第十章气相沉积
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主要内容
第十章 气相沉积技术
一、概述 二、物理气相沉积（PVD） 三、化学气相沉积（CVD）
一、概述
第十章 气相沉积技术
定义 真空，物理、化学，气态分子、原子，沉积， 覆盖层
目的 超硬、耐蚀、耐高温、耐氧化、功能性、装饰性 如：高速钢刀具表面沉积TiN，使用寿命↑ 2～10倍。
分类
主要分两大类：PVD，CVD
阳光控制膜一般三层：第一层是化合物膜层（SnO2、TiN）， 由于膜厚不同，显示不同颜色；第二层：金属薄膜层（Cr、Cu、 Ti、Ag、不锈钢）调整透光率和反射率；第三层：保护层 （TiO2），防止膜层在环境条件下的变质和划伤。
Ø液晶显示器：ITO（氧化铟锡）透明导电膜玻璃是液晶显示器
的基础材料。
返回
分类
物理气相沉积（PVD）
Ø真空蒸镀：包括电阻加热，电子束加热，激光加 热，高频感应加热
Ø离子镀：包括辉光放电离子镀，弧光放电离子镀， 感应加热离子镀，活化蒸发离子镀
Ø溅射镀：包括二极溅射，三极溅射，四极溅射， 磁控溅射，射频溅射，离子束溅射
物理气相沉积（PVD）
特点
Ø镀膜材料广泛，易氧化、高熔点材料镀， 化合物层
Ø成膜过程 低气压，大电流——蒸发——传输——形核——长
大——成膜
真空蒸镀
物理气相沉积（PVD）
应用
Ø 装饰性：在塑料上蒸镀铝后染色——塑料金属化 纺织物中的闪亮的彩色丝也使镀铝后变色的塑料
丝；包装塑料薄膜上蒸镀铝，装饰和防潮作用，食品、 香烟、服装、礼品的包。
Ø 光学膜：手表玻璃和手机视窗玻璃，镀铬为银白色， 镀金为金色；汽车后视镜、反光镜，镜面发射。
Ø初始气源（源物质） 惰性气体：N2，Ar；还原气体：H2； 各种反应气：CH4，CO2，H2O，NH3，Cl2 固态金属：化合物转化成气体 Ø加热反应 900～2000℃ ；金属有机化合物分解 ：500～800 ℃ 更低：等离子体辅助PACVD，等离子体增强 PECVD，激光LCVD
Ø排放系统 废气处理，去除有害成分，去除固体颗粒
Ø界面清洁，一般都用Ar溅射 Ø致密，结合力好 Ø可沉积各种类型的薄膜 Ø基材温度低≤500℃，变形小
真空蒸镀
物理气相沉积（PVD）
物理气相沉积（PVD）
真空蒸镀
Ø原理 当P<P 饱和蒸发，饱和蒸汽压是温度的函数。 10-3～10-2Pa，将材料加热，使其蒸发，遇到器壁凝固
Ø蒸发源 电阻加热、电子束、激光束
以对于钢材<700 ℃ 。适用于石墨，Mo，陶瓷等
•沉积速率低
•废气有毒，腐蚀设备，污染环境（如HCl）
n应用
化学气相沉积（CVD）
Ø制取材料
•制备难熔材料的粉末和晶须
复合材料提高强韧性（陶瓷增韧，SiC增强等） Si3N4,TiC,Al2O3,TiN,Cr3C2,SiC,ZrC,ZrN,ZrO2
化学气相沉积（CVD）
n原理
第十章 气相沉积技术
在一定温度下，混合气体与基体的表面相互作用，
使混合气体中的某些成分分解，在基体上形成金 属或化合物的薄膜或镀层。
n一般过程 以形成TiN的工艺过程为例
化学气相沉积（CVD）
