物理气相沉积技术
气相沉积技术
温度对化学反应的速率和程度有重要影响 ，同时也影响固态薄膜的结晶度和结构。
反应气体流量
基材温度
反应气体流量对化学反应的速率和产物有 直接影响，适当调整气体流量可以提高薄 膜的质量和性能。
基材温度对固态薄膜的附着力和结晶度有 重要影响，适当提高基材温度可以提高薄 膜的附着力和致密性。
03
气相沉积技术分类
化学气相沉积（CVD）是一种利用化学反应将气态物质转化为固体薄膜的工艺。
CVD技术通过将反应气体在一定温度和压力下进行化学反应，生成固态薄膜沉积在 基材表面。
CVD技术适用于制备各种高性能材料，如金刚石、类金刚石碳、碳化硅和氮化硅等。
物理化学气相沉积
物理化学气相沉积（PCVD）结合了物理气相沉积和 化学气相沉积的原理，通过物理和化学两种方式共同
未来应用前景与挑战
应用前景
气相沉积技术在许多领域都有广泛的应用前景，如半导体、新能源、生物医疗、环保等。随着技术的不断进步和 应用领域的拓展，气相沉积技术有望在未来发挥更加重要的作用。
挑战
尽管气相沉积技术具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战，如设备成本、技术成熟度、生产效率和环保问题 等。因此，在未来的发展中，需要加强技术研发和产业合作，推动气相沉积技术的广泛应用和可持续发展。
复合材料
通过气相沉积技术将两种或多种材料复合在一起， 形成具有优异性能的复合材料。
光学薄膜制备
高反射膜
利用气相沉积技术制备高反射膜，用于反射激光、增强光学器件的 反射率。
增透膜
通过气相沉积技术制备增透膜，减少光学器件表面的反射，提高光 的透过率。
滤光片
气相沉积技术可制备各种光学滤光片，用于光谱分析、激光控制等领 域。
气相沉积技术
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(PVD)技术
物理气相沉积(PVD)技术第一节 概述物理气相沉积(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。
物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
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。
物理气相沉积(PVD)
控制镀料成分：A1B25, 保证：P A :P B 1: 0 2 0 5 4 :1 A4B1膜料成分 若：一次性加料，A消耗快； ∴ 连续加料，保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为A4B1；
dP Lv dT TV
（1）
∵ ∴
积分：
VV汽V固 、液V汽P 1R， T
dP dT
PLV RT 2
lnp ALV 1 RT
（2）
图8.2.2 几种材料的蒸气压——温度曲线
（3）蒸发速率和凝结速率
① 蒸发速率Ne：
——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位 面积上射出的平均原子数。
N e1 4n 2 P m k3 .5 T1 13 20 2M P（T 1/cm2·s） (3)
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
NA CA PA MB NB CB PB MA
(14)
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝；
2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难； 3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
70年代，在阴极溅射基础上发展起来，能有效克服溅射速 率低，电子碰撞使基片温度升高的弱点。
（1）基本原理
在阴极靶面上加一环行磁场，使 BE , 控制二次电子运动轨迹，
电子运动方程： d e (EB)
(16)
dt m
运动轨迹为一轮摆线，电子在靶面上沿着垂直于E、B的方向前进，电 子被束缚在一定的空间内，减少了电子在器壁上的复合损耗；同时，延长 了电子路径，增加了同工作气体的碰撞几率，提高了原子的电离几率，使
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(PVD)技术简介
物理气相沉积（PVD）技术简介作者：黄志云来源：《科学与财富》2019年第20期摘要：物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
本文主要从真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜、行业发展现状三个方面介绍物理气相沉积技术。
关键词：PVD，真空，溅射镀膜，蒸发镀膜物理气相沉积（Physical Vapor Deposition 简称PVD）技术是制备薄膜材料的主要技术之一，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。
当下主流的两种 PVD 镀膜方式是溅射镀膜和真空蒸发镀膜。
用于制备薄膜材料的物质被称为PVD镀膜材料。
本文将从真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜、行业发展现况三个方面介绍PVD镀膜技术。
一、真空溅射镀膜真空溅射镀膜是指在真空条件下，利用获得功能的粒子轰击靶材料表面，使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸的过程称为溅射。
