现代加工技术 微细加工技术ppt课件.ppt

第七章 微细加工技术,第七章 微细加工技术ji2222,7.1 微机械与微细加工概述7.2 硅微细加工技术7.3 光刻加工技术7.4 LIGA技术和准LIGA技术7.5 微细电火花加工7.6 微细切削加工技术7.7 薄膜气相沉积技术,7.1 微机械与微细加工概述 7.1.1 微机械 微机械或微机电系统（MEMS）是指具有很小外形轮廓尺度的微型机械电子系统。随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机械（1mm-10mm），微型机械（1um-1mm）以及纳米机械（1nm-1um）。从广义来讲，微机械包括微小型机械和纳米机械。,微机械的基本特征：（1）体积小、重量轻、精度高。（2）能耗小、响应快、灵敏度高。（3）性能稳定、可靠、一致性好。（4）多功能化和智能化。（5）适于大批量生产，制造成本低廉。微机械主要产品主要有：（1）微构件：微轴、微孔、微探针、微齿轮、微连杆等；（2）微传感器：压力传感器、位移传感器、温度传感器等；（3）微执行器：微电机、微泵、微开关、微阀等；（4）专用的微机械器件及系统：如人造器官、微型手术机器人、微光学系统、微型飞机等。,微型弹簧,在人的头发丝上微细加工的40um的方孔,微细加工的涡轮转子,扑翼式微飞行器,微型机器人,7.1.2 微细加工技术 微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。微细加工技术包含了各种传统精密加工方法以及新方法，包括：微细切削加工、微细电火花加工、电解加工、等离子体加工、激光加工、电子束加工、光刻加工、电铸加工等。微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要包括：（1）由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术；（2）在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微细制造技术；（3）由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、准LIGA技术等。,微细加工与常规尺寸加工的区别：（1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示；（2）加工机理存在很大的差异：微细加工中加工单位急剧减小，必须考虑晶粒在加工中的作用；（3）加工特征明显不同：一般加工以尺寸、形状、位置精度为特征，微细加工由于加工对象的微小型化，以分离或结合原子、分子为特征；特别是扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现，为实现单个原子作为加工加工单位创造了条件；（4）当构件缩小到一定尺寸范围时将出现尺度效应。如表现在：构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，机械强度增加；微构件的抗拉强度、断裂强度、残余应力等与大构件不同，有些表征材料物理性能的物理量需重新定义。,7.2 硅微细加工技术 硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机械 零部件的加工技术。它总体上可分为体加工和面加工两大类。7.2.1 硅的体微加工 硅的体微加工（bulk micromachining）技术是指利用刻蚀（Etching）等工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材料，以形成所需要的硅微结构。刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。,（1）湿法刻蚀 湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。