物理气相沉积
物理气相沉积技术
• 在电场E作用下，电子与氩 原子碰撞，电离产生Ar+和 新的电子。
• 新电子飞向衬底，Ar+电场 作用加速飞向阴极靶，以 高能量轰击，发生溅射。
• 靶原子沉积成膜，产生的 二次电子沿EXB所指方向 漂移。碰撞次数增加，二 次电子能量下降，逐渐远 离靶表面，最终沉积在衬 底上。传递能量很小，致 使衬底温升较低。
• ⑤溅射工艺适用于淀积合金，而且具有保持复杂 合金元组分的能力。比如常用的溅射AlSiCu合金中 靶材含有0.5%的Cu，那么淀积的薄膜也含有0.5% 的Cu。
3.溅射镀膜的缺点
• 溅射设备复杂，需要高压装置 • 溅射淀积的成膜速度低，真空蒸发镀膜淀积速率
为0.1~5μm/min，溅射速率为0.01~0.5 μm/min。 • 基片温升较高，易受杂质气体影响。
• 2).汤生放电区：这时，放电电流迅速增加，但是电压变 化不大。
• 3).辉光放电：在汤生放电之后，气体发生电击穿现象，I↑，U↓ • 继续增大电流，放电就会进入正常辉光放电区，显然电流的增大与电压
无关。 • 正常辉光放电时的电流密度比较小，所以溅射不选在这个区，而选在反
常辉光放电区。
• 4).反常辉光放电：I ↑,U ↑,发光仍为辉光(异于正常)，增大至f点，不 稳定，I ↑,U ↓，放电系统马上会过渡到电弧放电区。
三、溅射方法
• 具体溅射方法较多。 • 直流溅射，射频溅射，磁控溅射，反应溅射，离
子束溅射，偏压溅射等。
1).直流溅射
• 靶材置于阴极，阳极 为衬底。
• 常用氩气作为工作气 体。
• 溅射电压1~5kV，靶电 流密度0.5mA/cm2，薄 膜淀积速率低于0.1 μm/min
物理气相沉积
图1 真空蒸镀装置示意图 1.衬底加热器；2.衬底；3. 原料；4.料舟；5.真空罩
蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应； 一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图2.所示。 特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。
4. 二级溅射
影响溅射工艺的主要因素： a.放电气体压强P； b.放电电压VDC； c.放电电流IDC； d.可调参量： IDC ； P； 特点：方法及设备简单；放电不稳， 常因局部放电引起IDC变化；沉 积速率低。 最早采用的一种溅射方法，现在已经渐趋于淘汰。 图4 二极溅射装置示意图
5. 磁控溅射
离，使辉光放电持续不断的进行下去。
3. 溅射机理的两种假说
（1）Hippel理论（1926提出）
离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理（Stark,1909，Langmuir, Henschk） (I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II) 轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅射； (Ⅲ) 溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量有关，也与轰击离子的质量有关； (Ⅳ) 离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ) 溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这种现象可用“聚焦碰撞”解释。
极），使其熔化便实现蒸镀。蒸镀时，基片加上负偏压即可从等离
子体中吸引氩离子向其自身轰击，从而实现离子镀。
物理气相沉积法名词解释
物理气相沉积法名词解释
物理气相沉积法(Physical相沉积法)是一种化学沉积技术,通过物理过程
将化学物质沉积到基材表面,从而制备出具有特殊结构或功能的膜、涂层或颗粒。
物理气相沉积法通常涉及三个基本步骤:气相沉积反应、沉积时间和冷却。
其中,气相沉积反应是指将化学物质溶解在气相中,并通过气相流在基材表面形成沉积物的过程。
