论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点

论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点

物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面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。发展到目前，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，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。

溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，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表面。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。电弧等离子体镀膜基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)之间进行弧光放电，阴极表面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。

离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。

物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：

(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。

(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。

(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。

物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。

随着高科技及新兴工业发展，物理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点，如多弧离子镀与磁控溅射兼容技术，大型矩形长弧靶和溅射靶，非平衡磁控溅射靶，孪生靶技术，带状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术，条状纤维织物卷绕镀层技术等，使用的镀层成套设备，向计算机全自动，大型化工业规模方向发展。

化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯材料中有意地掺人某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。

化学气相沉积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前，化学气相

淀积已成为无机合成化学的一个新领域。它的特点是：

1)在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。

2)可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。

3)采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。

4)涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。

5)可以控制涂层的密度和涂层纯度。

6)绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。

7)沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

8)可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

化学气相沉积所用的反应体系必须满足以下三个条件：

(1)在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸汽压。假如反应物在室温下全部为气态，沉积

装置就比较简单；假如反应物在室温下挥发性很小，就需要对其加热，使其挥发，而且一般还要用运载气体把它带入反应室，这样反应源到反应室的管道也需要加热，以防止反应气体在管道中冷凝下来。

(2)反应的生成物，除了所需要的沉积物为固态薄膜外，其余都必须是气态。

(3)沉积薄膜的蒸汽压应足够低，以保证在整个沉积反应过程中，沉积的薄膜能维持在具有

一定温度的基体上。

基体材料在沉积温度下的蒸汽压也必须足够低。

化学气相沉积的优点：

(1)沉积成膜装置简单；

(2)与直接蒸发法相比，可在大大低于其熔点或分解温度的沉积温度下制造耐熔金属和各种

碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物薄膜；

(3)成膜所需的反应源材料一般比较容易获得，而且制备通一种薄膜可以选用不同的化学反

应；有意识的改变和调节反应物的成分，又能方便的控制薄膜的成分和特性，因此灵活性较大；

(4)特别适用于在形状复杂的零件表面和内孔镀膜。

化学气相沉积的缺点：

(1)沉积速率不太高，一般在几～几百nm/min，不如蒸发和离子镀，甚至低于溅射镀膜；

(2)在不少场合下，参加沉积的反应源和反应后的余气易燃、易爆或有毒，因此需要采取防

止环境污染的措施；对设备来说，往往还有耐腐蚀的要求；

(3)基体需要局部或某一个表面沉积薄膜时很困难，不如PVD技术来得方便；

(4)即使采取了一些新的技术，CVD成膜时的工件温度仍然PVD高于技术，因此应用上受到

一定的限制。