被溅射的靶材沉积到基材表面，就称作溅射镀膜。
真空溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制，可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点，已成为制备薄膜材料的主要技术之一。
溅射镀膜中的入射离子，一般采用辉光放电获得，在l0-2～10Pa范围，所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中，易和真空室中的气体分子发生碰撞，使运动方向随机，沉积的膜易于均匀。
近年发展起来的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已适当于进行大型建筑装饰镀膜，及工业材料的功能性镀膜，各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用，按使用的原材料材质不同，溅射靶材可分为金属/非金属单质靶材、合金靶材、化合物靶材等。
溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制，可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点，已成为制备薄膜材料的主要技术之一[1]，各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用，因此，对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求逐年增加，溅射靶材亦已成为目前市场应用量最大的PVD 镀膜材料。
物理气相沉积技术
物理气相沉积技术1简介物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）是一种表面处理技术，它基于原子、分子或离子在真空条件下从固体源“蒸发”或“剥离”，并在另外一个表面生成薄膜或涂层的过程。
PVD技术广泛应用于半导体、电子、机械、医疗等领域，可以改善材料表面的性能、延长使用寿命，也可以改变物体的颜色和外观。
2工艺流程PVD技术是在真空下完成的，因此主要工具是真空室，其次是沉积源，对于不同的应用场景，沉积源也会有所不同。
例如，如果是进行金属沉积，则沉积源可以是纯净金属，或者是通过将金属块或箔片加热，使其蒸发或溅射而得到的。
如果需要沉积金属氧化物，则需要放置源材料和氧气在沉积室中进行反应。
在PVD过程中，首先需要将材料放入真空室中，制备必要的工艺条件，使得沉积源的物质能够蒸发、溅射并扩散到目标基板上。
其中一个关键参数是真空度，PVD通常在10^-4~10^-8torr的高真空条件下进行。
另一个参数是沉积源与基板的距离，过近会导致过度热量和膜的不均匀厚度，过远影响膜的成形。
3分类根据真空沉积源材料的不同，PVD可分为四种类型：蒸发、离子镀、磁控溅射和分子束外延。
其中，蒸发和离子镀常常被用于制备功能性和装饰性薄膜涂层，磁控溅射则常被用于制备金属、半导体和陶瓷等薄膜，而分子束外延则适用于高质量、高洁净度的材料制备。
4应用PVD技术的应用涵盖了许多领域。
其中，电子和半导体产业是其中的重要应用领域之一。
在芯片制造过程中，PVD技术用于制备镀膜、金属连线等的处理；在随着显示技术的发展，PVD技术也被广泛应用于液晶显示器、有机EL显示器、柔性显示器等各种显示器领域。
此外，在航空航天、汽车、医疗、光学等领域都有PVD技术的应用。
5结论总的来说，PVD技术是一种成熟、广泛应用的表面处理技术。
它可以对各种材料表面进行处理，使其具有功能性和装饰性，可以改善产品的表面性能。
然而，由于技术的复杂性和设备的昂贵性，PVD技术在应用过程中也存在一定的限制性。
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（PVD）技术物理气相沉积（PVD）技术
真空度介绍1atm=760torr=760mmHg=1.1325*105Pa(N/m2)=1.01325Bar=14.7Psi(lb/m2)粗略真空(rough vacuum):气压从<760torr-1troo中度真空(medium vacuum):气压从1torr-10-3torr高真空(high vaccum):气压从10-3torr-10-7torr超高真空(ultra-high vaccum):气压<10-7torr真空邦浦(一) 定义:凡能将一特定空间内之气体去除,以减低气体分子数目,造成某种程度之真空状态之机件,统称为真空邦浦._(二) 分类:在未介绍各种真空邦浦之结构,原理,功能等特性前,先让我们依照不同性质将真空邦浦加以分类,以得一概括之认识.依抽气型态:______ 排气式:将气体由特定空间内去除并排出至大气.______ 储气式:欲除去之气体不排至大气,而利用物理或化学作用永久或暂时性吸附在系统内.真空邦浦真空帮浦的分类机械帮浦(mechanical pump)回转油垫帮浦(rotary oil-sealed pump)此种帮浦的简单构造如图所示.机械帮浦(mechanical pump)* 工作压力范围:粗略真空中度真空~ 10-2 Torr~ 10-3 Torr (two stage)* 抽气速率:转子之转速约120 ~ 2000 l/min* 用途:低真空抽气作为Diffusion Pump,Roots Pump,Turbomolecular Pump之前置邦浦.冷冻帮浦(cryo pump)冷冻帮浦低温抽气主体构造如图所示.