沉积时间是指沉积物从气相中形成到脱落的时间。
冷却则是指使用气流或喷淋等方式将沉积物表面降温,从而使其更加稳定。
物理气相沉积法的应用非常广泛,包括制备膜材料、涂层材料、纳米材料、生物材料、催化剂等。
其中,膜材料是物理气相沉积法最为著名的应用之一。
膜材料可以用于水处理、废气处理、药物分离等领域,具有高效过滤、分离、浓缩等功能。
此外,物理气相沉积法还可以用于制备纳米材料、生物材料等,具有治疗疾病、提高材料性能等潜在应用价值。
除了应用价值外,物理气相沉积法还存在一些挑战和限制。
例如,沉积物质量的影响因素很多,包括气相组成、反应条件、温度、压力等。
因此,在实际应用中需要不断调整反应条件,以达到最优的沉积效果。
此外,由于沉积物表面通常需要经过清洗和表征等步骤,因此需要对沉积物表面进行处理,以获得所需的表征结果。
总之,物理气相沉积法是一种制备高性能材料的有效方法,具有广泛的应用前景和研究价值。
随着技术的不断发展和完善,相信它将在未来发挥更加重要的作用。
物理气相沉积综述
1第二章 物理气相沉积一、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition, PVD ）的第一类1、电阻热蒸发（thermal vaporization ）蒸发材料在真空室中被加热时，其原子或分子就会从表面逸出，这种现象叫热蒸发。
A 、饱和蒸气压P V在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸汽压。
()L G V V V T HdT dP -∆=∆H ：mol 汽化热，T ：绝对温度。
V G 、V L ：分别为汽相和液相mol 体积。
RTH C P V ∆-=ln R ：气体普适常数TBA P V -=ln 下图给出了以lgP V 和lgT 为坐标而绘制的各种元素的饱和蒸汽压曲线。
图2-1 某些元素的平衡蒸气压2饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加。
由上图1曲线知，a. 达到正常薄膜蒸发速率所需的温度，即P V =1Pa 时温度；b. 蒸发速率随温度变化的敏感性；c. 蒸发形式：蒸发温度高于熔点，蒸发状态是熔化的，否则是升华。
下表是几种介质材料的蒸汽压与温度的关系B 、蒸发粒子的速度和能量CT KT E M RTm KT v kTm v E m m 2500~1000 23332122====== 平均速度105cm/s ，eV E 2.0~1.0=C 、蒸发速率和淀积速率()[]mkT P P dtA dN h V e πα2/Re -=⋅= （个/米2·秒）dN ：蒸发粒子数，α e ：蒸发系数，A ：面积P V ：饱和蒸汽压；P h ：液体静压，m ：原子量， K ：玻耳兹曼常数。
设α e =1， P h =0mkT Pv π2/Re =质量蒸发速率：3RT MP kTmP m R VVm ππ22Re ===（千克/米2·秒） 沉积速率：mkT rA P R V d /2cos 2ππρθ⋅=（米/秒）U 型旋螺形篮形舟加盖舟圆筒形Jacques形坩埚+辐射丝“榴弹炮”2、电子束加热法电子的动能：45()skm v kv u s cm u v U e m v E /106 ,10/1093.521472⨯==⨯=⋅==电子束的能量：W=n ⋅e ⋅U=IU 热量：Q=0.24WtA 、直式电子枪图2-2 直枪（皮尔斯枪）结构示意图B 、电磁偏转式电子枪： 环枪（电偏转）e 形枪（磁偏转）图2-3 环枪剖面图图2-4 e枪结构示意图3、激光蒸发激光作为蒸发材料的一种热源。
科学11-班——物理气相沉积(PVD)
1、直流溅射
设备简单，操作方便，适合于溅射金属薄膜 但直流溅射中靶材只接收正离子,如果靶材是绝缘材料,阴 极表面聚集的大量正离子无法被电子中和使其电位不断上 升,阴阳两极电势减小,使溅射不能持续进行.
惰性气体
2、射频溅射
射频溅射原理:交变电场使得靶材正半周接收电子,负半周接收 正离子,相互中和,从而使阴阳两极电位的大小保持稳定,使溅射 能够持续进行.