湿法刻蚀不仅可用于硅材料的刻蚀，也可用于金属、玻璃等很多材料，是应用非常广泛的微细结构图形制备技术。湿法刻蚀的速率取决于基底上被腐蚀材料和溶液中化学反应物的浓度以及溶液的温度，湿法刻蚀因基底材料不同可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。,1）各向同性刻蚀 大多数湿法刻蚀属于不易控制的各向同性刻蚀。被腐蚀的基底材料是均匀且各向同性的，容易出现塌边的现象，即在纵向刻蚀的同时，也出现侧向钻蚀。搅动刻蚀剂能够控制刻蚀速率和刻蚀结构的最终形状。搅拌的作用是加速反应物和产物的转移，保证转移在各个方向上的一致性。通过适当的搅拌，能得到具有球形表面的坑和腔，甚至可得到近乎完美的半球形。,SiO2掩膜,（a）（b）,各向同性刻蚀（a）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）,2）各向异性刻蚀 各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅材料是一种各向异性材料，在3个晶面上表现出不同的性质。对于特定的刻蚀剂，硅的100晶面的腐蚀速度最快，110晶面次之，111晶面的腐蚀速度最慢。硅各向异性刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出许多具有垂直侧壁的微机械零件。,（c）（d）,各向异性刻蚀（c）各向异性刻蚀（搅拌）；（d）各向异性刻蚀（不搅拌）,（2）干法刻蚀 将被加工的硅片放置在等离子体中，在带有腐蚀性、具有一定能量的离子轰击下，反应生成气态物质，去除被刻蚀膜。干法刻蚀不需要大量的有毒化学试剂，不必清洗，分辨率高，各向异性腐蚀能力强，可得到较大的深宽比结构，易于自动操作。1）干法刻蚀种类 等离子刻蚀：腐蚀气体在高频电场作用下，发生电离形成放电，产生等离子体，利用离子与薄膜之间的化学反应生成挥发性物质，由真空抽走，得到刻蚀的目的；反应离子刻蚀 离子束刻蚀与反应离子束刻蚀 增强反应离子刻蚀,2）干法刻蚀工艺的理想特征 离子平行入射，以产生各向异性。反应性的离子，以提高选择性。高密度的离子，以提高刻蚀速率。低的入射能量，以减轻硅片的损伤。在半导体生产中，主要被研究的刻蚀材料为二氧化硅和氮化硅。,（3）体微加工举例,（100）硅片各向异性腐蚀的凹槽,腐蚀凸起的拐角产生悬臂梁,两端固定支撑梁的加工,采用CMOS工艺制作的硅复杂微结构,7.2.2 硅的面微加工j3 硅的面微加工是通过薄膜沉积和蚀刻工艺，在晶片表面上形成较薄微结构的加工技术。表面微加工使用的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等方法。典型的表面微加工方法是牺牲层技术。所谓牺牲层技术就是在微结构层中嵌入一层牺牲材料，在后续工序中有选择地将这一层材料腐蚀掉而不影响结构层本身。这种工艺的目的是使结构薄膜与衬底材料分离，得到各种所需的表面微结构。常用的衬底材料为单晶硅片，结构层材料沉积的多晶硅、氮化硅等，牺牲层材料多为二氧化硅。,基础材料,牺牲层,牺牲层,结构层,微结构,用牺牲层技术制作微结构的基本过程,（a）（b）（c）（d）（e）,牺牲层技术表面微加工的工艺步骤：（a）基础材料，一般为单晶硅片；（b）在基板上沉积一层绝缘层作为牺牲层；（c）在牺牲层上进行光刻，刻蚀出窗口；（d）在刻蚀出的窗口和牺牲层上沉积多晶硅或其他材料作为结构层；（e）从侧面将牺牲层材料腐蚀掉，释放结构层，得到所需的微结构。,表面微加工对所采用的材料的要求：（1）结构层必须能够保证所要求的使用性能：如电学性能、力学性能、表面特性等；（2）牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制作过程中不会引起分层或裂纹等结构破坏；（3）选择牺牲层和结构层材料后，薄膜沉积和腐蚀将起重要作用。