第十章 气相沉积技术
n基本组成
初始气源(源物质)、加热反应室、废气处理排放系统
辉光放电，弧光放电，电子束，离子束，激光，等离子体等，
提供能量高、种类多的离子，电子或中性粒子，加速化学反
应过程或物理过程，提高附着力，提高沉积质量。
返回
二、物理气相沉积（PVD）
第十章 气相沉积技术
真空，物理过程，沉积金属、非金属及化合物，薄膜
工艺过程
Ø 镀材（靶料）气化——气相运输——沉积成膜
Ø 基材：镀前处理——真空排气——烘烤——离子轰 击——沉积——冷却——出炉
镀前处理：工艺表面要求清洁，无任何杂质才能提高结合力。
真空：尽量减少氧含量，减少生成氧化物的量。10 -2 ～10-3Pa
烘烤： ↑基体温度，↑反应所需激活能和增加相互扩散能力 预轰击净化 ：用Ar 离子轰击表面，将吸附气体原子、杂质原 子轰掉，露出新鲜表面
Ø 被镀基材：高速钢、模具钢、硬质合金钢等
Ø 膜厚：2.5～5微米
Ø 固体润滑膜：低摩擦系数的MoS2，掺金属的类 金刚石膜
溅射镀
物理气相沉积（PVD）
Ø原理 利用离子轰击溅射原子沉积在被镀表面，磁控溅射
溅射镀
物理气相沉积（PVD）
特点
a、镀膜层粒子的能量比蒸发镀高1～10eV， 比离子镀低，附着力较强，而对基板损伤 小
b、靶材可以是纯金属，化合物，可以沉积
c、多靶系统:制作复合膜
溅射镀
物理气相沉积（PVD）
应用
Ø阳光控制膜
高层建筑外墙广泛采用幕墙玻璃。基本功能是使阳光中可见
光的部分通过，而红外线和远红外线的部分反射。可见光部分 对室内采光是必要的，红外线部分的热能辐射能使室内温度升 高。在有中央空调的高层建筑，采用阳光控制膜玻璃，可以让 空调能耗至少节约1/3以上，色调鲜艳，有美化建筑的作用。
Ø制取特殊性能涂层
•耐磨镀层，难熔物质：硼化物，碳化物，氮化物
•减摩镀层，TiN-金刚石：摩擦系数＝0.03 •高温应用镀层，氧化物镀层
•耐腐蚀镀层
Ta，耐酸碱或含硫物质腐蚀；Si，叶片，高温高压下，抗氧 化，耐腐蚀
扩散层，膜层附着力强。 缺点：对基板损伤大，基板温度高；设备结
构复杂，投资大，操作繁琐。 ➢ 发展：多弧离子镀技术
离子镀
物理气相沉积（PVD）
应用
Ø 特别适合于沉积硬质薄膜，广泛用于刀具、模 具（铸模、注塑模、磁粉成型模），抗磨零件。
Ø 常用膜系：TiN、ZrN、HfN、TiC、Al2O3等， 类金刚石（DLC），TiBi2
主要问题
蒸气原子动能低，基材需加热，由于有方向性，结 合力低
离子镀
物理气相沉积（PVD）
Ø原理
基材与坩埚之间加电压，Ar产生辉光放电，在辉光放 电空间形成等离子体，使蒸气原子电离为正离子，在 阴极表面被加速。
直流二极型离子镀
离子镀
物理气相沉积（PVD）
➢ 特点 优点Fra Baidu bibliotek离子能量高，膜基界面形成较宽的伪
n特点
Ø优点
化学气相沉积（CVD）
•便于制备各种单质、化合物、复合材料，梯度沉积层
•适合涂镀各种复杂形状的部件，盲孔、沟、槽的工件
•温度高，涂镀层与基体结合力强
Ø缺点
•温度高，需后续热处理，工件变形大