入射粒子引起靶材表面 原子的级联碰撞示意图
在溅射过程中，通过动量传递，95%的离子能量作为热量而被损耗，仅有5%的能量传递 给二次发射的粒子。 溅射的中性粒子:二次电子:二次离子=100:10:1
辉光放电
离子束溅射
工艺昂贵
溅射过程的物理模型
阴极溅射镀膜原理示意图
1-高压屏蔽 2-高压线 3-基片 4-钟罩 5-阴极屏蔽 6-阴极 （靶材）
离子镀的类型：（从离子来源的角度可分为） 蒸发源离子镀和溅射离子镀两大类。
离子镀技术的特征：在基片上施加负偏压， 用来加速离子，增加调节离子的能量。
二极直流放电离子镀示意图
离子镀的主要优点：⑴等离子体的活性有利于降低化合物的合成温度；⑵离子 轰击提高了薄膜的致密度；⑶改善了膜层的组织结构；⑷提高膜/基结合力。
1. 所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体 2. 生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底 3. 蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜
Substrate
Substrate Substrate Substrate Substrate
热运动 原子团簇
岛 薄膜
PVD所需实验条件及实验配置
实验条件
高真空 (HV) 高纯材料
物理气相沉积
物理气相沉积(PVD)技术第一节概述物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速开展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
，并向着环保型、清洁型趋势开展。
20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的外表处理方面到达越来越为广泛的应用。
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体外表气化成气态原子、分子或局部电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体外表沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
开展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
真空蒸镀根本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体外表上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体外表，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜根本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进展辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件外表。
如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。
磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。
电弧等离子体镀膜根本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进展弧光放电，阴极外表快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华〞镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。
离子镀根本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子局部电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。
PVD(物理气相沉积)简介
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
PVD(物理气相沉积)简介
1. PVD 简介PVD 是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放
电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被
蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
2. PVD 技术的发展PVD 技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具
有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。
最初在高速钢刀
具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高
可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层
应用研究。
与CVD 工艺相比，PVD 工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复
杂刀具的涂层；PVD 工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。
目前PVD 涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
