现代表面涂层技术教材课件.ppt

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1、表面涂层技术,主讲人：张洪锋,表面涂层技术概述,01,物理气相沉积,02,化学气相沉积,03,CONTENTS,目 录,表面涂层技术概述,概述,表面技术（surface technology）是指通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。,概述,表面技术可以在不改变材料基本组成前提下，投入费用较少，而能大幅提高材料性能，经济效益显著，在发展 新型材料上起着重大作用，如在制备高Tc超导薄膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅、碳60等新材料中表面技术起了关键作用。,外部采用阳极

2、氧化工艺，内部呢？,不粘锅，原理是什么？,化学法,电镀、阳极氧化、化学转化膜处理、化学镀在电解质溶液中，工件为阴极，在外电流作用下，使其表面形成镀层的过程，称为电镀。在电解质溶液中，工件为阳极，在外电流作用下，使其表面形成氧化膜层的过程，称为阳极氧化，如铝合金的阳极氧化。在电解质溶液中，金属工件在无外电流作用，由溶液中化学物质与工件相互作用从而在其表面形成镀层的过程，称为化学转化膜处理。在电解质溶液中，工件表面经催化处理，无外电流作用，在溶液中由于化学物质的还原作用，将某些物质沉积于工件表面而形成镀层的过程，称为化学镀，如化学镀镍、化学镀铜等。,热加工法,热浸镀、热喷涂、热烫印、化学热处理、堆

3、焊金属工件放入熔融金属中，令其表面形成涂层的过程，称为热浸镀，如热镀锌、热镀铝等。将熔融金属雾化，喷涂于工件表面，形成涂层的过程，称为热喷涂，如热喷涂锌、热喷涂铝等。将金属箔加温、加压覆盖于工件表面上，形成涂覆层的过程，称为热烫印，如热烫印铝箔等。工件与化学物质接触、加热，在高温态下令某种元素进入工件表面的过程，称为化学热处理，如渗氮、渗碳等。以焊接方式，令熔敷金属堆集于工件表面而形成焊层的过程，称为堆焊，如堆焊耐磨合金等。,真空法,物理气相沉积、离子注入、化学气相沉积在真空条件下，将金属气化成原子或分子，或者使其离子化成离子，直接沉积到工件表面，形成涂层的过程，称为物理气相沉积，其沉积粒子束

4、来源于非化学因素，如蒸发镀溅射镀、离子镀等。高电压下将不同离子注入工件表面令其表面改性的过程，称为离子注入，如注硼等。化学气相沉积是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。,兰博基尼定制手机,Intel处理器,化学气相沉积合成钻石,物理气相沉积,物理气相沉积,物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)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

5、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。,物理气相沉积,真空蒸镀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，电子束、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。,真空蒸镀,电阻蒸发源采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO

6、等坩埚中进行间接加热蒸发，这便是电阻加热蒸发法。由于电阻加热蒸发源结构简单、价廉易作，所以是一种应用很普通的蒸发源。,电阻蒸发源,真空蒸镀,电子速蒸发源将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸镀技术中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。电子束蒸发源的优点为：电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要。热量可直接加到蒸镀材

7、料的表面，热效率高，热传导和热辐射损失少。,真空蒸镀,高频感应蒸发源高频感应蒸发源是将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失，致使蒸发材料升高，直至气化蒸发。膜材的体积越小，感应的频率就越高。这种蒸发源的特点是：蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右；蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制比较容易，操作比较简单。,真空蒸镀,特殊蒸镀法瞬时蒸发法双源或多源蒸发法反应蒸发法电弧蒸发法（交流电弧放电法和直流电弧放电法）热壁法激光蒸发法,瞬时蒸发法,双源蒸发法,反

8、应蒸发法,激光蒸发法,物理气相沉积,溅射镀膜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。,溅射镀膜,溅射过程物理模型,溅射镀膜,溅射镀膜,入射离子和靶材表面的作用,溅射镀膜,溅射薄膜的形成气相离子可在飞向基体过程中凝结为大分子团，也可在基体表面凝结，并通过表面扩散，形成二维薄膜。通常，在气相中凝结为大分子团后，能量降低，很难在基体

9、表面形成致密牢固的薄膜，属于粉尘类。溅射离子因能量高，主要在基体表面凝结并扩散成膜。膜的组织结构与基体表面温度密切相关，根据相对沉积温度不同而形成形态1、形态T、形态2和形态3薄膜结构。,磁控溅射,磁控溅射（magnetron sputtering）磁控溅射是在溅射的基础上，运用靶板材料自身的电场与磁场的相互电磁交互作用，在靶板附近添加磁场，使得二次电子电离出更多的氩离子，增加溅射效率。,磁控溅射,溅射镀膜,衬底温度和气压对薄膜形成的影响,磁控溅射,磁控溅射的物理原理磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片