对于钢材不合适，在>800 ℃时，可能发生相变，膨胀系数的差 别产生应力；基体与HCl 气体反应，一般采用先沉积Ni保护，所
第十章 气相沉积技术
一、概述 二、物理气相沉积（PVD） 三、化学气相沉积（CVD）
一、概述
第十章 气相沉积技术
定义 真空，物理、化学，气态分子、原子，沉积， 覆盖层
目的 超硬、耐蚀、耐高温、耐氧化、功能性、装饰性 如：高速钢刀具表面沉积TiN，使用寿命↑ 2～10倍。
分类
主要分两大类：PVD，CVD
阳光控制膜一般三层：第一层是化合物膜层（SnO2、TiN）， 由于膜厚不同，显示不同颜色；第二层：金属薄膜层（Cr、Cu、 Ti、Ag、不锈钢）调整透光率和反射率；第三层：保护层 （TiO2），防止膜层在环境条件下的变质和划伤。
Ø液晶显示器：ITO（氧化铟锡）透明导电膜玻璃是液晶显示器
的基础材料。
返回
分类
物理气相沉积（PVD）
Ø真空蒸镀：包括电阻加热，电子束加热，激光加 热，高频感应加热
Ø离子镀：包括辉光放电离子镀，弧光放电离子镀， 感应加热离子镀，活化蒸发离子镀
Ø溅射镀：包括二极溅射，三极溅射，四极溅射， 磁控溅射，射频溅射，离子束溅射
物理气相沉积（PVD）
特点
Ø镀膜材料广泛，易氧化、高熔点材料镀， 化合物层
Ø成膜过程 低气压，大电流——蒸发——传输——形核——长
大——成膜
真空蒸镀
物理气相沉积（PVD）
应用
Ø 装饰性：在塑料上蒸镀铝后染色——塑料金属化 纺织物中的闪亮的彩色丝也使镀铝后变色的塑料
丝；包装塑料薄膜上蒸镀铝，装饰和防潮作用，食品、 香烟、服装、礼品的包。
Ø 光学膜：手表玻璃和手机视窗玻璃，镀铬为银白色， 镀金为金色；汽车后视镜、反光镜，镜面发射。
Ø初始气源（源物质） 惰性气体：N2，Ar；还原气体：H2； 各种反应气：CH4，CO2，H2O，NH3，Cl2 固态金属：化合物转化成气体 Ø加热反应 900～2000℃ ；金属有机化合物分解 ：500～800 ℃ 更低：等离子体辅助PACVD，等离子体增强 PECVD，激光LCVD
Ø排放系统 废气处理，去除有害成分，去除固体颗粒
Ø界面清洁，一般都用Ar溅射 Ø致密，结合力好 Ø可沉积各种类型的薄膜 Ø基材温度低≤500℃，变形小
真空蒸镀
物理气相沉积（PVD）
物理气相沉积（PVD）
真空蒸镀
Ø原理 当P<P 饱和蒸发，饱和蒸汽压是温度的函数。 10-3～10-2Pa，将材料加热，使其蒸发，遇到器壁凝固
Ø蒸发源 电阻加热、电子束、激光束
以对于钢材<700 ℃ 。适用于石墨，Mo，陶瓷等
•沉积速率低
•废气有毒，腐蚀设备，污染环境（如HCl）
n应用
化学气相沉积（CVD）
Ø制取材料
•制备难熔材料的粉末和晶须
复合材料提高强韧性（陶瓷增韧，SiC增强等） Si3N4,TiC,Al2O3,TiN,Cr3C2,SiC,ZrC,ZrN,ZrO2
化学气相沉积（CVD）
n原理
第十章 气相沉积技术
在一定温度下，混合气体与基体的表面相互作用，
使混合气体中的某些成分分解，在基体上形成金 属或化合物的薄膜或镀层。
n一般过程 以形成TiN的工艺过程为例
化学气相沉积（CVD）
第十章 气相沉积技术
n基本组成
初始气源(源物质)、加热反应室、废气处理排放系统