PVD 技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第
一代的TiN 发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN- AlN、CNx、DLC 和ta－C 等多元复合涂层。
3. 星弧涂层的PVD 技术增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。
增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控
制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。
物理气相沉积
的凝固过程;是一种非平衡过程 ② 工艺过程对基体材料的影响很小;因
此可以在各种基体材料上涂覆涂层 ③ 沉积层厚度范围较宽;从nm~mm级
都可实现 ④ 无环境污染；
缺点：设备复杂;一次投资较大
1真空蒸镀
真空蒸镀基本原理是在真空条件下;使金属 金属合金或化合物蒸发;然后沉积 在基体表面上;蒸发的方法常用电阻加热;高频感应加热;电子束 激光束 离子 束高能轰击镀料;使蒸发成气相;然后沉积在基体表面
真空蒸镀的设备相对简单; 工艺操作容易; 可镀材料广; 镀膜纯洁; 广泛用于光 学 电子器件和塑料制品的表面处理 缺点是膜一基结合力弱;镀膜不耐磨; 并 有方向性
2溅射镀
原理是充氩Ar气的真空条件下;使氩气进行辉光放电; Ar
Ar+;Ar+在
电场力的作用下;加速轰击以镀料制作的阴极靶材;靶材会被溅射出来而
气 相 沉 积 具 体 分 类
4 气相沉积的应用：
•气相沉积技术生产制备的高硬度;高耐热;高热导;高耐 腐蚀;抗氧化;绝缘等涂层;特殊性能的电学;光学功能的 涂层;装饰装修涂层;已广泛用于机械 航天 建筑 五金装 饰 电子产品 汽车配件等行业
二 物理气相沉积PVD
物理气相沉积Physical Vapor Deposition;PVD是指把固态液态镀料 通过高温蒸发 溅射 电子束 等离子体 离子束 激光束 电弧等能量形式产生 气相原子 分子 离子气态;等离子态进行输运;在固态表面上沉积凝聚包括与 其他反应气相物质进行化学反应生成反应产物;生成固相薄膜的过程
高耐腐蚀;抗氧化;绝缘等涂层 不仅可以层积金属涂层;合金涂层;还可以层积多种多样的 化合物 非金属半导体 陶瓷和有机物的单层和多层结构的涂层
PVD简介（物理气相沉积）
PVD简介(物理气相沉积)PVD简介PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写，中文意思是“物理气相沉积”，是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。
2. PVD镀膜和PVD镀膜机—PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。
对应于PVD技术的三个分类，相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。
近十多年来，真空离子镀膜技术的发展是最快的，它已经成为当今最先进的表面处理方式之一。
我们通常所说的PVD镀膜，指的就是真空离子镀膜；通常所说的PVD镀膜机，指的也就是真空离子镀膜机。
3. PVD镀膜技术的原理—PVD镀膜（离子镀膜）技术，其具体原理是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
4. PVD镀膜膜层的特点—采用PVD镀膜技术镀出的膜层，具有高硬度、高耐磨性（低摩擦系数）、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点，膜层的寿命更长；同时膜层能够大幅度提高工件的外观装饰性能。
5. PVD镀膜能够镀出的膜层种类—PVD镀膜技术是一种能够真正获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法，它能够制备各种单一金属膜（如铝、钛、锆、铬等),氮化物膜（TiN、ZrN、CrN、TiAlN）和碳化物膜（TiC、TiCN),以及氧化物膜（如TiO等)。
6. PVD镀膜膜层的厚度—PVD镀膜膜层的厚度为微米级，厚度较薄，一般为0.3μm ～5μm，其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.3μm ～1μm ，因此可以在几乎不影响工件原来尺寸的情况下提高工件表面的各种物理性能和化学性能，镀后不须再加工。
7. PVD镀膜能够镀出的膜层的颜色种类—PVD镀膜目前能够做出的膜层的颜色有深金黄色，浅金黄色，咖啡色，古铜色，灰色，黑色，灰黑色，七彩色等。
物理气相沉积技术
物理气相沉积技术
物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，PVD）技术是一种常用的薄膜制备技术，广泛应用于电子材料、光学材料、建筑材料及生物医学等领域。
该技术通过将材料加热至高温并使其蒸发，在真空环境下，蒸发的材料质子或原子沉积在待加工的基底表面上，形成具有特定性能的薄膜。
在物理气相沉积技术中，常用的蒸发材料包括金属、合金、陶瓷、多层膜等。
沉积方式分为多种，如溅射、蒸发、离子束沉积等。
其中，溅射技术被广泛应用于金属和合金薄膜的制备领域，而离子束沉积技术则常用于光学薄膜的制备。
物理气相沉积技术具有多种优点，如可在真空环境下进行操作，制备出高纯度、高质量、高稳定性的薄膜，沉积速度较快等。
同时，该技术也存在一些缺点，如薄膜厚度难以控制、成本较高等。
为了解决这些问题，研究者们不断探索新的材料和工艺，开发出了一系列改进的物理气相沉积技术，例如磁控溅射、电弧离子镀等。