分为两个不同温度的低温面,第一级 (first stage)温度为50~80.K,第二级 (second stage )温度为10~20.K,在设计上,为防止辐射热对第二级的影响,第一级要将第二级完全罩住,且不可透光,同时第一级要有足够的间隙使气体能进入第二级,因此第一级通常设计成百叶窗式的45.挡片;第二级设计成倒悬的杯状,杯内部贴附有活性炭吸附材料.冷冻帮浦(cryo pump)冷冻帮浦(cryo pump)抽气时气体由系统经高真空阀而进入帮浦主体,首先碰到温度为70.K的第一级,这时水气 (H2O)和部份约二氧化碳 (C02)将丧失动能脱离气态而凝结在此低温面上,其余的气体则丧失部份动能而进入第二级,在10.K的低温下除He,H,和Ne外所有气体都将冷凝而附著在此低温面上,这种因冷却而丧失动能脱离气态的现象称之为低温冷凝作用(Cryocondensation ),至於He,Ne,H,等气体再次丧失动能后进入第二级之内部而被低温的活性炭吸附住,这种抽气现象称之为低温吸附作用(Cryosorption) .如前所示,冷冻帮浦只靠冷凝,吸附是不够的.不过在低温时有另一优点可以协助捕获不易冷凝的气体分子,此即为低温捕获.低温邦浦主要靠这三种原理来达到抽气的目的.冷冻帮浦(cryo pump)Cyropump若长期使用或是吸入大量气体,其抽气量将会降低,此时必须要对Cyropump 作再生的动作,那就是将Cyropump内部温度回升到室温,然后通以氮气来回数次,藉此将原本吸附的气体带出,如此Cyropump将可恢复原状,不过若因操作不当有油气进入Cyropump污染了内部的活性炭,则必须全部更换活性炭才有办法恢复原抽气量.冷冻帮浦-再生冷冻帮浦(cryo pump)* 工作压力范围:中度真空高度真空1.压力范围:10-3~10-10.torr2.抽气速率大小:(对空气)500~10000 l / sec3.用途:高真空或超高真空抽气使用4.特点:乾净,无油气污染反应性溅镀反应性溅镀物气相沉积(PVD)处 ,又可分为真空蒸镀( Vacuum Evaporation),溅射(Sputtering), 子蒸镀(Ion Plating) 等三种型态.溅镀法是在辉光放电的环境下, 用动传递的方式,以子轰击置於阴极的靶材,将靶原子溅射出并积於基板上.在溅镀化合物薄膜时, 直接以化合物做为靶材,溅镀出的薄膜成份会与靶材成份相差很大,故一般在溅镀化合物薄膜时,通常将反应气体混合於放电气体中,以控制化合物薄膜的组成与性质,此种溅镀方法称为反应性溅镀法.在反应性溅射中,所通入的反应气体可能被消耗的途径包含在靶材表面被吸附(adsorbed),(包括腔体内部其它表面含基板表面) , 与溅射原子发生化学吸附(chemisorption).反应性溅镀脉冲直溅镀脉冲直溅镀脉冲直反应式磁控溅镀系统所采用的电源系统为脉冲式电源供应系统,有别於传统的直式电源与射频式电源,脉冲式电源供应系统可提供五种同的电压输出模式,如图所示,分别为(1)DC+,(2)DC-,(3)UP+,(4)UP-以及(5)BIPOLAR.可依照同的制程需求而采用同的模式,且可调整脉冲频 ,脉冲宽及工作周期以达到制程的最佳化.脉冲直溅镀脉冲直溅镀脉冲式电源系统除上述功能外,还可藉由被动抑弧方式解决电弧放电的问题.如图所示,Ton+/-分别表示为正放电时间及负放电时间,Toff即表示为中断放电时间,Imax为脉冲式电源的最大输出电 ,Arc level表示当电值超过此范围时进入电弧放电区.被动抑弧的工作方式为当制程中发生常放电现象时 ,系统中的电值会发生遽增的现象,此时脉冲电源供应器将延缓电源输出,以抑制常放电现象持续进 ,即图中的arc avoidance. 常放电现象再发生时,则电压及电又将恢正常供输.脉冲直溅镀物理气相沉积(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年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
物理气相沉积法原理
物理气相沉积法原理物理气相沉积（PVD）是一种常用的加工方法，利用离子体技术在被加工物体表面形成稳定的涂层，用来改善物品的表面属性，改善耐腐蚀性、可视性、光学和电学特性，同时降低磨损。
物理气相沉积法中包括磁控溅射（MDC）、共振脉冲溅射（RPCVD）、激光溅射（LPCVD），等等。
该方法的原理是通过向被加工物体沉积原子，从而在表面形成一层稳定的涂层。
首先，物理气相沉积的过程需要使用离子体技术，即使用电感耦合等离子体（ICP）将原子或者分子电离，并将它们跨越次低能量颗粒（LEP）夹层到被加工物体表面，实现表面沉积。
前述离子体技术可以使用氩弧加热（AHP）或激光加热（LHP）来实现，最常用的是氩弧加热，其次是激光加热。
其次，被加工物体表面通常采用物理吸附原理，使原子或分子沉积到表面形成一层厚度均匀的涂层。
其原理是，在比表面气体的拉曼频率接近的低温条件下，利用热和溅射技术，将具有和物体表面具有同样拉曼频率的离子或原子沉积到物体表面，从而实现稳定涂层和抗腐蚀性改善。
此外，物理气相沉积法也具有很高的精度和均匀性。
其原因是其过程不仅特别简洁，而且能够实现比较均匀的结构；同时，它还能够利用控制后期冷却过程中形成的层状结构来实现更精确的控制，确保涂层的形貌和厚度均匀性。
最后，物理气相沉积法还具有较高的可重复性和可靠性，因为它可以在微米尺度上实现逐层形成涂层，并可以控制涂层厚度和企业熔融，从而实现良好的可重复性和可靠性。
综上所述，物理气相沉积法具有很高的精度，可重复性和可靠性，是一种非常有效的表面加工技术，可以改善物体的表面属性，改善耐腐蚀性、可视性、光学和电学特性，同时降低磨损。