沉积工艺需要有很好的保形覆盖性质，以保证完成微结构设计要求，腐蚀所选的化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层材料；（4）表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性，以保证微结构的控制、信号输入与输出等。,7.3 光刻 光刻（photolithography）也称照相平版印刷，是加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构的关键工艺技术。其原理为：在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂，然后利用分辨率很高的能量束通过掩膜对光致抗蚀剂层进行曝光。经显影后，在抗蚀剂层上获得与掩膜图形相同的极微细的几何图形，再利用刻蚀等方法在工件材料上制造出微型结构。具体的过程包括掩膜制作和光刻过程两个部分。,掩膜制作工艺流程：（1）绘制原图：原图一般要比最终要求的图象放大几倍到几百倍，根据设计图纸，在绘图机上用刻图刀在红膜材料上刻成；（2）缩版、殖版制作：将原图用缩版机所成规定的尺寸。如果要大量生产同一形状制品，可用缩图在分步重复照相机上作成殖版；（3）工作原版或工作掩膜制作：缩版、殖版可直接用于光刻加工，但一般做为母版保存。从母版复印形成复制版，这就是光刻加工时的原版，称工作原版或工作掩膜。目前，一般由计算机辅助设计CAD制作版图，而后在计算机控制下经电子束曝光机直接制作主掩膜版。为提高掩膜精度，绘图机图形发生器电子束曝光流程成为制造工艺的主流。,1.掩膜制作,掩膜制作过程,光刻加工主要工序：（1）预处理：基底材料通常为单晶硅或其他硅基材料，采用打磨、抛光、脱脂、酸洗等方法对硅材料表面进行光整和净化处理；（2）涂胶：把光致抗蚀剂涂覆在氧化膜上的过程称为涂胶。常用方法有旋转甩胶、浸渍、喷涂和印刷等；（3）曝光：在涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版，利用紫外光等透过掩膜对光刻胶进行选择性照射，在受到光照的地方，光刻胶发生光化学反应，从而改变了感光部分胶的性质。曝光时准确的定位和严格控制曝光强度与时间是其关键。,（4）显影与烘片：曝光后的光致抗蚀剂其分子结构发生化学变化，在特定溶剂或水中的溶解度不同，利用曝光区和非曝光区这一差异，可在特定溶剂中把曝光图形呈现出来，这就是显影；有的光致抗蚀剂在显影干燥后，要进行200-250的热处理，使它发生热聚合作用，以提高强度，防止胶层脱落，叫做烘片；（5）刻蚀：采用刻蚀工艺将没有光致抗蚀剂部分的氧化膜去除，得到期望的图形；（6）剥膜与检查：用剥膜液去除光致抗蚀剂的过程称为剥膜。剥膜后洗净修整，再进行外观线条尺寸、间隔尺寸、物理性能和电学性能等检查。,氧化膜,基片,光致抗蚀剂,掩膜,电子束,离子束,窗口,7.4 LIGA技术和准LIGA技术 LIGA是一种三维微细制造技术，来源于德文制版术Lithographie，电铸成形Galvanoformung和注塑Abfoumung的缩写。该工艺于20世纪80年代由德国发明，在制造高深宽比金属微结构和塑料微结构方面具有独特的优势。7.4.1 LIGA技术 LIGA技术是一种利用同步辐射X射线制造三维微器件的技术，主要包括深层同步辐射X射线光刻、电铸成形和复制三个工艺过程。,X射线掩膜,1、深层同步辐射X射线光刻 1）掩膜和基板材料：掩膜材料包括衬基材料和吸收体材料。X射线光刻掩膜是由低原子序数的轻元素材料形成的衬基薄膜（如SiC、金刚石薄膜、Si3N4等）和附着在该衬基薄膜上的重原子序数X射线吸收体（如Au、Ta、W等）图形组成；2）光刻胶和胶层制备：用于同步辐射X射线光刻的光刻胶有多种，通常采用的正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲脂。,3）同步辐射X射线曝光：同步辐射X光具有波长短、分辨率高、穿透力强等优点外，还具有能量高、发散角小，高度的准直性，辐射强度大等特点。LIGA技术最适合的光源波长为0.2um-0.8um；4）化学显影处理：在受到X光照射的光刻胶中，聚合物分子长链断裂，性质发生变化，对光照后的光刻胶进行显影处理，溶解掉相应部分，得到一个与掩膜图形结构相同，厚度为几百微米的三维立体光刻胶结构。显影液需满足一定条件：不侵蚀未照射区、不引起光刻胶膨胀。,2、电铸成形 对显影后的样品进行微电铸，就可获得高深宽比微结构的金属零件。LIGA技术利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极进行电沉积，由于部分阴极表面有一层光刻胶图形，因此金属只能沉积到光刻胶所形成的三维立体结构的空隙中，直至光刻胶上面完全覆盖了金属层为止，形成一个与光刻胶相对应的金属结构。这种金属结构可以是最终产品，也可以作为微塑铸的模具，用于大批量生产塑料微结构产品。电铸可用金属种类有限，微电铸材料可以是镍、铜、金、铁镍合金等，最常用的是镍。,3、微复制加工 目前微复制方法主要有两种：注塑成型和模压成型。微注塑的典型工艺：将电铸金属结构作为二级模板，用带有喷射孔的闸板覆盖在模板上方，将低黏度的聚合物通过喷射孔注入到模板的空腔内，充满结构内部的自由空间，待聚合物变硬后，得到塑性结构可从模板中提出。模压成型工艺：在导电基片上涂覆一层塑料，通过模压工艺获得在导电基片上的微塑料微结构，然后对该微结构进行微电铸，去除导电基片后就可获得金属产品。,4、LIGA技术特点（1）由于LIGA技术所使用的同步辐射X射线的穿透力极强，因此可以制作具有很大纵横比的微结构；（2）取材比较广泛：材料可以为镍、铜、金、镍钴合金、塑料等；（3）可以制作复杂图形结构；（4）可以重复复制。,7.4.2 准LIGA技术 LIGA技术采用同步辐射X射线光源，加工时间比较长，工艺过程复杂，价格昂贵。为克服LIGA技术的缺陷，出现了准LIGA技术。用深层刻蚀工艺代替同步辐射X射线深层光刻，然后进行后续的微电铸和注塑过程。它不需要昂贵的同步辐射光源和特殊的LIGA掩膜板。利用感应耦合等离子体刻蚀设备进行高深宽比塑料或硅刻蚀后，从硅片上直接进行微电铸，得到金属模具后再进行微复制工艺，就可实现微机械器件的大批量生产。利用此技术既可制造非硅材料高深宽比的微结构，又有与微电子技术更好的兼容性。,7.5 微细电火花加工 7.5.1 微细电花火加工的特点与实现条件 微细电火花加工原理与普通电火花加工并无本质区别。但也具有一些特点：（1）放电面积很小：微细电火花加工的电极一般在5um-100um之间，放电面积不到20um2，这么小的放电面积极易造成放电位置和时间的集中，增大了放电过程的不稳定，使微细电火花加工变得困难；（2）单个脉冲放电能量很小：为了保证加工精度和表面质量，单个脉冲去除量控制在0.01um-0.1um范围内，要求单个脉冲能量控制在10-6J-10-7J之间；,（3）放电间隙很小：放电间隙的大小随加工条件的变化而变化，数值从数微米到数百微米不等，放电间隙的控制与变化规律直接影响到加工质量、加工稳定性和加工效率；（4）工具电极制备困难：要加工尺寸很小的微小孔和微细型腔，必须先获得比其更小的微细工具电极，同时还要求加工系统的主轴回转精度达到极高的水准，一般控制在1um以内；（5）排屑困难，不易获得稳定火花放电状态。,7.5.2 微细电火花加工关键技术 实现微细电火花加工的关键技术有加工工艺和设备两个方面，包括：微细电极的制作、高精度微进给驱动装置、微小能量脉冲电源技术、加工状态检测与控制系统。1、微细电极的在线制作与检测 1）微细电极的在线制作 微细电极制作的传统方法有两种：一种方法是通过冷 拔得到细金属丝，矫直后安装到电火花机床上；一种是用切削、磨削等方法制作；但存在精度和重复性的问题。微细电极在线制作可以克服该缺陷，在线制作方法主要有反拷块加工和线电极电火花磨削。