总的来说，物理气相沉积技术在各个领域都有着广泛的应用和重要的地位，其不断的发展和改进也为相关领域的研究提供了更多的可能性。
- 1 -。
PVD(物理气相沉积)
PVD(物理气相沉积)简介1. PVD简介PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
2. PVD技术的发展PVD技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。
最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。
与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。
目前PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta－C等多元复合涂层。
3. 星弧涂层的PVD技术增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。
增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。
过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA)配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。
磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。
物理气相沉积三种方法的比较
二、物理气相沉积三种基本方法的比较物理气相沉积是在真空条件下，利用蒸发或溅射等物理形式，把固体的材料转化为原子、分子或者离子态的气相物质然后使这些携带能量的蒸发粒子沉积到基体或零件的表面，以形成膜层的膜制备方法。
物理气相沉积法主要有真空蒸镀、溅射和离子镀。
真空蒸镀：在真空中加热使金属、合金或化合物蒸发，然后凝结在基体表面上的方法叫真空蒸镀。
溅射：溅射是利用高速正离子轰击某一靶材（阴极），使靶材表面原子以一定能量逸出，后在工件表面沉积的过程。
离子镀：离子镀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，并在这些荷能离子轰击基体（工件）表面并同时沉积在其上形成镀膜。
三种方法的比较如下：1、从沉积粒子能量（中性原子）来看，真空蒸镀为0.1-1eV，溅射为1-10eV，离子镀为0.1-1eV（此外还有高能中性原子）。
2、从沉积速率来看，真空蒸镀为0.1-70μm/min，溅射为0.01-0.05μm/min(磁控溅射接近于真空蒸镀)，离子镀为0.1-50μm/min。
3、从膜层特点看，真空蒸镀低温时密度小但表面光滑、气孔低温时多、附着性不太好、内应力为拉应力绕射性差；溅射密度大、气孔少但混入溅射气体较多、附着性较好、内应力为压应力、绕射性差；离子镀密度大，无气孔但膜层缺陷较多，附着性很好，内应力视工艺条件而定，绕射性较好。
4、从被沉积物质的气化方式看，真空蒸镀为电阻加热、电子束加热、感应加热、激光加热等；溅射的镀料原子不是靠加热方式蒸发，而是靠阴极溅射由靶材获得沉积原子；离子镀可以分为蒸发式或者溅射式，蒸发式为电阻加热、电子束加热、感应加热、激光加热等，溅射式由进入辉光放电空间的原子由气体提供，反应物沉积在基片上。
5、从镀膜的原理及特点看，真空蒸镀工件不带电，真空条件下金属加热蒸发沉积到工件表面，沉积粒子的能量与蒸发时的温度对应。
溅射的工件为阳极，靶为阴极，利用氩原子的溅射作用把靶材原子击出而沉积在工件表面上，沉积原子的能量由被溅射原子的能量分布决定。
物理气相沉积
物理气相沉积技术
柱状靶磁控溅射镀膜机
全自动镀膜设备
第四章 物理气相沉积技术
主要内容
...
一
一
二 三 四 五
... 物理气相沉积的特点 … 真空蒸发镀膜 ... 溅射镀膜
...
二 三
四
...
...
... 离子镀膜
... 物理气相沉积的应用
...
五
第四章 物理气相沉积技术 ★ 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）， 在真空条件下，利用热蒸发或辉光放电、弧光放电等物理 过程，实现材料的迁移，并在零件基体表面上沉积形成涂层的 技术。包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。
第四章 物理气相沉积技术
第四章 物理气相沉积技术 1.真空蒸发镀膜
（2）电子束蒸发源
将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中，直接用电子束加热法，称 为电子束加热法。
优点： （1）热量可直接加在蒸发材料上； （2）盛放蒸发材料的容器可以是冷 的； （3）可以蒸发诸如钽和钨等类高温 金属。 缺点： （1）装置复杂； （2）残余气体分子和蒸发材料蒸气 的一部分会被电子电离； （3）多数化合物由于电子轰击而部 分分解。
第四章 物理气相沉积技术
★ 特点
① 涂层形成是不受物理变化定律控制的凝固过程，
是一种非平衡过程。 ② 工艺过程对基体材料的影响很小，因此可以在 各种基体材料上涂覆涂层。 ③ 沉积层厚度范围较宽，从nm~mm级都可实现
④ 无环境污染；
★ 缺点：设备复杂，一次投资较大。
第四章 物理气相沉积技术
★ 气相沉积的基本过程 三个步骤：提供气相镀料、镀料向所镀制的 工件输送、镀料沉积在基片上构成膜层。
物理气相沉积
其他特点
低压环境；
其他气体分子对于气相分子的 散射作用较小，气相分子的运动路 径近似为一条直线； 气相分子在衬底上的沉积几率 接近100％。
物理气相沉积
物理气相沉积技术中ຫໍສະໝຸດ 为基本的两 种方法是蒸发法和溅射法：
蒸发法优点：
较高的沉积速度；
