片的 70一80 是带镀层使用的。CVD的主要缺点是沉积温度高900-1200），超过了许多工模具的常规热处理温度，因此镀覆之后还需进行二次热处理，不仅引起基材的变形与开裂，也使镀层的性能下降。大多数精密刀具都是高速钢制造的，这些刀具制造复杂，价格昂贵，消耗贵金属，迫切需要延长使用寿命，因此推动了物理气相沉积PVD硬膜技术的诞生与发展。College of Materials Science and Engineering, BJUT在 1963年DMMattox 提出了离子镀技

5、术，并于 1967年取得了美国专利。时隔两年，美国的 IBM 公司研制出射频溅射法，这两种技术与蒸镀构成了 PVD 的三大系列。在这之后，又推出了磁控溅射离子镀、活性反应离子镀、集团束离子镀等，与此同时，溅射技术也得到了迅速的发展，先后出现了二极、三极、磁控和射频溅射等技术。1972年美国加州大学 Bunshan 发明了活性反应蒸镀技术，1973年前苏联又推出了多弧离子镀；与此同时，日本的村山洋一发明了射频离子镀。一年之后。日本的小宫泽治将空心阴极放电技术用于离子镀形成了目前广泛应用的空心阴极离子镀。 College of Materials Science and Engineering,

6、BJUT随后中国、日本、美国、德国、韩国等多个小组都报道了随后中国、日本、美国、德国、韩国等多个小组都报道了PCVD沉积沉积TiN的研究结果。的研究结果。College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Sc

7、ience and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT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简称蒸镀）。原理：和液体一样，固体在任何温度下也或多或少地气化升华），形成该物质的蒸气。在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发，蒸发原子在各个方向的通量并不相等。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。为了弥补凝固的蒸气，蒸发源要以

8、一定的比例供给蒸气。蒸发粒子具有的动能是 0.1-1.0 eV，膜对基体的结合力较弱，一般要对基板进行加热。College of Materials Science and Engineering, BJUT(1) (1) 电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀加热器材料常使用钨、钼加热器材料常使用钨、钼、钽等高熔点金属，按照、钽等高熔点金属，按照蒸发材料的不同，可制成蒸发材料的不同，可制成丝状、带状和板状丝状、带状和板状 . .(2) (2) 电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀利用电子束加热可以使钨利用电子束加热可以使钨熔点熔点33803380）、钼）、钼熔点熔点26102610）和钽熔）和钽熔点点310031

9、00）等高熔点金）等高熔点金属熔化。属熔化。 Power SupplyPlatens with several wafersMolten Aluminium in a crucibleElectron BeamAluminium VapourElectron GunCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT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

10、几种组元同时凝聚成膜。多少来确定，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遇到分馏问题单电子束蒸发源沉积合金时会遇到分馏问题: :以以 Ni NiCr Cr 二元合金为例，它经常用于制造电阻薄膜和抗蚀层。二元合金为例，它经常用于制造电阻薄膜和抗蚀层。蒸镀的合金膜，其组成为蒸镀的合金膜，其组成为 80/20 80/20。蒸发温度约。蒸发温度约 2000K 2000K，而铬在，而铬在 2000K 2000K 时的蒸气压强比镍要高时的蒸气压强比镍要高 100 100 倍。如果镀料是一次加热，倍。如果镀料是一次加热，则因铬原子消耗较快，而使镀层逐渐贫铬。则因铬原子消耗较快，而使镀层逐渐贫

11、铬。 解决分馏问题的办法是连续加料，熔池的温度和体积保持恒定是解决分馏问题的办法是连续加料，熔池的温度和体积保持恒定是工艺成功的关键。如果合金组元蒸气压差别过大，沉积合金的工工艺成功的关键。如果合金组元蒸气压差别过大，沉积合金的工艺便受到限制。艺便受到限制。 College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials

12、 Science and Engineering, BJUTAluminium TargetPedestalWaferPlasmaCollege of Materials Science and Engineering, BJUTl Argon gas is fed into the chamber which is under vacuum.l A large voltage is applied causing some electrons on the argon molecules to break free, leaving positively charged argon ions

