09-10学年-表面工程-第12章气相沉积技术

1、2020/6/21,第12章 气相沉积技术,材料科学与工程学院,表面工程,2020/6/21,是一类在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。,气相沉积,按照膜层形成机理可分为：,化学气相沉积,物理气相沉积,真空蒸镀,溅射镀膜,离子镀膜,2020/6/21,第12章 气相沉积技术,12.1真空蒸镀基本原理、装置及工艺 12.2溅射镀膜基本原理、装置及工艺 12.3离子镀膜基本原理、装置及工艺 12.4化学气相沉积原理、装置及工艺,2020/6/21,12.1真空蒸镀基本原理、装置及工艺,2020/6/21,在真空条件下，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。,12.1.1真

2、空蒸镀概念,真空蒸镀模具零件,2020/6/21,真空蒸镀汽车轮毂,真空蒸镀日用五金,真空蒸镀步骤： 清洁基材表面蒸发源加热镀膜材料材料蒸发或升华成蒸气蒸气在基材表面凝聚成膜。,2020/6/21,真空蒸镀电子产品非金属零件,CPP镀铝膜/PET复合膜袋,金属膜包装纸,2020/6/21,12.1.2真空蒸镀原理,在高真空中，镀料气化（升华）。基体设在蒸气流上方，且温度相对较低，则蒸气在基体上形成凝固膜。,真空蒸镀设备,真空蒸镀原理,2020/6/21,真空蒸镀设备简图,12.1.3真空蒸镀设备,高真空阀,出水,扩散泵,冷阱,增压泵,ZF-85针阀,工件,钟罩,工件夹和加热器,低真空阀,放气阀

3、,充气阀,蒸发源与加热器,机械泵,调节真空室内压强,进水,二者互锁,防止因高真空阀未关而充入大气,使处于高温状态下的扩散泵油氧化,2020/6/21,真空蒸镀设备(真空槽打开),闭合的真空槽,2020/6/21,真空槽顶部,2020/6/21,真空槽底部,2020/6/21,真空槽电阻加热丝,2020/6/21,电阻加热法 温度1500,Al、Au、Ag,12.1.4真空蒸镀方法,钨丝、钨舟、钼舟,电阻加热蒸发源,2020/6/21,电子束加热法,2020/6/21,高频感应加热法,2020/6/21,激光蒸镀法,2020/6/21,12.1.5真空蒸镀膜影响因素,真空度; 基材表面状态：清洁

4、度、温度、晶体结构; 蒸发温度; 蒸发和凝结速率; 基材表面与蒸发源的空间关系。,2020/6/21,12.1.6真空蒸镀膜性质与应用,蒸发膜性质,大多数呈晶态,尺寸10100nm;,膜层与基体的结合主要为机械结合;,形貌取决于膜层材料的特性/基体材料及操作时基体的温度。,常用的蒸镀材料有:铬/铜/金/铝/氧化硅/锡/锑/三硫化锑等。,2020/6/21,应用,反射器(镜)蒸发镀铝;电视设备/电子计算机用的电子元件。,如电容/电极/导电膜/电阻膜/二极管/光功率器件等。,2020/6/21,12.2溅射镀膜基本原理、装置及工艺,2020/6/21,12.2.1 溅射镀膜,在真空室中，用荷能粒子

5、轰击靶材，使其原子获得能量而溅出进入气相，并在工件表面沉积成膜。 荷能粒子一般为离子。,溅射镀膜过程 靶面原子溅射溅射原子向基片迁移沉积成膜,2020/6/21,由真空室+抽真空系统+ 电气系统+供气部分组成,钟罩,氩气,阴极(靶),阳极(基板),高压电源,加热电源,基片,阴极屏障,加热器,12.2.2 常用溅射方法,二极溅射,2020/6/21,射频溅射,射频电源,氩气,靶材,射频电极,匹配电路,工件架,工件,电磁线圈,电磁线圈,真空罩,射频：指频率低于61012的电振荡频率,2020/6/21,磁控溅射,靶,S,S,N,屏蔽,基片,工件架,辉光区,磁铁,2020/6/21,三极溅射,钟罩,

6、靶子,挡板,磁场线圈,基片,阳极,灯丝,抽气系统,进气阀,等离子区,2020/6/21,12.2.3 溅射镀膜应用,机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜; 物理功能膜：电气、磁学、光学等; 装饰膜。,应用举例： 电子元件、集成电路：电极、引线、层间绝缘膜; 显示元件：透明导电膜ITO、SnO2; 磁记录：记录介质(阿莫合金、-Fe2O3)。,2020/6/21,12.3离子镀膜基本原理、装置及工艺,2020/6/21,12.3.1离子镀膜,真空条件下，由惰性气体辉光放电使气体或被蒸发物质部分离子化，离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击，同时将蒸发物或反应物沉积成膜。,镀料蒸