相对较高的真空度；
较高的薄膜纯度等。
溅射法特点
1. 合金薄膜化学成分容易控制； 2. 沉积层对衬底的附着力较好。 3. 各种现代技术促进了各种高速 溅射方法以及高纯靶材、高纯气体 制备技术的发展；这些都使得溅射 法制备的薄膜质量得到了很大的改 善：
溅射法
带电荷的离子在电场中加速后具有 一定动能，将离子引向被溅射的物质做 成的靶电极，在离子能量合适的情况下， 入射离子在与靶表面原子碰撞，将后者 溅射出来。
被溅射出来的原子有一定的动能， 并沿着一定的方向射向衬底，从而实现 薄膜的沉积。
溅射法
溅射在一定程度的真空系统中进行。
靶材是需要溅射的材料，作为阴极， 阳极接地，沉积时，真空室充入适当压 力的惰性气体，例如，以A r作为放电气 体时，其压力范围一般为0.1~10Pa。
物理气相沉积
物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)是利用某种物理过 程，如物质的热蒸发或在受到粒子 轰击时物质表面原子的溅射等现象， 实现物质原子从源物质到薄膜的可 控转移的过程。
物理气相沉积法特点
(1)需要使用固态的或者熔融态的物质 作为沉积过程的源物质；
(2)源物质经过物理过程而进入气相； (3)需要相对较低的气体压力环境； (4)在气相中及在衬底表面并不发生化 学反应。
新技术不断涌现
蒸发法和溅射法两种物理气相 沉积方法已经大量应用于各个技术 领域，在此基础上还开发出了许多 介于这两种方法之间新的薄膜沉积 技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
的类型、晶格结构、表面状态、升华热等
单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射
率最高
Y 3 r 4mI mA E
4 2 mI mA E
E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数
4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动 量传递的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子
25
激光烧蚀靶面结构示意图
2.2.3 PLD中的激波（shock wave）
(1)烧蚀物的运动在气体中激发声波 (2)声波前沿与烧蚀物之间的气体被压缩
烧蚀物的运动比声波快，声波前沿与烧蚀物之间的距离会不断缩小，其 间的气体则不断受到压缩，被压缩气体的温度可达上万度，密度可比未压 缩气体提高数倍，压强也相应的激增
抑制或减少液滴产生的机械方法与技术：
1）采用高致密度的靶材 2）采取机械屏蔽技术：靶材衬底之间加速率筛
偏轴激光沉积 瞄准阴影掩模板 加偏转电场或磁场
3）其他技术：双光束激光沉积技术
交叉束沉积技术 有一定效果，但牺牲了PLD高能量的优点，降低了薄膜的沉积速率
使用超快脉冲(ps或fs)激光器：低能量、高脉冲，抑制大颗粒
溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小
对大多数金属来说： 溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热
34
一些金属的溅射阈（eV）
35
溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离
子能从阴极上打出的原子数
影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材
根据蒸发源的不同进行分类：
2.1.1 电阻热蒸发（thermal evaporation）
热蒸发： 蒸发材料在真空室中被加热，其原子或分子从表面溢出
1、饱和蒸气压PV 定义：
在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过 程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸气压
3
dPV H dT T (VG VL )
980 1220 1380 1830 2227 1050 1120 1220
熔点 （C）
2034 2672 2710 1710 1850
7
3、蒸发速率和沉积速率
蒸发速率：
Re
dN A dt
e
PV
Ph /
2mkT
（个/m2·s）
dN：蒸发粒子数 e：蒸发系数 A：面积 PV：饱和蒸汽压 Ph：液体静压 m：原子量 k：玻兹曼常数
36
溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关
溅射率与入射离子能量的关系
<150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 >104eV：下降（注入增加）
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0
37
溅射率与靶材原子序数的关系
透射、反射、散射尽量小，损失小
18
优点：可蒸发高熔点材料
热源在室外，无污染，简化真空室
非接触加热，适宜于超高真空下制取纯洁薄膜
较高蒸发速率
缺点：费用高
并非所有材料均能适用
19
2.1.5 反应蒸发（reactive evaporation）
原理： 在一定反应气氛中蒸发金属或低价化合物，使之在淀
积过程中发生化学反应而生成所需的高价化合物薄膜
某些元素的平衡蒸气压
5
2、蒸发粒子的速度和能量
Em
1 2
mvm2
kT
2
vm
3kT m
3RT M
E 3 kT 2
T 1000 ~ 2500 C
E 0 . 1 ~ 0 . 2 eV
m：一个蒸发分子的质量 M：摩尔质量 T：绝对温度 k：玻尔兹曼常数 R：气体普适常数
