➢1.气相沉积技术原理、分类
❖定义-在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。
❖分类-膜层形成机理可分为
真空蒸镀 (1)物理气相沉积 溅射镀膜
(2)化学气相沉积 离子镀膜
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
➢2.物理气相沉积原理、装置及工艺
(1)真空蒸镀 ❖定义-在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
(3)离子镀膜
定义-在真空条件下，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
辉光区
基片 靶
屏
蔽
S
N
S
磁铁
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
F 三极溅射
阳极 靶子
灯丝
钟罩
挡板
基片 磁场 线圈
等离 子区
进气阀
抽气系统
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 溅射镀膜应用
F 机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜； F 物理功能膜：电气、磁学、光学等； F 装饰膜。
工件架
至真 空泵
阳极
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
F磁控溅射离子镀
离子镀 电源
永久磁铁 工作室 磁磁控靶
控
NSN
阳
极
磁控 电源
膜层
氩气
至真 空泵
基板 (工件)
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
F活性反应离子镀
反应 气导 入环
真空室
基板
压差 板
物料
真空机组
探测 电极 反应
气体
＋
电 源
—
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一、气相沉积技术
(2)溅射镀膜 定义-在真空室中，用荷能粒子轰击靶材，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。
步骤-靶面原子溅射→溅射原子向基片迁移→沉积成膜。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 常用方法
F 二极溅射
由真空室+抽真空系统+ 电气系统+供气部分组成
工 件
蒸发源与
加热器
钟罩
冷阱
出水 扩散泵
工件夹和 加热器
ZF-85 针阀
高真空阀
充气阀
低真 空阀
放气阀
进水
增压泵 机械泵
真空蒸镀设备简图
材料表面工程第四讲
7
一、气相沉积技术
v 方法
F 电阻加热法 温度<1500℃，Al、Au、Ag。
电阻加热蒸发源
钨丝、钨舟、钼舟
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 缺点
F 需要较高T，基材T高，沉积速率低/难以实现局部沉积； F 参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 分类
按沉积T
高温CVD
900~2000℃
如：在刀具上沉积 TiC/TiN超硬膜
中温CVD 500~800℃ 如:沉积SiN
低温CVD < 500℃
型等。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 原理
F 工件为阴极，阳极兼作蒸发源。 F 抽真空10-3~10-4Pa，充氩气至10-
2~1Pa，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。
钟罩 氩气
阳极
~
交流
电源
阴极
基片
然后凝聚在基体表面的方法。
❖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。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
❖ 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。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
❖ 设备
F 大多数呈晶态，尺寸10~100nm；
F 膜层与基体的结合主要为机械结合；
F 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；
F 常用的蒸镀材料有:铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑等。
v 真空蒸镀膜应用
F 反射器(镜)蒸发镀铝；
F 电视设备、电子计算机用的电子元件。
材料表面工程第四讲
至真 空泵
电子枪
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 离子镀膜应用
F 表面强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、润滑镀层； F 装饰镀层； F 特殊功能镀层。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
➢3.化学气相沉积原理、装置及工艺
❖定义-通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。
❖设备-
流量计
感应 加热炉
常由石英管制成； 器壁为热态
反应室
干燥剂
甲烷
催化剂 氢气瓶
混合室 TiCl4
高频源
材料表面工程第四讲
工件
出气口
工件 出口 油槽
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一、气相沉积技术
v 特点
F 可以制备多种单质/化合物/氮化物或不同组分的薄膜； F 可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层； F 薄膜的沉积温度可以低于其本身的熔点。
材料表面工程
主讲教师：吕 祥 鸿 西安石油大学材料科学与工程学院
材料表面工程第四讲
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目录
l 一、气相沉积技术 l 二、高能束表面处理
材料表面工程第四讲
一、气相沉积技术
➢ 1.气相沉积技术原理、分类 ➢2.物理气相沉积原理、装置及工艺 ➢3.化学气相沉积原理、装置及工艺
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
阴极 —暗直区
流 高 ＋压 等离 子区
蒸发源
至真空 系统
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 常用离子镀膜方法
氩气
F 空心阴极离子镀 HCD 阴极
钟罩 工件
辅助 阳极
至真空 系统
材料表面工程第四讲
水冷铜 坩埚
高压 电源 蒸发源
阳极
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一、气相沉积技术
F多弧离子镀
工作室
弧靶
工
件
引弧
电极
70V,100A
F 高频感应加热法
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
F 激光蒸镀法
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 真空蒸镀膜影响因素
F 真空度 F 基材表面状态：清洁度、温度、晶体结构 F 蒸发温度 F 蒸发和凝结速率
F 基材表面与蒸发源的空间关系
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 真空蒸镀膜性质
钟罩
阴极屏障
阴极(靶)
基
阳极 (基板)
片
加热器
高压 —电源＋
加热 氩气 电源
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
F 射频溅射
l射频：指频率低于6×1012的电振荡频率
射频 电源
匹配电路 氩气
射频 电极
电磁 线圈
真空罩
工件
工件架
电磁 线圈 靶材
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
F 磁控溅射
工件架
如：平面硅和MOS 集成电路的钝化膜
普通CVD
按实施方法
金属有机物CVD MOCVD
等离子增强CVD PECVD