,反拷块方式在线制作微细电极：以反拷块为工具，以待加工微细电极为工件完成电极的在线制作。由于反拷块工作面与工作台面存在垂直度误差以及反拷块本身的平面度误差等，加工出的微细电极存在加工锥度等误差，且由于反拷块电极本身的损耗现象，加工的电极尺寸不易控制。线电极电火花磨削：加工工程中，由于线电极与待制作电极间为点接触，因此极易实现微能放电。线状工具电极沿导向槽缓慢连续移动，金属丝的移动，使加工过程可不考虑电极损耗所带来的影响。导向器沿工件的径向做微进给，而工件随主轴旋转的同时做轴向进给，通过控制工件的旋转与分度及导向器的位置，可以加工出多种不同形状的电极。,（a）（b）微细电极的在线制作（a）反拷块方式；（b）WEDG方式1-脉冲电源；2-工件；3-反拷块；4-导向器；5-工作液,2）微细电极的在线检测 目前对微细电极的检测一般采用试切方式进行，即通过电极所加工孔的尺寸来间接推算微细电极的直径。2、脉冲电源 微细电火花加工对脉冲电源的要求是单脉冲放电的能量小而且可控。单脉冲放电能量决定了放电凹坑的直径和深度大小，从而也决定了电火花加工的表面质量。放电能量主要决定于峰值电流和放电脉宽。为了满足微细电火花加工要求，放电电流一般不应小于数百毫安，而脉冲宽度减小到1us左右。这样，就要求脉冲电源的频率要求很高。,目前，微小能量脉冲电源主要有两种形式：独立式晶体管脉冲电源和弛张式RC脉冲电源。RC脉冲电源是利用电容器充电储存电能、而后瞬时放出的原理工作的。日前，微细电火花加工用的脉冲电源多为弛张式RC电源。弛张式RC电源放电过程中存在两个问题：（1）没有取消电离环节，发生电弧性脉冲放电现象；（2）脉冲能量不可控，脉冲能量的一致性差；出现了可控RC微细电火花加工脉冲电源，主要由弛张式RC脉冲电源、充电控制开关管V1、消电离控制开关管V2和检测控制电路组成。,实现过程为：当V1导通、V2截止时，直流电源通过限流电阻R、开关管V1向电容C充电，此时放电通道没有电流，处于消电离状态；电容C充电至设定值，V1截止，切断充电回路，V2导通，电容C通过V2击穿工件和电极的间隙，产生放电；电容C放电至设定值，V2截止，V1导通，重复，形成微细电火花的循环加工。,可控RC微细电火花加工电源,直流电源,R,V1,V2,C,检测控制电路,（3）高精度微进给驱动装置 微进给机构是实现微细电火花加工的前提和保证。近年来一些新型微进给机构的出现，很好地解决了微细电火花加上中微小步距进给的难题。蠕动式压电陶瓷微进给机构 冲击式微进给机构 椭圆式微进给机构 线性超声马达微进给机构,蠕动式压电微进给原理,（5）工作液 工作液在加工中起到多种作用：有利于电蚀产物排除；放电后极间消电离，防止破坏性电弧出现；加速间隙中物质的降温。工作液的种类、成分、特性对加工过程和工艺结果有显著影响。在常规电火花加工中，主要采用油基工作液，例如，电火花加工专用液、煤油等。,7.5.3基于LIGA技术的微细电火花加工 利用LIGA技术为微细电火花加工提供电极制备手段，然后再进行微细放电加工，是近年的一个主要研究方向。LIGA技术可以制作出具有高深宽比的金属微结构件，但是材料局限于镍和铜。将LIGA制造出的铜微结构件作为微细电火花加工的电极，发挥电火花加工可以加工任意导电材料的优点，就能制作出材料综合性能更好的微结构或器件。同时，如果电极损耗得到很好的控制，将可以加工出更高深宽比的微结构件。,7.5.4.微细电火花线切割加工 微细电火花线切割加工是指加工过程中采用钨合金或其他材料的微细电极丝（直径为10 50）进行切割，主要用于加工轮廓尺寸在0.1 mm1 mm的工件。由于属于非接触式加工，加工过程中不存在切削力，因此能够保证加工过程的一致性。,微细电火花加工,微细电火花加工,7.6 微细切削加工技术 微细切削加工是指微小尺寸零件的切削加工技术，其能达到极高的加工精度和极微细的尺寸，已经成为微细加工领域的重要手段。7.6.1.