平均速度105cm/s
6
几种介质材料的蒸气压与温度的关系
如：2Ti（激活蒸汽）+ N2（激活氮气）= 2TiN 2SiO + O2（激活氧气）= 2SiO2
发生反应的地方： 1、蒸发源表面（尽可能避免） 2、蒸发源到基板的空间（概率很少） 3、基板表面（希望发生）
20
反应蒸发装置图
反应蒸发法是真空镀膜方法的一种改进 特点： 产生等离子体，使蒸发材料和反应气体电离活化，提高反应效率
28
2.3 溅射（Sputtering）
2.3.1 溅射的基本原理
荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入 射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射
荷能粒子：离子
（易于在电磁场中加速或偏转）
伴随着离子轰击固体表面的各种现 象（右图）：
1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象
越小，或温度越高，解吸越快 (3)吸附的金属原子或氧分子产生表面迁移，通过氧的离解，化学吸
附发生化学反应，形成氧化物
22
2.2 脉冲激光沉积
(Pulsed Laser Deposition, PLD)
2.2.1 PLD的特点
PLD制膜：将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面， 使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等 离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜
缺点：不能预除气
功率不能微调 装置复杂、昂贵
17
2.1.4 激光束蒸发（Laser beam evaporation）
热源：激光
激光器：红宝石激光器 钕玻璃激光器 钇铝石榴石激光：巨脉冲 CO2激光器：连续可调，大功率
激光束功率密度：聚焦后106w/cm2以上
物质吸收的能量： EA（吸收）=EI(入射)-ET(透射)-ER(反射)-ES(散射)
1.3
1.8
CdS<1010>
0.5
1.2
GaAs<110>
0.4
0.9
PbTe<110>
0.6
1.4
SiC<0001>
0.45
SiO2 Al2O3
0.13
0.4
0.04
0.11
溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射 率值来确定，存在较大的差异性。
40
2.3.3 溅射粒子的速度和能量
（3）声波前沿处形成一个气体状态的间断面
声波前沿处气体的温度、密度则突然下降到未压缩气体的水平
这个间断面就是所谓的激波
在PLD中，在距靶1~2cm的位置形成强激波 激波薄层中的温度可达上万度
26
2.2.4 烧蚀物的传输
• 激波的形成阶段 • 激波的传输阶段 • 声波阶段
激波传输过程中的化学反应：
激波传输时的示意图
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
29
直流辉光放电过程的形成 VB： 击穿电压
30
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高 放电区的电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下 关系：
到达下列蒸汽压的温度
材料
10-5 (Torr)
10-4
10-3
10-2
10-1
1
760
Al2O3 MgO ZrO SiO2 ZnS
1050 1040 870
1150 1280 1440 1640 1860 3000 1130 1260 1410 1600 1800 2900 925 1430 1620 1820 2050 3600
激波薄层中O2分子将被激发、离解乃至电离而以氧原子、氧 离子等化学活泼状态存在
烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发 生气相化学反应
显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内
27
2.2.5 颗粒物的抑制方法
颗粒物是限制PLD技术获得广泛应用的主要因素之一
解决途径：争取从源头上减少液滴的产生或在传输过程中减少液 滴到衬底的沉积
溅射Cu原子 速度分布图
He+：平均速度=4105 cm/s
平均能量 E=1/2m2=4.5 eV
Ar+：平均速度=3~6105 cm/s
平均能量 E=30~40 eV
轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
第二章 物理气相沉积
1
物理气相沉积分类
PVD
第一类
第二类
蒸发 (Evaporation)
脉冲激光沉积 (Pulsed laser deposition)
溅射 (Sputtering)
离子镀 (Ion plating)
2
dPv H dT T (VG VL )
2.1 蒸发技术（Evaporation）
优点：1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高
缺点：1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致
23
PLD系统示意图
24
2.2.2 PLD的原理
整个PLD过程可分为三个阶段： （1）激光与靶的作用阶段 （2）烧蚀物（在气氛气体中）的传输阶段 （3）到达衬底上的烧蚀物在衬底上的成膜阶段
∆H：摩尔气化热 T：绝对温度
VG：气相摩尔体积 VL：液相摩尔体积
V
VG
VL
VG
RT PV
ln PV A H A B