化学气相沉积

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
更新时间:2019-10-23 18:39 浏览:63 关闭窗口 打印此页

  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。

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