气相沉积技术ppt课件.ppt
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1、第十章 气相沉积技术,气相沉积技术,是通过气相材料或使材料气化后沉积于基片表面并形成薄膜,从而使基片获得特殊的表面性能的一种新技术。薄膜是用特殊方法获得的,依靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的二维材料。,3 by Jing Liang,School of Metallurgy and Materials,薄膜材料的主要特征,厚度:二维材料,一般具有亚微米至微米级的厚度,扩展到纳米和近毫米级的金刚石膜。基体支撑特殊的结构和性能特殊的形成方式,4 by Jing Liang,薄膜材料制备方法,液相法气相法,物理气相沉积,PVD是指在真空条件下,采用物理方法将固态的镀料转化为原子、分子或离子的
2、气相物质再沉积于基体表面,从而形成薄膜的制备方法。主要有真空蒸镀、溅射镀、离子镀等方法,化学气相沉积,CVD是将含有薄膜组成的一种或几种化合物气体导入反应室,使其在基体上通过化学反应生成所需薄膜的制备方法。主要有常压或低压CVD、PCVD、LCVD、有机金属化合物作反应物的CVD等。,气相沉积的特点,真空条件沉积过程污染小、膜层纯度高较低温度下可制备高熔点涂层制备多层复合膜、层状复合和梯度材料,气体沉积的物理基础,符合相变规律:驱动力是亚稳态的气相与沉积的固相 间的吉布斯自由能差;阻力是形成新相表面能的增加。自由能差与过饱和度成正比符合形核长大规律气相直接到固相转变,气相沉积中的形核与生长,形
3、核:基片表面吸附的原子总能量超过表面扩散激活能原子间、原子与原子团之间发生碰撞形成原子对和原子团,凝聚成晶核。长大:分为核生长型、层生长型和层核生长型三种形式。,气相沉积中的生长方式,核生长型形核阶段:入射原子在表面扩散形成原子团长大到一定尺寸形成稳定晶核。小岛阶段:晶核通过吸附或直接接收入射原子而在三维长大、有晶体结构。网络阶段:小岛生长相遇合并成大岛、调整外形与内部的晶体降低自由能,大岛相连形成网络结构连续阶段:原子不断增加,网状结构的沟逐渐填满形成连续薄膜,气相沉积层的组织结构,大多数为晶体结构,组织与基片温度、表面状态、真空度等沉积条件有关。基片温度对膜层组织的影响沉积气压对膜层组织的
4、影响,物理气相沉积(PVD),在真空条下,应用物理方法将沉积材料气化为原子、分子或离子直接沉积到基片表面的方法。,溅射镀膜,真空蒸镀,离子镀膜,真空蒸发镀膜(PVD),是在10-3-10-4 Pa的真空度下,采用各种热能转化方式使镀膜材料蒸发成为具有一定能量的气态粒子,然后凝聚沉积于基片表面形成膜层的方式。过程:沉积材料蒸发或升华为气态;原子(或分子)从蒸发源输送至基片表面;蒸发原子在基片上成膜。,真空镀膜装置,真空蒸镀室:钟罩、蒸发电极、基片架、测温装置、真空抽气系统:机械泵、扩散泵、高低真空阀、充气阀等蒸发源:与电极相连基片。,蒸镀工艺,基本步骤:清洁蒸镀室抽真空,基片和镀料预处理:基片加
5、热&镀料预热蒸镀阶段:蒸发温度和真空度的影响取件,蒸发源,电阻蒸发源:利用大电流通过时产生的焦耳热直接加热镀材使其蒸发;电子束蒸发源:电子束轰击镀材一部分使其加热蒸发;激光蒸发源:激光作为热源,蒸发源装置示意图,溅射镀膜(PVD),是在真空条件下,利用高荷能粒子轰击镀膜材料的表面,使镀膜材料表面的原子或分子以一定的能量逸出,然后在基片表面沉积成膜的工艺方法。靶:被轰击的镀膜材料。,溅射镀原理,基本过程:靶材原子溅射,溅射原子向基片迁移和入射粒子在基片表面成膜。溅射是热蒸发与弹性碰撞的综合结果。荷能粒子轰击靶材,使其表面局部区域被剧烈加热;同时,由于弹性碰撞,高能粒子的部分能量变为靶材中某些原子
6、的逸出功和逸出后动能,引起靶材的原子向外飞散。,影响溅射率的因素,溅射率影响因素:入射粒子:入射粒子的能量、种类、入射角、靶材性质等;随原子序数变化成周期性变化;溅射率在和升华能密切相关的某一温度几乎不变。,溅射镀的特点,除离子束溅射外,均在等离子体中进行获得的膜层范围广泛、容易控制合金膜组分基片温度低,变形小可实现较大面积镀膜,结合力比蒸镀强面对靶材方向的沉积效果最好,溅射设备,二极溅射三极或四极溅射磁控溅射射频溅射离子束溅射,23 by Jing Liang,School of Metallurgy and Materials,二极溅射,直流二极溅射:利用气体的辉光放电产生轰击靶的正离子,
7、工件与架子是阳极,被溅射的材料为阴极。,离子束溅射,采用单独的离子源轰击靶材,镀膜室真空度高热灯丝阳极发射热电子飞向阴极工作气体(氩气)电离成等离子体强电场将离子束引出进入镀模室,25 by Jing Liang,School of Metallurgy and Materials,PVD三种基本方法的比较,脉冲激光溅射沉积(PLD),将足够强度的激光辐射凝聚态物质使其以新态跃出,直达基片凝结成膜的方法。形成过程:凝聚态物质的一致性气化和等离子体产生羽辉的形成成膜,PLD示意图,PLD的特点,优点:高能量密度可蒸发金属及陶瓷等多种材料,特别有利于解决难熔材料的薄膜沉积问题;瞬间爆炸式形成等离子
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