辉光放电，弧光放电，电子束，离子束，激光，等离子体等，
提供能量高、种类多的离子，电子或中性粒子，加速化学反
应过程或物理过程，提高附着力，提高沉积质量。
返回
二、物理气相沉积（PVD）
第十章 气相沉积技术
真空，物理过程，沉积金属、非金属及化合物，薄膜
工艺过程
Ø 镀材（靶料）气化——气相运输——沉积成膜
Ø 基材：镀前处理——真空排气——烘烤——离子轰 击——沉积——冷却——出炉
镀前处理：工艺表面要求清洁，无任何杂质才能提高结合力。
真空：尽量减少氧含量，减少生成氧化物的量。10 -2 ～10-3Pa
烘烤： ↑基体温度，↑反应所需激活能和增加相互扩散能力 预轰击净化 ：用Ar 离子轰击表面，将吸附气体原子、杂质原 子轰掉，露出新鲜表面
Ø 被镀基材：高速钢、模具钢、硬质合金钢等
Ø 膜厚：2.5～5微米
Ø 固体润滑膜：低摩擦系数的MoS2，掺金属的类 金刚石膜
溅射镀
物理气相沉积（PVD）
Ø原理 利用离子轰击溅射原子沉积在被镀表面，磁控溅射
溅射镀
物理气相沉积（PVD）
特点
a、镀膜层粒子的能量比蒸发镀高1～10eV， 比离子镀低，附着力较强，而对基板损伤 小
b、靶材可以是纯金属，化合物，可以沉积
c、多靶系统:制作复合膜
溅射镀
物理气相沉积（PVD）
应用
Ø阳光控制膜
高层建筑外墙广泛采用幕墙玻璃。基本功能是使阳光中可见
光的部分通过，而红外线和远红外线的部分反射。可见光部分 对室内采光是必要的，红外线部分的热能辐射能使室内温度升 高。在有中央空调的高层建筑，采用阳光控制膜玻璃，可以让 空调能耗至少节约1/3以上，色调鲜艳，有美化建筑的作用。
Ø制取特殊性能涂层
•耐磨镀层，难熔物质：硼化物，碳化物，氮化物
•减摩镀层，TiN-金刚石：摩擦系数＝0.03 •高温应用镀层，氧化物镀层
•耐腐蚀镀层
Ta，耐酸碱或含硫物质腐蚀；Si，叶片，高温高压下，抗氧 化，耐腐蚀
扩散层，膜层附着力强。 缺点：对基板损伤大，基板温度高；设备结
构复杂，投资大，操作繁琐。 ➢ 发展：多弧离子镀技术
离子镀
物理气相沉积（PVD）
应用
Ø 特别适合于沉积硬质薄膜，广泛用于刀具、模 具（铸模、注塑模、磁粉成型模），抗磨零件。
Ø 常用膜系：TiN、ZrN、HfN、TiC、Al2O3等， 类金刚石（DLC），TiBi2
主要问题
蒸气原子动能低，基材需加热，由于有方向性，结 合力低
离子镀
物理气相沉积（PVD）
Ø原理
基材与坩埚之间加电压，Ar产生辉光放电，在辉光放 电空间形成等离子体，使蒸气原子电离为正离子，在 阴极表面被加速。
直流二极型离子镀
离子镀
物理气相沉积（PVD）
➢ 特点 优点Fra Baidu bibliotek离子能量高，膜基界面形成较宽的伪
n特点
Ø优点
化学气相沉积（CVD）
•便于制备各种单质、化合物、复合材料，梯度沉积层
•适合涂镀各种复杂形状的部件，盲孔、沟、槽的工件
•温度高，涂镀层与基体结合力强
Ø缺点
•温度高，需后续热处理，工件变形大
对于钢材不合适，在>800 ℃时，可能发生相变，膨胀系数的差 别产生应力；基体与HCl 气体反应，一般采用先沉积Ni保护，所