因此，它为我们提供了一种新的表面加工方法，可以提高物体的加工精度和表面品质，使其更具有使用价值。
5.2 气相沉积法
气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜 的技术，它是利用气相中发生的物理、化学反应在 材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所 需的各种优异性能。 例：用TiN、TiC等超硬镀层涂敷刀具、模具等表 面，由于化学稳定性好，摩擦系数小，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、模具等的工作特性，又可以提高寿命，一般 可使刀具寿命提高3-10倍。
岛 薄膜
成膜机理
真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定形膜，经历 成核和成膜两个过程。
• 蒸发的原子（或分子）碰撞到基片时，或是永久附着在 基片上，或是吸附后再蒸发而离开基片，其中有一部分 直接从基片表面反射回去。
• 粘附在基片表面的原子（或分子）由于热运动可沿表面 移动，如碰上其它原子便积聚成团。这种团最易于发生 在基片表面应力高的地方，或在晶体衬底的解理阶梯上， 因为这使吸附原子的自由能最小。这就是成核过程。
Heat decomposition
金属有机化合物与氢化物体系的热分解
Ga(CH3)3 AsH3 630-675℃ GaAs 3CH4 Zn(C2H5)2 H2Se 725750℃ ZnSe 2C2H6
广泛用于制备化合物半导体薄膜。
33
氢还原反应 ---利用氢气将一些元素从其卤化物中还原出来
例如二氧化硅可采用下面几个反应： SiCl4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2Cl2 (g) SiH4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2H2 (g)
SiCl4 (g) 2CO2 (g) 2H2 (g) SiO2 (s) 4HCl(g) 2CO(g)
Chapter5 Preparation of Materials
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 相场法
物理气相沉积相场法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）是一种常
见的薄膜沉积技术，它利用物理过程将固体材料沉积到基底表面上。
PVD工艺通常包括蒸发、溅射和激发等步骤，通过这些步骤可以在
基底表面上形成具有特定性能和结构的薄膜。
PVD技术广泛应用于
半导体、光学薄膜、装饰涂层等领域。
而相场法（Phase Field Method）是一种数值模拟方法，用于
研究材料相变、界面演变等问题。
相场法基于对材料相场的描述，
通过偏微分方程来模拟材料微观结构的演化过程。
相场法可以模拟
多相流体、相变动力学、晶体生长等现象，因此在材料科学和凝聚
态物理领域得到了广泛的应用。
将物理气相沉积和相场法结合起来，可以实现对薄膜生长过程
的更加深入的理解和控制。
相场法可以用来模拟薄膜生长过程中的
晶体结构演变、界面动力学等现象，从而为优化PVD工艺提供理论
指导。
同时，PVD技术可以提供实验数据，验证相场模拟的准确性，从而相互印证，推动材料薄膜制备技术的发展。
总的来说，物理气相沉积和相场法各自在材料制备和数值模拟
领域有着重要的应用，结合起来可以为材料薄膜制备过程提供更深入的理论基础和技术支持。
这种多角度的结合有助于推动材料科学和工程领域的发展，促进新材料的研发和应用。
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• 3.射频溅射可将能量直接耦合给等离子体中的电 子，故其工作电压和对应的靶电压较低(相较于直 流溅射)。
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• 射频溅射的缺点
• ①高能电子轰击衬底，导致衬底发热并损害镀膜 质量。
• ②溅射镀膜密度高(高能量原子)，膜层纯度较高 (避免真空镀膜时的坩埚污染现象)。
• ③可重复性好，膜厚可控，同时可以在大面积基 片上获得均匀薄膜。
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• ④在溅射过程中溅射出的原子将从溅射过程中获 得很大的动能(5~10eV,蒸发过程中原子获得动能为 0.1~0.2eV)。由于能量的增加，可以改善台阶覆盖 性以及薄膜与衬底的粘附性，且由于溅射来自平 面源(蒸发来自点源)则能从各个角度覆盖硅片表面， 台阶覆盖度进一步优化。
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• 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。
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2.溅射镀膜的特点(相比较真空蒸发)
• ①任何物质均可溅射，尤其是高熔点(淀积难熔金 属)、低蒸汽压元素和化合物。只要是固体物质都 可以作为靶材。
能量
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块状材料 (靶材)
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三.物理气相沉积技术的分类
