物理氣相沉積技術第八章1精選PPT物理氣相沉積技術第八章1精選PPT低維材料定義：二維、一維和零維材料，統稱低維材料。二維材料：是指當材料的任一維度，如Z方向的尺寸小到納米量級，則此材料就成為X，Y方向延展的二維材料。——薄膜材料(納米薄膜）一維材料：當材料在Z方向縮小的同時，Y方向也縮小到納米尺度?！址Q量子線，納米管零維材料：當材料在X，Y，Z方向上的尺寸都縮小到納米量級?！{米粉體材料

PVD是制備低維材料的手段，特別是薄膜材料！2精選PPT低維材料定義：二維、一維和零維材料，統稱低維材料。PVD是制WhatistheDeposition?GasLiquidSolidCondensationVaporizationDepositionFreezingMeltingSublimation3精選PPTWhatistheDeposition?GasLiqu薄膜材料的制備氣相沉積技術溶膠凝膠技術PVDCVD蒸發鍍離子鍍濺射鍍（裝飾，機械制品，電子器件）4精選PPT薄膜材料的制備氣相沉積技術PVDCVD蒸發鍍離子鍍濺射鍍（裝眼鏡片的鍍膜1、減反射膜（增透膜）2、頂膜（防水膜、防霧膜）5精選PPT眼鏡片的鍍膜1、減反射膜（增透膜）5精選PPT鍍膜技術的評價薄膜性能膜厚分布附著力沉積速度6精選PPT鍍膜技術的評價6精選PPT一、真空蒸發鍍概念：真空蒸發鍍是將被鍍工件放在真空室，并用一定方法加熱使鍍膜材料（簡稱膜料）蒸發或升華飛至工件表面凝聚成膜。7精選PPT一、真空蒸發鍍概念：7精選PPT（一）真空蒸發鍍示意圖8精選PPT（一）真空蒸發鍍示意圖8精選PPT

１、蒸發２、汽化粒子的輸運（源－基距＜平均自由程）

３、凝聚、生長過程（二）主要過程9精選PPT（二）主要過程9精選PPT1、蒸發過程蒸發速率：Gm＝4.38*10－3PS(Ar/T）0.5

確定材料的飽和蒸汽壓PS，TGm確定材料的飽和蒸汽壓PS，Gm

T蒸汽粒子的空間分布蒸發源膜料點，平面類型物性加熱條件10精選PPT1、蒸發過程蒸發速率：Gm＝4.38*10－3PS(Ar/蒸發方式（蒸發源類型）1、電阻加熱蒸發方式2、電子束加熱蒸發方式3、高頻加熱蒸發方式4、激光加熱蒸發方式

優點：可用于高熔點膜材，蒸發速率高膜料與電阻絲不直接接觸11精選PPT蒸發方式（蒸發源類型）1、電阻加熱蒸發方式膜料與電阻絲不直接3、凝聚、生長過程表面現象：被吸附粒子的凝聚、生長過程：原子表面擴散，發生碰撞，形成原子簇團；原子超過臨界值，形成穩定核；穩定核合并；晶核長大；生成連續膜或納米粒子。反射吸附再蒸發動態平衡12精選PPT3、凝聚、生長過程表面現象：反射吸附再蒸發動態平衡12精選P（三）真空蒸發鍍工藝1、一般工藝

鍍前準備－抽真空－離子轟擊一烘烤一預熱一蒸發鍍一取件－鍍后處理一檢測一成品。2、合金蒸發鍍工藝(蒸汽壓不同導致組分偏離)（1）多源同時蒸發法（2）瞬源同時蒸鍍法（閃蒸法）清洗、蒸發源表面清洗除吸附氣體提高基體活性13精選PPT（三）真空蒸發鍍工藝1、一般工藝清洗、表面清洗除吸附氣體提高立式蒸發鍍膜機14精選PPT立式蒸發鍍膜機14精選PPT蒸發鍍膜制品15精選PPT蒸發鍍膜制品15精選PPT二、濺射鍍(一）概念用高能粒子轟擊固體表面，通過能量傳遞使固體的原子或分子逸出表面并沉積在基片或工件表面形成薄膜的方法稱為濺射鍍膜。靶材16精選PPT二、濺射鍍(一）概念靶材16精選PPT(二）鍍膜原理1.離子束濺射：指真空狀態下用離子束轟擊靶表面，使濺射出的粒子在基片表面成膜。2.陰極濺射：利用低壓氣體的異常輝光放電產生的陽離子，在電極作用下高速沖向陰極（耙材），以致對靶材表面產生非常強烈的濺射作用，并使濺射出的粒子沉積到基片或工件上成膜，是把基片或工件作為陽極。17精選PPT(二）鍍膜原理1.離子束濺射：指真空狀態下用離子束轟擊靶表離子束濺射工藝昂貴18精選PPT離子束濺射工藝昂貴18精選PPT陰極濺射鍍膜原理示意圖1-高壓屏蔽2-高壓線3-基片