13、.Ar+Ar+Ar+Ar+ArArArGas InArArArArAr-+e-e-e-e-The argon ions will be attracted to the negative potential, so thats where the target material is placed.The wafer is placed on the positive/neutral electrode.The argon bombards the target causing chunks of material to fall on the wafer.The free electrons

14、 collide with the argon atoms producing more ions and so sustaining the plasma and the sputtering processCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT磁控溅射是磁控溅射是7070年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前年代迅速发展起来的新型溅射

15、技术，目前已在工业生产中实际应用。已在工业生产中实际应用。磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级，它具有高速、低温、低损伤等优点：，它具有高速、低温、低损伤等优点：高速是指沉积速率快；高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT射频是指无线电波发射范围的频率射频是指无线电波

16、发射范围的频率 ，为了避免干扰电台工作，溅射为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为专用频率规定为1356MHk。 射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上，似乎没有阴极与阳射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上，似乎没有阴极与阳极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极不是对称的。放置基极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极不是对称的。放置基片的电极与机壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极片的电极与机壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。离子轰击。在射频电源交

17、变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。另一电极对于等离子体处于负电位，是阴极体电离为等离子体。另一电极对于等离子体处于负电位，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。，受到离子轰击，用于装置靶材。缺陷：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因缺陷：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。此，射频溅射不适于工业生产应用。College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials S

18、cience and Engineering, BJUT在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金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：膜的成分： 镀制合金膜可以采用多靶共溅射，这时控制各个磁控镀制合金膜可以采用多靶共溅射，这时控制各个磁控靶的溅射参数，可以得到一定成分的合金膜。如果靶的溅射参数，可以得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶单靶进行溅射，则不必采用任直接采用合金靶单靶进行溅射，则不必采用任何控制措施，就可以得到与靶材成分相对一致何控制措施，就可以得到与靶材成分相对一致的合金膜。的合金膜。 化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反应溅射。许化合物膜的镀制可选用化

19、合物靶溅射和反应溅射。许多化合物是导电材料，其电导率有的甚至与金属材多化合物是导电材料，其电导率有的甚至与金属材料相当，这时可以采用化合物靶进行直流溅射。对料相当，这时可以采用化合物靶进行直流溅射。对于绝缘材料化合物，则只能采用射频溅射。于绝缘材料化合物，则只能采用射频溅射。College of Materials Science and Engineering, BJUT 溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类：前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料等。CrCrN等合金靶或镶嵌靶，在N2，CH4等气

20、氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr，CrC，CrN等镀层，取代镀硬铬。College of Materials Science and Engineering, BJUT离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的在于改善膜层的性能，离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，再加上数百伏的负在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，再加上数百伏的负偏压，即有能量为偏压，即有能量为100eV量级的离子向基片轰击，从而实量级的离子向基片轰击，从

21、而实现离子镀。现离子镀。离子镀也可以在蒸镀的基础上实现，例如在真空室内通入离子镀也可以在蒸镀的基础上实现，例如在真空室内通入1Pa量级的氩气后，在基片上加上量级的氩气后，在基片上加上1000V以上的负偏压，以上的负偏压，即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基片，这就是离子镀。片，这就是离子镀。College of Materials Science and Engineering, BJUT对于真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的每个沉积粒子所带的能量是不同的：热蒸镀原子大约 0.2eV，溅射原子大约1-50eV

22、，而离子镀中轰击离子大概有几百到几千eV。离子轰击对基片表面有清洗作用，另外还能促进形成共混的过渡层。如果离子轰击的热效应足以使界面处产生扩散层，形成冶金结合，则更有利于提高结合强度。蒸镀的膜层其残余应力为拉应力，而离子轰击产生压应力，可以抵消一部分拉应力。离子轰击可以提高镀料原子在膜层表面的迁移率，这有利于获得致密的膜层。如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀了。离子渗镀的离子能量为1000eV左右。College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege o

23、f Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTStep 1: Gases are introduced into the system which may be a

24、t atmospheric or low pressure.Step 2: The precursors diffuse through the system to the stagnant gas flow above the wafer surface where they are adsorbed.Step 3: These precursors migrate on the surface so that chemical reactions can begin and produce solid by-products.Step 4: These solid by-products