微切削加工机理 在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度上不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，晶粒就被作为一个一个的不连续体来进行切削，这时切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大。,1、切屑和表面形成,从晶格位错的产生和消失情况看，切屑像是被刀具平稳地移走了一样，而错位晶格则渗入切削刃底部的工件表面内。在切削刃走过后，所有渗入工件表面内的位错晶格开始向后移动并且最终在工件表面消失。由于工件材料本身具有弹性恢复功能，因此在工件表面形成了原子级的阶梯。残留在工件表面上的阶梯高度被认为是微切削加工过程中最终获得的表面粗糙度。,剪切区位错移动,（2）切削力 微切削时切削力的幅值虽然不大，但其单位切削力却极大。微细切削时，随着切削深度的增加切削力却在减小。（3）切削温度 微细切削的温度是非常低的，这是由低的切削能量和金刚石刀具和工件的高导热性造成。由于加工尺度和刀具尺度的微小化，使得刀具上很小的温升就会导致刀杆的膨胀并引发加工精度的下降，切削温度通常被认为是决定刀具磨损率的主要因素。,7.6.2 微细切削 1、微细切削工艺（1）刀具 微细车削一般采用金刚石刀具。金刚石车刀一般是把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上。,不重磨金刚石刀具形状,（2）切削速度 实际选择的切削速度常根据所用机床的动态特性和工艺系统的动态特性选取，即选择振动最小的转速。因为在该转速时表面粗糙度值最小，加工质量最高。（3）进给量和修光刃 为使加工表面粗糙度降低，微细车削时都采用很小的进给量，并且刀具带修光刃。修光刃可以减小加工表面粗糙度值。实验表明，在微细车削时修光刃的长度一般取（0.050.10）mm较为适宜。,（4）刀刃锋锐度 刀刃锋锐度对加工表面质量有很大影响，刀刃锋锐度可用刀具刃口半径来表征。是微细和超微细切削加工中的一个关键技术参数。值一般采用扫描电镜在放大（20 00030 000）倍时测量。目前常用的金刚石刀具的刀刃锋锐度=0.2um-0.3um。（5）积屑瘤与工作液 积屑瘤的产生对加工表面粗糙度影响极大。要减小表面粗糙度值，应消除或减小积屑瘤，使用合理的工作液可达到此目的。,金刚石刀具及其加工的微细轴,微细钻削的微孔,2、微细切削机床 日本通产省工业技术院机械工程实验室MEL于1996年开发了世界上第一台微型化的机床微型车床。,微型车床,下图所示的一种微细车床系统（日本金沢大学研制），由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。,一种微细车床系统,放在手提箱里的机械厂,7.6.3 微细铣削 1、微细铣削刀具 微细铣刀的制作技术是微细铣削的难点之一。采用离子束加工技术制作微细铣刀是一种可行的方法。在真空条件下，将离子源产生的离子束经加速聚焦，形成高速离子束流，轰击刀具材料进行加工。它是靠离子撞击产生的变形、破坏等方式进行微机械加工。,离子束加工出的2刃、4刃、6刃微细端铣刀,2、微细铣床 FANUC公司和有关大学合作研制的车床型超精密铣床，在世界上首例用切削方法实现了自由曲面微细加工，而且可利用CAD/CAM技术实现三维数控加工，具有生产率高、加工精度高的特点。,车床型微细铣床,微细铣削加工的头像,7.7 薄膜气相沉积技术 7.7.1 物理气相沉积 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）指的是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜的原子可控的转移过程。主要工艺方法有：蒸发法、溅射法、离子镀、反应蒸发沉积等，其中最为基本的两种方法是蒸发法和溅射法。,1、蒸发法 蒸发法是指固态或液态材料被加热到足够高温度时会发生汽化，由此产生的蒸汽在较冷的基体上沉积下来就形成了固态薄膜。