您的位置:主页 > W悠生活 >物理气相沈积法(Physical Vapor Deposit

物理气相沈积法(Physical Vapor Deposit

时间:2020-07-23作者: 分类:物理气相沈积法(Physical Vapor Deposit

物理气相沈积法(Physical Vapor Deposition,PVD)
台北市立第一女子高级中学化学科何镇扬老师/国立台湾师範大学化学系叶名仓教授责任编辑

气相沉积法分为物理气相沉积法(physical vapor deposition,PVD)和化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD);前者不发生化学反应,后者发生气相的化学反应。

物理气相沉积法是利用高温热源将原料加热至高温,使之气化或形成等离子体,然后在基体上冷却凝聚成各种形态的材料(如单晶、薄膜、晶粒等)。所用的高温热源包括电阻、电弧、高频电场或等离子体等,由此衍生出各种PVD技术,其中以阴极溅射法和真空蒸镀较为常用。

1、真空蒸镀
真空蒸镀或真空蒸发沉积法(vacuum evaporation depostion),是在真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面。此技术最早由法拉第(M. Faraday,1797~1867)于1857年提出,现代已成为常用镀膜技术之一,用于电容器、光学薄膜、塑胶等的真空蒸镀、沉积膜等领域。例如光学镜头表面的减反增透膜一般用真空蒸镀法製造。 真空蒸镀的设备结构如下图所示。

物理气相沈积法(Physical Vapor Deposit

蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源,待镀工件如金属、陶瓷、塑胶等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后,加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚取决于蒸发源的蒸发速率和时间(或取决于装料量),并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜,常採用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程,以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1~0.2 eV。

蒸发方法有三种类型:一是电阻加热,用难熔金属如钨、钽製成舟箔或丝状,:通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质。电阻加热源主要用于蒸发镉(Cd)、铅(Pb)、银(Ag)、铝(A1)、铜(Cu)、铬(Cr)、金(Au)、镍(Ni)等材料。二是用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。三是用电子束轰击材料使其蒸发,适用于蒸发温度较高(不低于2000 ℃)的材料。

蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比,具有较高的沉积速率,可镀製单质和不易热分解的化合物膜。使用多种金属作为蒸镀源可以得到合金膜,也可以直接利用合金作为单一蒸镀源,得到相应的合金膜。

2、阴极溅射法
阴极溅射法(cathode sputtering)又称溅镀,它是利用高能粒子轰击固体表面(靶材),使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面,然后在基片(工作)的表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜。常用的二极溅射设备如下图所示。通常将欲沉积的材料製成板材作为靶,固定在阴极上,待镀膜的基片置于正对靶面的阳极上,距靶几釐米。系统抽至高真空后充入1~10 Pa的惰性气体(通常为氩气),在阴极和阳极间加几千伏电压,两极间即产生放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极,与靶表面原子碰撞,受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在一至几十电子伏範围。溅射原子在基片表面沉积成膜。阴极溅射法中,溅射的原子有大的能量,初始原子撞击基质表面即进入几个原子层深度,这有助于薄膜层与基质间的良好附着力。溅射法的另一个优点是可以改变靶材料产生多种溅射原子,并不破坏原有系统,因此可以形成多层薄膜。

物理气相沈积法(Physical Vapor Deposit

溅射法广泛应用在诸如由元素硅(Si)、钛(Ti)、铌(Nb)、钨(W)、铝(Al)、金(Au)和银(Ag)等形成的薄膜,也可以用于形成包括耐火材料,如碳化物、硼化物和氮化物在金属工具表面形成薄膜,以及形成软的润滑膜如硫化钼,还用于光学设备上防太阳光氧化物薄膜等。相似的设备也可以用于非导电的有机高分子薄膜的制备。

溅镀的缺点是靶材的製造受限制、析镀速率低等。

3、离子镀:
离子镀(ion plating)就是蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面,它是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合。离子镀系统将基片台作为阴极、外壳作阳极,充入工作气体(氩气等惰性气体)以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面,未电离的中性原子(约占蒸发料的95 %)也沉积在基片或真空室壁表面。电场对离子化的蒸气分子的加速作用(离子能量约几百~几千电子伏)和氩离子对基片的溅射清洗作用,使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发(高沉积速率)与溅射(良好的膜层附着力)。工艺的特点,并有很好的绕射性,可为形状複杂的工件镀膜。另外,离子镀改善了其他方法所得到的薄膜在耐磨性、耐磨擦性、耐腐蚀性等方面单不足。

相关阅读:

随机推荐

热点聚集

最新文章