25、form nuclei which grown into islands while the waste by-products are pumped awayStep 5: These islands of material eventually merge together so that a continuous film is produced.College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUThydrides: hydrides: （氢

26、化物（氢化物MHx - MHx - SiH4, GeH4, AlH3(NMe3)2, NH3, PH3 . SiH4, GeH4, AlH3(NMe3)2, NH3, PH3 . halides: halides: （卤化物（卤化物MXy - MXy - TiCl4, TaCl5, MoF6, WF6, . TiCl4, TaCl5, MoF6, WF6, . metal-organics metal-organics （金属有机物）（金属有机物）- - metal alkylsmetal alkyls烷基）烷基） metal alkoxides metal alkoxides （醇盐）（醇盐

27、） metal dialkylamides metal dialkylamides （乙二醇胺）（乙二醇胺）: : metal diketonates metal diketonates （二酮）（二酮）: : metal carbonyls metal carbonyls （羰基）（羰基）: : others: complexes with alkene, allyl, others: complexes with alkene, allyl, cyclopentadienyl, etc. cyclopentadienyl, etc. College of Materials Science

28、 and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT等离子体增强等离子体增强CVDCVDPCVDPCVD以及激光以及激光 CVD CVDLCVDLCVD中气相化学反应由于等离子体的产生或激光中气相化学反应由于等离子体的产生或激光的辐照也可以把反应温度降低。的辐照也可以把反应温度降低。College of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUTCollege of M

29、aterials Science and Engineering, BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT由于传统的CVD沉积温度大约在800以上，所以必须选择合适的基体材料。例如，大部分钢就不合适：应力，相变等常用的基体包括：各种难熔金属钼常被采用）、石英、陶瓷、硬质合金等。当沉积温度低于700时，也可以钢为基体，但对钢的表面必须进行保护，一般用电镀或化学镀的方法在表面沉积一薄层镍。College of Materials Science and Engineering, BJUT对于耐磨硬镀层一般采用难熔的硼化物、碳化物

30、、氮化物和氧化物。对于耐磨硬镀层一般采用难熔的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位。满足这些要求的镀层包括在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地位。满足这些要求的镀层包括TiC，TiN，Al2O3，TaC，HfN 和和 TiB2 以及它们的组合。以及它们的组合。 除刀具外，除刀具外，CVD镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备，如泥浆传输设备镀层还可用于其它承受摩擦磨损的设备，如泥浆传输设备、煤的气化设备和矿井设备等。、煤的气化设备和矿井设备等。 College of Materials Science and Engineering, BJUTMOCVD是常规

31、CVD技术的发展。它用在相当低的温度下能分解的金属有机化合物作初始反应物。MOCVD的优点是可以在热敏感的基体上进行沉积；其缺点是沉积速率低、晶体缺陷密度高、膜中杂质多。在这种技术中把欲镀膜层的一种或几种组分以金属烷基化合物的形式输送到反应区，而其它的组分可以氢化物的形式输送。其它的初始反应物，如氯置换的金属烷基化合物或配位化合物也可采用。已经用金属有机化合物沉积了氧化物、氮化物、碳化物和硅化物镀层。许多金属有机化合物在中温分解，可以沉积在如钢这样一类的基体上。所以这项技术也被称为中温CVDMTCVD）。College of Materials Science and Engineering,

32、 BJUTCollege of Materials Science and Engineering, BJUT 在硬质合金表面作镀层时由于温度低，基体不易脱碳，镀层下仍能保持基体中WC的含量，镀层后整体的横断强度下降不多，在切削过程中不易发生硬质合金刀头的折断。PCVD法要求的真空度比PVD低，设备成本也比PVD 法和CVD法的低。PCVD法的结合强度比PVD法好，镀后刀具的色泽可以和PVD的金黄色相似，因此在一定程度上取代了PVD法和CVD法，有着良好的发展前景。College of Materials Science and Engineering, BJUT激光化学气相沉积是新出现的技术，通过激光激活而使常规CVD技术得到强化，工作温度大大降低，在这个意义上LCVD类似于PCVD技术，然而这两种技术之间有一些重要差别。College of Materials Science and Engineering, BJUTLCVD的应用包括激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正、激光蒸发一沉积以及金属化。College of Materials