蒸发镀膜过程可以分三个阶段：从蒸发源开始的热蒸发 蒸发料原子或分子从蒸发源向基片转移 蒸发料原子或分子淀积在基片上,真空蒸发法,加工原理：在蒸发过程中，将欲沉积在基底上的物质放在坩埚内加热到熔融温度以上，由于热能的作用，一些原子通过蒸发沉积在基底上，在基底上形成薄而均匀的薄膜。,基层,坩埚,加热源,2、溅射法 溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。,直流溅射沉积装置的示意图,把靶材作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。系统抽真空后，充入适当压力的惰性气体，在正负电极作用下，气体原子大量电离成为正离子和电子，其中电子飞向阳极，正离子在高压电场的加速下高速飞向阴极靶材，并与靶材的撞击过程中释放出能量，使大量的靶材原子获得相当高的能量，脱离靶材束缚飞向衬底形成薄膜。,与受热过程相比，溅射法有2个优点：（1）溅射的粒子的动能是受热过程中的10-100倍，在基底上形成的膜的黏结力比蒸发形成的膜的黏结力大得多；（2）另一个优点是靶材不必加热，因此耐火材料如钽、钨或陶瓷等也可用于溅射过程。溅射法的主要缺点是沉积速度较低。,3、离子镀 离子镀（ion plating）使用蒸发方法提供沉积用的物质源，同时在沉积前和沉积中采用高能量的离子束对薄膜进行溅射处理。由于在这一技术中同时采用了蒸发和溅射两种手段，因而在装置的设计上需要将提供溅射功能的等离子体部分与产生物质蒸发的热蒸发部分分隔开来。,离子镀装置的示意图,在沉积开始之前，先在负偏压下对衬底进行离子轰击，其作用是对衬底表面进行清理，清除其表面污染物。在不间断离子轰击情况下开始蒸发沉积过程，但要保证离子轰击产生的溅射速度低于蒸发时的沉积速度。在沉积层初步形成后，溅射可以持续下去，也可以停止离子的轰击和溅射。,离子镀的优点：（1）制备的薄膜与衬底之间具有良好的覆着力，结构致密。这是因为蒸发沉积之前和沉积的同时采用离子轰击衬底和薄膜表面，可以在薄膜和衬底之间形成粗糙洁净的截面，并形成均匀致密的薄膜结构和抑制柱状晶粒的生长；（2）可以提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。这是因为与纯粹的蒸发沉积相比，在离子镀过程中，原子将与离子的碰撞中获得一定的能量，造成原子在沉积到衬底表面时具有更高的动能和迁移能力。,7.7.2 化学气相沉积 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是指在一定温度条件下，在容器中通以气相状态的、用以构成薄膜材料的化学物质，使其与加热了的基体表面进行高温化学反应，使气体中某些成分分解，并在基体表面沉积金属或化合物膜层的过程。技术特征：析出的物质形态可以有单晶、多晶、晶须、薄膜等多种；不仅可以在基片上还可以在粉体表面涂层；能有效地控制薄膜的化学成分，薄膜的纯度高、致密性好；可以依次对大量基片进行镀膜等；,化学气相沉积的局限：反应温度太高，一般在1000左右，使许多基体材料受不住化学气相沉积的高温，一限制了它的应用范围。化学气相沉积法制备薄膜的过程：（1）反应气体向基片表面扩散。（2）反应气体吸附于基片表面。（3）在基片表面上发生化学反应。（4）在基片表面上产生的气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走，从而在基片表面留下不挥发的固体反应产物薄膜。,3.薄膜在机械工程中的应用 机械涂层主要应用有以下四方面：（1）耐磨涂层：目的是减少零件的机械磨损。（2）耐热涂层：其作用一是要降低部件的表面氧化倾向，二是要降低或部分隔绝部件所要承受的热负荷，从而延长部件的高温使用寿命。（3）防腐涂层：用于保护受化学腐蚀性气体或液体侵蚀的工件。（4）装饰涂层：起到装饰美观的效果。,作业,P,Thank you,