4-鐘罩5-陰極屏蔽6-陰極（靶材）7-陽極8-加熱器9-Ar進口10-加熱電源11-至真空系統12-高壓電源19精選PPT陰極濺射鍍膜原理示意圖1-高壓屏蔽7-陽極19精選PPT陰極濺射主要過程：陽離子電子靶材（陰極）基材（陽極）二次電子正離子氣體輝光放電加熱基材再次轟擊靶材原子，分子20精選PPT陰極濺射主要過程：陽離子電子靶材（陰極）基材（陽極）二次電子（三）膜生成的三大階段：1.靶面原子的濺射2.濺射原子向基片遷移★粒子的平均自由程，決定了靶面與基板的距離！3.成膜粒子向基板入射并沉積成膜21精選PPT（三）膜生成的三大階段：1.靶面原子的濺射21精選PPT靶面原子的濺射1.機理1）高溫蒸發2）彈性碰撞2.靶材表面原子運動現象粒子能量高能粒子低能粒子高能粒子發生現象濺射現象原位振動反沖，聯級碰撞產生效應原子脫離晶格提高表面活性周圍原子碰撞移位22精選PPT靶面原子的濺射1.機理粒子能量高能粒子低能粒子高能粒子發生現（四）影響濺射量的因素：1.Q，氣壓高，離子數目多，雜質多2.η

1）靶材元素種類；2）入射離子能量3.T4.入射角S=ηQ濺射量濺射效率入射離子數目23精選PPT（四）影響濺射量的因素：1.Q，氣壓高，離子數目多，雜質多Ar＋濺射不同靶材的濺射率曲線不同氣體離子轟擊鎢靶的濺射率曲線24精選PPTAr＋濺射不同靶不同氣體離子轟24精選PPT（五）濺射鍍膜的優缺點優點：1）適用性廣2）粒子能量高：對基片有清洗，升溫的作用；薄膜附著力大。3）薄膜成分易控制4）可實現工業化缺點：1）裝置復雜2）受氣氛影響3）需要制備靶材4）沉積速度低5）基片溫度高

真空蒸發鍍膜：0.1～5um/min二級濺射速率：0.01～0.5um/min射頻、磁控濺射25精選PPT（五）濺射鍍膜的優缺點優點：真空蒸發鍍膜：射頻、磁控濺射25（六）常用陰極濺射方法根據電極的結構，電極的相對位置以及濺射鍍膜的過程可以分為二極濺射、三極（四極）濺射、磁控濺射、對向靶濺射、離子束濺射、吸氣濺射等。按濺射方式的不同，又可分為直流濺射、射頻濺射、偏壓濺射和反應濺射等。26精選PPT（六）常用陰極濺射方法根據電極的結構，電極的相對位置以及濺射1、二極濺射鍍膜屬于單純直流濺射法，裝置簡單，是最早采用的陰極濺射方法。問題：1）有直射電子沖擊基材，使基材溫度升高達幾百度，因此塑料和不允許熱變形的精密零件無法采用。——磁控濺射2）速度慢，不適于制造10μm以上的厚膜。

——磁控濺射3）只能沉積金屬膜，而不能沉積介質膜。——射頻，磁控濺射27精選PPT1、二極濺射鍍膜屬于單純直流濺射法，裝置簡單，是最早采用的陰2、射頻濺射鍍膜原理：利用高頻電磁輻射來維持低氣壓（2.5×10

