PVD与CVD

2．蒸发镀用途
蒸镀只适用于镀 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， 光学透镜的反射 膜及装饰用的金 膜、银膜。
2．蒸发镀用途
蒸镀纯金属膜中90％是铝膜，铝膜有广泛的用 途。 目前在制镜工业中已经广泛采用蒸镀，以铝代 银，节约贵重金属。 集成电路是镀铝进行金属化，然后再刻蚀出导 线。在聚酯薄膜上镀铝具有多种用途，可制造 小体积的电容器；制作防止紫外线照射的食品 软包装袋等；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜 艳的装饰膜。 双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造 罐头盒。
一、 蒸发镀
在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀膜材 料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法 称为蒸发镀膜，简称蒸镀。 蒸发镀是PVD方法中最早用于工业生产的一 种方法，该方法工艺成熟，设备较完善，低 熔点金属蒸发效率高，可用于制备介质膜、 电阻、电容等，也可以在塑料薄膜和纸张上 连续蒸镀铝膜。
绕射性好。
基片的正面反面甚至内孔、凹槽、狭缝等，都能沉积上薄膜。
沉积速率快，镀层质量好 。
离子镀膜获得的镀层组织致密，针孔、气泡少。而且镀前对工件 ( 基片 )清洗处理较简单。成膜速度快，可达 75m/min ，可镀制厚 达30m的镀层，是制备厚膜的重要手段。
2 离子镀膜的特点
可镀材质广泛
真空蒸镀时，蒸发粒子动能为0.1～1.0eV,膜对 基体的附着力较弱，为了改进结合力，一般采 用: 在基板背面设臵一个加热器，加热基极，使基 板保持适当的温度，这既净化了基板，又使膜 和基体之间形成一薄的扩散层,增大了附着力。 对于蒸镀像Au这样附着力弱的金属，可以先蒸 镀像Cr，Al等结合力高的薄膜作底层。
1．基本原理
其中靶是一平板，由欲沉积的材料组成，一般 将它与电源的负极相连，故此法又常称为阴极 溅射镀膜。 固定装臵可以使工件接地、悬空、偏臵、加热、 冷却或同时兼有上述几种功能。真空室中需要 充入气体作为媒介，使辉光放电得以启动和维 持，最常用的气体是氩气。
工作时，真空室预抽到6.510-3Pa，通入Ar 气 使压强维持在1.310 1.3 Pa， 接通直流高压电源，阴极靶上的负高压在极间 建立起等离子区，其中带正电的Ar+离子受电场 加速轰击阴极靶，溅射出靶物质， 溅射粒子以分子或原子状态沉积于工件表面， 形成镀膜。
二、 溅射镀膜
离子束射向一块固体材料时，有三种可能：
1．入射离子把固体材料的原子或分子撞出固体材 料表面，这个现象叫做溅射。 2．入射离子从固体材料表面弹了回来，或者穿出 固体材料而去，这些现象叫做散射。 3．入射离子受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低 下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就 叫做离子注入。
粒子动能(Ev) 沉积速率 附着力 膜的性质 基片温度(C) 压强(Pa) 膜的纯度
0.2 中 等 较 好 可能有针 孔、凸起
溅射镀膜的基本过程
正离子
溅射原子
靶
基 片
靶面原子 的溅射
溅射原子向 基片的迁移
溅射原子在 基片沉积
阴极溅射时溅射下来的材料原子具有10～35eV 的动能，比蒸镀时原子动能（0.1～1.0eV）大 得多，因此溅射镀膜的附着力也比蒸镀膜大。
2．溅射镀膜的特点
与真空蒸镀法相比，阴极溅射有如下特点：
3 离子镀的应用
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。 涂层高速钢刀具是离子 镀最成功的应用之一， 氮化钛化合物膜具有很 高的硬度，颜色金黄， 广泛用于高速钢刀具和 装饰涂层，引起了一场 刀具的“黄色革命 ”。
