先进表面工程技术发展前沿

收稿日期:2004-05-28

作者简介:闻立时(1936-),男,湖北省浠水县人,《真空》杂志编委会副主任,中国工程院院士,中科院金属研究所研究员。1960

年毕业于莫斯科钢铁学院,回国后在中科院金属研究所工作。在表面工程、薄膜技术和纳米科技方面作出了卓越贡献。

先进表面工程技术发展前沿

闻立时1,2,黄荣芳1,2

(1.中国科学院金属研究所,辽宁　沈阳　110016;　2.湖南远科航表面工程有限公司,湖南　长沙　410200)摘　要:先进表面工程技术是当代材料科技、真空科技与高科技的交叉领域和发展前沿,成为现代高新技术领域和先进制造业的重要前沿之一,在高性能防护涂层和功能薄膜方面应用广泛。本文综述了先进表面工程的发展趋势、工艺过程及其新进展与当代科技架构的关系以及先进表面工程技术的产业化。文章最后强调指出,在先进表面工程技术中采用远离平衡态镀膜技术、等离子体技术、激光技术、纳米技术等均取得了良好的应用效果。

关键词:表面工程;技术;应用

中图分类号:T B43 文献标识码:A 文章编号:1002-0322(2004)05-0001-06

Frontiers of advanced surface engineering /technology

WEN Li-shi 1,2,HU ANG Rong -fang 1,2

(1.Institute o f Metal R eseach ,Chinese A cademy of Science ,Sheny ang 110016,China ; 2.H unan YK H SE ,Changsha 410200,China )

Abstract :N o wa day s ,adva nced surface techno lo gy is an int erdiscipline w hich incor po ra tes contempor ar y mater ial and v acuum

techno log ies w it h new /hig h-tech dev elo pment and becom es o ne o f t he leading -edg e t echnolog ies for manufact ur ing.It has been applied ex tensiv ely to t he field o f sur face coating s and functio nal films w ith hig h perfo rmances.It s dev elo pment t rend,techno log ical pr o cesses and their new pro gr ess ar e r eview ed .Rela tion bet ween the fr amew or k of contempor ar y seience and

techno log y and successful industr ial applicatio ns o f far -fr om -equilibr ium plating pr ocess ,plasma techno lo gy ,laser techno lo g y and nano -techno lo gy is emphasized.

Key words :surface technology ;technolog ical process;application

1　先进表面工程技术的若干走向

先进表面工程技术是当代材料科学技术、真空科技与高技术的重要交叉领域和发展前沿。先进表面工程技术在高性能防护涂层方面的应用,仍在继

续发展,成为现代高新技术领域和先进制造业的重要前沿之一;功能涂层和薄膜技术近年来发展迅速。以上趋势一方面使防护涂层走向多功能化,既提高了产品的品位,同时还有利于降低成本,便利应用,增加产品的市场竞争能力。另一方面,又使表面工程技术逐步发展成为新型材料制备工艺,其中既有作为体材料的制备工艺,如电铸成型、气相沉积特种材料(热解石墨、六方氮化硼、碳化硅)、喷射成型等,又

有薄膜和微制造工艺,这后一类技术的特征尺寸还在不断地向更低数值扩展。其结果是,微小特征尺度的先进表面工程技术正在逐步发展成为微/纳技术的重要组成部分。在以上各方面,先进表面工程技术已在世界范围内,为科技和经济的发展作出了重要的的贡献。在我国,先进表面工程技术已成为赶超国际先进水平的重要前沿阵地。

2　先进表面工程的发展趋势

按其工作原理,表面工程技术可分为以下四大类。¹原子沉积

是指通过形成原子分散状态的物质来沉积所需表面层或薄膜的技术,包括了液相沉积和气相沉积

第41卷第5期2004年9月

真　空 VACUUM

Vol .41,No .5

Sep .2004

凝胶等,而后者则有物理气相沉积(PVD )、化学气相沉积(CVD)、分子束外延(M BE )三大类别。其中,PVD 又分为蒸发、溅射和离子镀三类;CVD 则有热CVD (T CVD )、金属有机化合物化学气相沉积(M OCVD )和等离子体增强CVD (PECVD )等。