10、，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。,磁控溅射,磁控溅射的基本原理，就是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”，“高速”两大特点的道理。,电子在电场和磁场中的运动,物理气相沉积,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，

11、离子沉积于基体表面形成薄膜。离子镀的基本特点是采用某种方法(如电子束蒸发磁控溅射，或多弧蒸发离化等)使中性粒子电离成离子和电子，在基体上必须施加负偏压，从而使离子对基体产生轰击，适当降低负偏压后，使离子进而沉积于基体成膜。离子镀集蒸发镀和溅射镀为一体，沉积过程中既有靶材的蒸发、又有离子轰击溅射。离子镀的优点如下：膜层和基体结合力强。膜层均匀，致密。在负偏压作用下绕镀性好。无污染。多种基体材料均适合于离子镀。,离子镀,反应性离子镀电弧离子镀,离子镀,磁过滤电弧离子镀缺点是沉积速度只有普通电弧离子镀的1020%。,化学气相沉积,化学气相沉积,化学气相沉积(Chemical Vapor Deposi

12、tionCVD)CVD是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。CVD法可制备薄膜、粉末、纤维等材料，用于多种领域，如半导体工业、电子器件、光子及光电子工业、纳米硅粉等。CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，以及金刚石薄膜、超导薄膜、透明导电薄膜以及其他敏感功能薄膜。,化学气相沉积,钻石,化学气相沉积,石墨烯,化学气相沉积,碳纳米管,化学气相沉积,化学气相沉积,热分解反应该方法在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固体涂层。化学合成

13、反应化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反应，最终在基体上沉积出固体涂层。还原或置换反应、氧化、水解反应,化学气相沉积,化学输运反应将薄膜物质作为源物质，借助适当的气体介质与之反应形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理运输到沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来。,化学气相沉积,化学气相沉积,等离子体增强化学沉积法（PECVD）PECVD是在高真空条件下，利用辉光放电作用所产生的等离子体，使参与反应的气体分子发生气相分解和表面反应，在衬底表面形成纳米薄膜的方法。,化学气相沉积,化学气相沉积,化学气相沉积,激光诱导化学气相沉积法（LICVD）简称激光

14、气相合成技术，其原理是利用反应气体分子对特定波长激光的共振吸收，诱导反应气体分子的激光热解、激光离解（如紫外光解、红外多光子离解）、激光光敏化等化学反应，在一定工艺条件下反应生成物成核和生长，通过控制成核和生长过程，可获得纳米粒子。利用连续输出的CO2激光辐照硅烷气体流，聚焦状态下的激光束辐照在反应气体上形成反应焰，硅烷分子很快热解，热解生成的气相硅在一定的温度和压力条件下开始形核和长大形成纳米硅颗粒，由氨气携带进入微粒捕集装置。利用此方法最终可以制备出表面清洁、粒子大小可控、无粘连、粒度分布均匀的硅纳米颗粒。粒度：几纳米到几十纳米。,化学气相沉积,化学气相沉积,热丝化学气相沉积法（HW-CV

15、D）利用硅烷和H2为反应气体，被高达2000的钨丝分解后扩散到衬底表面或进入颗粒收集器来制备。通过改变钨丝温度、沉积气压、硅烷的H2稀释度以及钨丝与衬底的间距等工艺参数可以获得预期的a-Si:H，nc-Si:H薄膜或颗粒。,化学气相沉积,电子喷射辅助化学气相沉积法（ES-CVD）利用电子喷射金属醇盐产生带电液滴进入CVD反应炉，液滴蒸发所产生的离子，由于离子诱导效应成核。由于带电粒子之间静电力的存在，阻止了粒子的团聚。,化学气相沉积,MOCVD是一种利用有机金属化合物的热分解反应进行气相外延生产薄膜的CVD技术。作为含化合物半导体元素的原料化合物必须满足：常温下稳定且容易处理反应的副产物不应妨

16、碍晶体生长，不应污染生长层室温附近应具有适当的蒸汽压,化学气相沉积,MOCVD的优点：沉积温度低，减少了自污染，提高了薄膜纯度。沉积过程不存在刻蚀反应，沉积速率易于控制。几乎可以生长所有化合物和合金半导体。反应装置简单，易于控制，可大批量生产。可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长。,化学气相沉积,光CVD是利用光使气体分解，增加反应气体的化学活性，促进气体之间化学反应的化学气相沉积技术。,化学气相沉积,电子回旋共振（ECR）等离子体沉积在反应室内导入微波和磁场，使电子的回旋运动和微波发生共振现象。电子和气体碰撞，促进放电，从而可以在较高的真空度和较低的温度下发生反应，获得高质量的薄膜。可在半导体基板上沉积导电薄膜、绝缘薄膜、钴镍合金薄膜以及氧化物高Tc超导薄膜等。,谢谢观赏,thankyou,2015,