离子镀超硬涂层是在较低温度下沉积的，一般 不超过基体材料的回火温度，同时离子镀膜工 艺不降低工件的表面光洁度。因此，离子镀通 常做为最后一道工序进行。
被镀材料 蒸发过程
蒸发材料 粒子迁移 过程
蒸发材料 粒子沉积 过程
在真空容器中将蒸镀材料(金属或非金属)加热，
当达到适当温度后，便有大量的原子和分子离 开蒸镀材料的表面进入气相。
因为容器内气压足够低，这些原子或分子几 乎不经碰撞地在空间内飞散， 当到达表面温度相对低的被镀工件表面时， 便凝结而形成薄膜。
3．溅射镀膜工艺与应用
采用Cr、Cr-CrN等合金靶或镶嵌靶，在N2、CH4等气氛 中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr、CrC、 CrN等镀层。纯铬膜的显微硬度为425～840HV，CrN膜为 1000～350OHV，不仅硬度高且摩擦系数小，可代替水溶 液电镀铬。 用TiN、TiC等超硬镀层熔覆刀具、模具等表面，摩擦系 数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、 耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的使用性能， 又可以提高使用寿命，一般可使刀具寿命提高3～10倍。 TiN、TiC、Al2O3等膜层化学性能稳定，在许多介质中 具有良好的耐蚀性，可以作为基体材料保护膜。
离 子 镀 在 日 常 生 活 中 的 应 用
离子镀 的手表
三 种 物 理 气 相 沉 积 技 术 与 电 镀 的 比 较
电 镀覆物质 方 法 金 电
镀 属 解
真空蒸发 金属 某些化合物 真空蒸镀 0.1 1.0 高(1m/min) (3 75m/min) 一 般 不太均匀 30 200 6.510-2 取决于蒸发物 质的纯度 受真空室大小 的限制 只镀基片的直 射表面
溅射镀膜
在真空室内用几十电子伏持或更高动能的荷能 粒子 (通常是Ar+)轰击阴极(沉积材料做的靶)， 将其原子溅射出，迁移到基片(工件)上沉积形 成镀层的过程称为溅射镀膜。 在溅射镀膜中，被轰击的材料称为靶。
二极溅射是最 基本最简单的溅 射装臵。
在右图的直流 二极溅射装臵中， 主要部件为 靶 (阴极)、工件(基 片)和阳极。
离子镀膜的基本过程
蒸发材料 被电离 离子加速
蒸发 材料
基片 (工件)
气体光辉放电
镀膜材料的蒸发、材料离子化、离子加速、离子轰击 工件表面沉积成膜。
2 离子镀膜的特点
膜层的附着力强，不易脱落，这是离子镀膜的重要 特性。
如在不锈钢上镀制2050m厚的银膜，可以达到300MPa的粘附强度， 钢上镀镍，粘附强度也极好。
真空容器 ( 提供蒸发 所需的真空环境)。 蒸发源 ( 为蒸镀材料 的蒸发提供热量)。 基片 ( 即被镀工件， 在它上面形成蒸发料 沉积层 ) ，基片架 ( 安 装夹持基片)。 加热器。

蒸发镀膜系统
蒸发成膜过程是由蒸发、蒸发材料粒子的迁移和沉 积三个过程所组成。
蒸发材 料粒子 蒸发 材料 基片 (工件)
根据蒸发镀的原理可知，通过采用单金属镀膜 材料或合金镀膜材料就可在基体上得到单金属 膜层或得到合金膜层。但由于在同一温度下， 不同的金属具有不同的饱和蒸气压，其蒸发速 度也不一样，蒸发速度快的金属将比蒸发速度 慢的金属先蒸发完，这样所得的膜层成分就会 与合金镀料的成分有明显的不同。所以，通过 蒸发镀获得合金镀膜比获得单金属镀膜困难。
太阳能真空管一般为玻璃双层同轴结构，采用高硼 硅3.3特硬玻璃制造，在内管外壁采用磁控溅射镀 膜技术，溅射选择性吸收涂层，如铝、纯铜、不锈 钢或铝氮铝(AL-N-AL)等。如铜、不锈钢、氮化铝 三靶干涉膜真空管，最里层是铜反射层，中间是不 锈钢吸收层，最外是氮化铝减反层。
三、离子镀
将真空室中的辉光放电等离子体技术与真 空蒸发镀膜技术结合起来的一种PVD技术。 在真空条件下，借助于一种惰性气体的辉 光放电使欲镀金属或合金蒸发离子化，在 带负电荷的基体（工件）上形成镀膜的技 术称为离子镀。
气相沉积技术一般可分为两大类：物理气 相沉积(Physical Vapour Deposition-PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition--CVD)。