º颗粒沉积

是指利用宏观颗粒状态的物质,沉积所需薄膜的方法。例如,热喷涂、冷喷涂、静电喷涂。

»整体复盖

是指利用连续介质状态的物质,形成所需薄膜的方法。如包镀、热浸、表面烧结。

¼表面改性

是指通过对基体表面施加力学、物理和化学的作用,直接形成所需特性的表面层。例如,表面研磨、表面抛光、表面粗化、表面喷丸、表面滚花、表面化学刻蚀、载能束表面刻蚀、表面应力控制、表面晶粒细化(纳米化)、化学转化层、离子渗氮(碳、碳氮)、渗铝和硅铝共渗、阳极化、磷化、硫化、氧化(发兰)、表面辐照、离子注入等。

以上列出的是表面工程的全部类型,而本文关注的仅仅是其中作为高技术一部分的先进表面工程的发展动向。作为先进表面工程的事例,我们在分类里加入了不少新型工艺。看来,上述分类方法有利于我们抓住工艺原理和高新技术发展需求的核心点,因而至今仍是适当的。值得注意的是,是否属于先进表面工程,并不是一成不变的。例如,液相沉积、液相化学刻蚀等“湿法技术”直到80年代初仍是集成电路微细加工技术的主流工艺,而到了90年代,随着集成电路特征尺寸接近和进入纳米范围,气相沉积、等离子体刻蚀、载能束刻蚀等“干法技术”逐渐地,又是不可逆转地变成了微细加工技术的主流工艺。同时,作为整个信息技术领域需要的配套,发展了一大批高性能高效率低成本的微/纳米加工技术。其结果是,薄膜技术和刻蚀技术从整体上构成了当代微细加工技术的主体,并提供了向纳米加工进军的扎实可靠途径。因而在当代先进表面工程技术中占有越来越重要的地位。先进表面工程内涵适应高新技术需求的不断演变,正是它旺盛生命力的源泉。近年来,越来越倾向于采用真空气相沉积薄膜技术。其中,分子束外延、激光分子束外延(LM BE )、脉冲激光沉积(PLD)、超高真空化学气相沉积(U VCVD)等,可提供极端条件,有利于了解规律

性,以得出创新性强的结果。但是,极端条件一般不

会是最佳的解决办法。而直流磁控溅射(DCM S )、射频磁控溅射(RFMS )、射频化学气相沉积(RFCVD)、中频磁控溅射(MFMS )、脉冲偏压电弧离子镀(PBAIP )则属于既提供远离平衡态条件[1]又具有节能、环保等优良综合性能,因而有可能逐步发展成更为常用的方法。

产业化的制备技术则要求全面满足工业化长期稳定生产、高产率、节能、节材、环保、生态、物质循环、低成本等多方面的指标,

技术有直流磁控溅射、中频磁控溅射、脉冲偏压电弧离子镀、蒸发镀、热化学气相沉积、等离子体化学气相沉积等。真空气相沉积的优点在于严格控制工艺条件,但也会提高产品成本。因此,目前人们已在开展大气压下的气相沉积研究,并开始走向产业化。

3　工艺过程研究及其新进展

工艺是新材料的技术关键。在工艺研究中,首要的问题是深入研究其原理,检验看其是否与过程设计预想的一致,从而判断原始模型的正确性。真空及气体放电物理和技术的采用,是作好表面工程技术的关键。具体说来,引入等离子体物理原理分析和综合诊断技术(Langmuir 探针、飞行质谱、吸收光谱、发光光谱、四极质谱等),有利于深化对于镀膜过程等离子体微观作用的认识,为工艺过程研究开辟新视野,并进一步发展成为宏观与微观相结合的过程设计。

图1　脉冲等离子体鞘层中归一化势场分布的时间演变Fig .1　Time -dep endent evolution of distrib ution of n ormalized

potential field in p ulsed plasma s heath

当前,严格控制沉积粒子的粒度范围,实现精密沉积,达到薄膜理想的高密度和原子量级的表面光

・

2・真　空 VACUUM 第41卷