7、发方式：电阻加热、电子束加热、等离子束加热、高频感应加热等。,离化方式：辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束型等。,2020/6/21,12.3.2离子镀膜原理,阴极,交流电源,至真空系统,基片,蒸发源,直流高压,氩气,钟罩,阳极,等离子区,阴极暗区,工件为阴极，阳极兼作蒸发源。,抽真空10-310-4Pa, 充氩至10-21Pa，加几百至几千伏直流电压，氩离子轰击清洗基片，接通交流电，膜料蒸发且电离或激发，正离子轰击基片，中性粒子沉积成膜。,2020/6/21,空心阴极离子镀,水冷铜坩埚,钟罩,工件,高压电源,蒸发源,氩气,HCD阴极,至真空系统,阳极,辅助阳极,HCD Hollow

8、 Cathode Deposition,12.3.3常用离子镀膜方法,2020/6/21,至真空泵,弧靶,70V,100A,工件架,阳极,工作室,工件,引弧电极,多弧离子镀,2020/6/21,磁控溅射离子镀,至真空泵,永久磁铁,基板(工件),工作室,磁控电源,N S N,氩气,离子镀电源,磁控阳极,磁控靶,膜层,2020/6/21,活性反应离子镀,至真空泵,基板,电子枪,真空室,反应气体,真空机组,反应气导入环,电源,探测电极,压差板,物料,2020/6/21,在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张等材料上得到单一镀层、化合物镀层、合金镀层。 应用范围： 表面强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、润 滑镀层

9、; 装饰镀层; 特殊功能镀层。,12.3.4 离子镀膜应用,离子镀膜附着力强、可镀材料广泛。,试验表明,2030m的离子镀铝膜,经2100h的5%盐水喷雾后还不破坏,美国在飞机用的螺钉/衬套等零件上采用该工艺代替电镀镉,日本已用在碳钢上离子镀铝部分代替不锈钢,2020/6/21,12.4化学气相沉积原理、装置及工艺,2020/6/21,12.4.1化学气相沉积,通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。,12.4.1.1CVD设备,甲烷,工件,氢气瓶,TiCl4,高频源,感应 加热炉,干燥剂,催化剂,反应室,工件出口,出气口,混合室,流量计,常由石英管制成;器壁为热态,油槽,2020/

10、6/21,12.4.1.2CVD特点,参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性,需要较高T,基材T高,沉积速率低/难以实现局部沉积,CVD反应类型有多种,同种气源可以制备不同的膜,例如:,可以制备多种单质/化合物/氮化物或不同组分的薄膜;,甲硅烷参加,热分解反应,单质硅,可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层;,一般通过反应温度/气体组成/浓度/压力来控制膜的组成/厚度等,氧化反应,氨解反应,氧化物,氮化物,薄膜的沉积温度可以低于其本身的熔点;,如W的熔点为3410;可在600通过还原反应得到。,或,基材,不足,数m数百m/h,2020/6/21,按沉积T,高温CVD,12.4.1.3

11、CVD方法分类,按实施方法,中温CVD,低温CVD,普通CVD,MOCVD,如平面硅和MOS集成电路的钝化膜,等离子增强CVD,光化学反应CVD,金属有机物CVD,如在刀具上沉积TiC/TiN超硬膜,如:沉积SiN,9002000,激光CVD,500800, 500,PECVD,LCVD,按沉积系统压强,常压CVD,减压CVD,1atm(1.013105 Pa),数十数百Pa,2020/6/21,12.4.2减压CVD,气动连锁装置,气体控制系统,主真空泵,防振台,感应加热,压力表,清洗氮,装料门组件,反应室,冷阱,反应气体管,排气,波纹管,真空阀,2020/6/21,12.4.3等离子体增强

12、CVD (PECVD),扩散泵,加热器,SiH4+Ar,试样,高频发生器,反应室,质量流量计,N2,机械泵,质量流量计,等离子区,2020/6/21,12.4.4金属有机化合物CVD (MOCVD),质量流量计4个,反应室,H2Se,AsH3,GaAs基片,排气,RF 线圈,托架,净化器,TMG,TMA,DEZ,石墨制成,H2,采用GaAs作为基片,不锈钢发泡器,高压气瓶,用氢气稀释至510%,用氢气稀释至几十几百ppm,至废气回收装置,2020/6/21,12.4.5光化学CVD,主要用于沉积SiO2/Si3N4以及多晶硅膜;生长M膜和Ga/Ge/Ti/W等元素的氧化物膜;,利用光化学反应,使反应物吸收一定波长和能量的光子,促使其中的原子团和离子发生反应,生成化合物的CVD方法。,2020/6/21,敏化剂,生成的基态氧O与SiH4反应获得氧化物,用汞作敏化剂的光解反应,光源 用低压汞发生的远紫外光(UV),反应气体 SiH4-