能力知识点1 物理气相沉积
在真空条件下，利用各种物理方法，将镀 料气化成原子、分子或使其离子化为离子， 直接沉积到基体表面上的方法称为物理气 相沉积（PVD）。 物理气相沉积法主要包括真空蒸镀、溅射 镀膜、离子镀膜等。
真空溅射 金属、合金、化 合物、陶瓷、高 分子物质 真空等离子体法 离子束法 几个 100 慢(0.1m/min) 好 高密度、针孔少 150 500 Ar 1.310-1 6.5 取决于靶材料的 纯度 受真空室大小的 限制 只镀基片的直射 表面
离子镀膜 金属、合金、陶 瓷、化合物 真空等离子体法 离子束法 几十 5000 高(1m/min) (达 50m/min) 很 好 高密度、针孔少 150 800 1.310-1 6.5 取决于镀覆物质 的纯度 受真空室大小的 限制 能镀基片所有表 面，镀层厚度均 匀
物理气相沉积（PVD）技术经历了由最初的真空蒸镀到1963 年离子镀技术的开发和应用。20世纪70年代末磁控溅射技术有 了新的突破。 近年来，各种复合技术，如离子注入与各种PVD方法的复合， 已经在新材料涂层、功能涂层、超硬涂层的开发制备中成为必 不可少的工艺方法。 PVD法已广泛用于机械、航空、电子、轻工和光学等工业部门 中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、装饰、润滑、 压电和超导等各种镀层。 随着物理气相沉积设备的不断完善、大型化和连续化，它的应 用范围和可镀工件尺寸不断扩大，已成为国内外近20年来争相 发展和采用的先进技术之一。
离子镀膜可以在金属表面或非金属表面上镀制金属膜或 非金属膜，甚至可以镀塑料、石英、陶瓷、橡胶。可以 镀单质膜，也可以镀化合物膜。各种金属、合金以及某 些合成材料，热敏材料，高熔点材料，均可镀覆。 采用不同的镀料，不同的放电气体及不同的工艺参数， 就能获得与基体表面附着力强的耐磨镀层，表面致密的 耐蚀镀层，润滑镀层，各种颜色的装饰镀层以及电子学、 光学、能源科学等所需的特殊功能镀层。
1．蒸发镀的原理
和液体一样，固体在一定温度下也可以或多 或少的气化（升华），形成该物质的蒸气。 在高真空中，将镀膜材料加热到高温，相应 温度下的饱和蒸气就在真空槽中散发，蒸发 原子在各个方向的通量并不相等。基体设在 蒸气源的上方阻挡蒸气流，且使基体保持相 对较低的温度，蒸气则在其上形成凝固膜。 为了弥补凝固的蒸气，蒸发源要以一定的比 例供给蒸气。
膜层与基体结合力高。 容易得到高熔点物质的膜。 可以在较大面积上得到均匀的薄膜。 容易控制膜的组成，膜层致密，无气孔。 几乎可制造一切物质的薄膜。
3．溅射镀膜工艺与应用
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。
气相沉积技术
气相沉积技术也是在基体上形成功能膜的 技术，它是利用气相之间的反应，在各种 材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从 而使材料或制品获得所需的各种优异性能， 如常用的TiC、TiN、Ti(C,N)、(Ti,Al)N、 Cr2C3、Al2O3、C-BN 等超硬耐磨涂层。
气相沉积技术在1970年前也称作干镀， 1980年前后被广泛用于电子和装饰方面的 无公害加工以及刀具的硬面涂层。 近30多年来，随着电子器件、金属切削刀 具以及各类尖端科学技术的发展，使得气 相沉积技术得到了迅速发展和广泛应用。
镀前将真空室抽空至 6.510-3Pa 以上真空，然后通入Ar作为工作气体， 使真空度保持在 1.3 1.3 10-1Pa 。 当接通高压电源后，在蒸发源 与工件之间产生气体放电。由于工 件接在放电的阴极，便有离子轰击工 件表面，对工件作溅射清洗。 经过一段时间后，加热蒸发源 使镀料气化蒸发，蒸发后的镀料原 子进入放电形成的等离子区中，其 中一部分被电离，在电场加速下轰 击工件表面并沉积成膜；一部分镀 料原子则处于激发态，而未被电离， 因而在真空室内呈现特定颜色的辉光。