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四.蒸发镀膜
• 概念：将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸发的原 子或原子团在温度较低的基板上凝结，形成薄膜。
• 基本思想：将材料置于某种容器内,升高温度， 熔解并蒸发材料
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Substrate
Substrate Substrate Substrate Substrate
粒子速度达到饱和，电流达大家好到饱和值。
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• 2).汤生放电区：U↑→E↑→V↑,电子与中性分子
之间的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而使得气
体分子电离，产生正离子和电子。
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• 电子与中性分子之间 的碰撞使得气体分子 电离，产生正离子和 电子，新产生的电子 和原有电子被电场加 速，使得更多气体分 子电离，电子和离子 数目雪崩式增加，放 电电流迅速增大。
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激光熔融蒸发
• 高功率激光束作为热源蒸发待蒸镀材料， 激光光束通过真空室窗口打到待蒸发材料 使之蒸发，最后沉积在基片上.
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• 激光熔融蒸发特点：
➢ 激光清洁、加热温度高，避免坩埚和热源 材料的污染；
➢ 可获高功率密度激光束，蒸发速率高，易 控制；
➢ 容易实现同时或顺序多源蒸发；
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• 在靶材附近加入磁场，垂直电场方向分布的磁力 线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子 体中的运动轨迹，增加电子运动的路径，提高电 子与气体分子的碰撞几率。同时，受正交电磁场 束缚的电子，只能在其能量要耗尽时沉积在衬底 上。
• 使得磁控溅射具有低温、高速的特点。
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• 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。
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• 直流溅射的优点：结构简单，操作方便 • 直流溅射的缺点：
• 不能独立控制各个工艺参数，放电电流易随电压 和气压变化。
• 溅射速率低，薄膜质量(致密度、纯度)差。 • 基片温升高、淀积速率低 • 靶材必须是良好导体。
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2).射频溅射
• 射频溅射相当于直流 溅射装置中的直流电 源部分改由射频发生 器、匹配网络和电源 所代替，利用射频辉 光放电产生溅射所需 的正离子。
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• 电阻加热蒸发特点：
➢ 结构简单、成本低廉、操作方便；
➢ 支撑坩埚及材料与蒸发物反应；
➢ 难以获得足够高温蒸发介电材料（Al2O3、 TiO2）；
➢ 蒸发率低；
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电子束蒸发
• 热电子由灯丝发射后，被加速阳极加速， 获得 动能轰击到处于阳极的蒸发材料上， 使蒸发材 料加热气化，而实现蒸发镀膜
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PVD薄膜沉积各种方式的比较 ‹真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀的比
较
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谢谢！
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结束
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• 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
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• 磁控溅射的特点 • ①工作气压低，沉积速率高 • ②维持放电所需的靶电压低
• ③电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤， 避免衬底温升过高，降低了薄膜污染的可能性
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电子束蒸发
• 用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 • 电子束加热原理:是基于电子在电场作用下,
获得动能轰击处于阳极的蒸发材料,使蒸发 材料加热气化.