－2Pa）的輝光放電。這樣在一個周期內正離子和電子可以交替地轟擊靶，從而實現濺射介質材料（靶子）的目的。

可解決直流陰極濺射方法能沉積介質膜的問題！28精選PPT2、射頻濺射鍍膜原理：利用高頻電磁輻射來維持低氣壓（2.5×射頻濺射鍍膜的原理圖1-射頻電源；2-匹配電路；3-射頻電級（水冷）4-電磁線圈；5-工件；6-工件架（水冷）；7-靶材；8-射頻電級陰極為小電極陽極為大電極29精選PPT射頻濺射鍍膜的原理圖1-射頻電源；2-匹配電路；3-射頻電原理：電極面積大小暗區電壓降離子能量小電極的離子能量＞大電極的離子能量當離子能量＜濺射閥能，電極上不發生濺射一個周期內正離子和電子可以交替地轟擊靶材陰極靶材小電極陽極基材大電極30精選PPT原理：電極面積大小暗區電壓降離子應用：用來沉積各種合金膜、磁性膜、超聲換能器的鈮酸鋰和鈦酸鋇壓電薄膜和其它功能薄膜。特點：（相對直流濺射）1）射頻濺射幾乎可以用來沉積任何固體材料的薄膜；2）獲得的薄膜致密、純度高；3）與基片附著牢固；4）濺射速率大、工藝重復性好。31精選PPT應用：31精選PPT3、磁控濺射鍍膜（高速低溫濺射）正交電磁場可以將電子的運動束縛在靶面附近，提高了電子的電離效率，使等離子體密度加大。濺射速度快低氣壓下，減少了放電氣體粒子對濺射出來的原子或分子間的碰撞。避免基片溫度升高將電子的運動束縛在靶面附近，使基體免受轟放電離子轟擊電子到達陽極時已變成低能電子有效解決了基片溫度升高和濺射速度低的問題！32精選PPT3、磁控濺射鍍膜（高速低溫濺射）正交電磁場可以將電子的運動束JC500-2/D型磁控濺射鍍膜機33精選PPTJC500-2/D型磁控濺射鍍膜機33精選PPT磁控濺射鍍膜制品34精選PPT磁控濺射鍍膜制品34精選PPT三、離子鍍膜（一）基本原理：在基片和蒸發源間加上數百至數千伏的直流電壓，引起氬氣的電離，形成低壓氣體放電的等離子區。處于負高壓的基片被等離子體包圍，不斷遭到氬離子的高速轟擊而濺射清洗并活化。然后接通交流電，使蒸發源中的膜料加熱蒸發，蒸發出的粒子通過輝光放電的等離子區時部分被電離成為正離子，通過電場與擴散作用，高速打在基片表面。此外，大部分仍處于激發態的中性蒸發粒子，在慣性作用下到達基片表面，堆積成薄膜。35精選PPT三、離子鍍膜（一）基本原理：35精選PPT離子鍍膜原理示意圖36精選PPT離子鍍膜原理示意圖36精選PPT（二）常用離子鍍膜方法1、空心陰極離子鍍(HCD)2、多弧離子鍍3、磁控濺射離子鍍技術4、活性反應離子鍍37精選PPT（二）常用離子鍍膜方法1、空心陰極離子鍍(HCD)37精選1、空心陰極離子鍍(HCD)過程：★HCD槍作為：1）鍍料的汽化源2）蒸發離子的離化源電子束蒸發鍍與離子鍍技術相結合的！空心熱陰極放電（弧光）膜料熔化蒸發等離子電子束膜料離化陽離子在基片表面沉積定向負偏壓等離子體等離子體清洗38精選PPT1、空心陰極離子鍍(HCD)過程：★HCD槍作為：電子束空心陰極離子鍍(HCD)裝置示意圖

1-HCD槍；2-鐘罩；

3-工件；

4-高壓電源

5-水冷鋼坩堝；

6-坩堝

39精選PPT空心陰極離子鍍(HCD)裝置示意圖

1-HCD槍；39精選P2、磁控濺射離子鍍技術磁控濺射技術與離子鍍技術相結合的！過程：氣體輝光放電磁控濺射陽離子靶材原子離化陽離子基片沉積成膜定向負偏壓等離子體等離子體清洗陰極陽極陰極40精選PPT2、磁控濺射離子鍍技術磁控濺射技術與離子鍍技術相結合的！過程磁控濺射離子鍍原理示意圖1-真空容器；2-永久磁鐵；3-磁控陽極4-磁控靶；5-磁控電源；6-真空系統7-氬氣充氣系統；8-基板（工件）；9-控制系統41精選PPT磁控濺射離子鍍原理示意圖1-真空容器；41精選PPT（三）離子鍍的優點：（與蒸發、濺射比較）電場作用下高能離子對基板轟擊作用！1.膜層附著力好2.膜層的密度高3.繞射性能好（使工件各表面處于電場之中）4.可鍍材質范圍廣5.有利于化合物膜層的形成6.沉積速度高，成膜速度快42精選PPT（三）離子鍍的優點：（與蒸發、濺射比較）電場作用下高能離子對三種PVD鍍膜機理比較方法蒸發鍍濺射鍍離子鍍原料膜料（粉料）靶