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• 电子束蒸发源的优点
➢电子束轰击热源的束流密度高，能获得远
比电阻加热源更大的能量密度 。达到104∼
109 W/cm2 的功率密度，熔点3000℃的材料
• ②大功率的射频电源不仅造价高，对于人身防护 也有一定问题，因此，射频溅射不适于工业生产。
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3).磁控溅射
• 磁控溅射技术作为一种高速、低温、低损伤的溅
射技术具有其独特的优越性。
• 高速是指淀积速率快(与二极溅射相比提高了一个 数量级)
• 低温是指衬底的温升低 • 低损伤是指对膜层的损伤小
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溅射沉积薄膜原理
Al膜
阳
避免金属 真空 原子氧化
Ar气
+++
+ Ar+
+
+
AAll靶靶
阴
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• 溅射与热蒸发在本质上不同，热蒸发是由能量转 化引起的，溅射含有动量转换，所以溅射出的原 子有方向性。利用这种现象制备薄膜的方法称为 溅射法。
• 在实际进行溅射时，通常是利用被电场加速的正 离子轰击欲被溅射的靶电极(阴极)，并从阴极靶溅 射出原子，所以又称为阴极溅射。
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五.溅射镀膜
1.溅射的概念
• 具有一定能量的入射离子在对固体表面进行轰击 时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将 发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原 子溅射出来，这种现象称为溅射。
• 溅射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。 用于轰击靶材的荷能粒子可以使电子、离子、中 性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需 动能，故大多采用离子作为轰击粒子，则该离子 又称为入射离子。
物理气相沉积技术 （Physical Vapor Deposition, PVD)
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• 1.物理气相沉积技术的概念 • 2.物理气相沉积的基本过程 • 3.物理气相沉积技术的分类 ★4.蒸发镀膜 ※5.溅射镀膜 ★6.离子镀
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一.物理气相沉积技术的概念
• 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－固体或液体表面气化成 气体原子、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 表面沉积具有特殊功能薄膜的技术。
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• 2).汤生放电区：这时，放电电流迅速增加，但是电压变 化不大。
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• 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辉光放电区。
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• 与只能溅射导体材料的直流溅射相比，射频溅射 是能适用于包括导体、半导体和绝缘体在内的几 乎各种材料。
• 溅射电压1000V，靶电流密度1.0mA/cm2，薄膜沉 积速率低于0.5μm/min。
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实现了对绝缘材料的溅射
• 在采用高频率电源产生放电后，两级间的 电位进行高频变化。当靶材处于负半周时， 正离子对靶面进行轰击引起溅射，与此同 时靶材表面会有正电荷的积累。当靶材处 于正半周时，由于电子对靶的轰击，中和 了积累在靶面上的正电荷，为下个周期的 溅射创造了条件。在一个周期内正离子和 电子可以交替轰击靶面，从而实现对绝缘 材料的溅射。由于在大家一好 个周期内对靶材既 37
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热运动 原子团簇
岛 薄膜 8
根据加热原理（或加热方式）分有： 电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光 熔融蒸发、射频加热蒸发
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电阻加热蒸发
• 热蒸发是在真空状况下，将所要蒸镀的材 料 利用电阻加热达到熔化温度，使原子蒸 发， 到达并附着在基板表面上的一种镀膜 技术
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• 将用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加热 丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料.
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• 磁控溅射的缺点 • ①靶材利用率不高，一般低于40%。 • ②用绝缘材料的靶材会使得衬底温度上升。 • ③不能实现强磁性材料的低温高速溅射。
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六.离子镀
• 概念:在真空条件下，利用气体放电使气体 或蒸发物质离化，在气体离子或被蒸发物 质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反 应物蒸镀在基片上。
蒸发，如WW、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O3 等。
➢被蒸发材料可置于水冷坩锅中 →避免容器
材料蒸发、及其与蒸大家发好 材料反应
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• 电子束蒸发源的缺点
➢电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的 二次电子会使 蒸发原子和残余气体分子电 离 → 影响膜层质量。可选择电子枪加以解 决