关于物理气相沉积工艺及原理调研报告

关于物理气相沉积工艺及原理调研报告一、PVD技术简介：1、PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

PVD技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。

最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。

与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。

二、PVD工艺的特点：物理气相沉积具有金属汽化的特点，与不同的气体发应形成一种薄膜涂层。

今天所使用的大多数PVD 方法是电弧和溅射沉积涂层。

这两种过程需要在高度真空条件下进行。

Ionbond 阴极电弧PVD 涂层技术在20 世纪70 年代后期由前苏联发明，如今，绝大多数的刀模具涂层使用电弧沉积技术。

典型的PVD 涂层加工温度在250 ℃—450 ℃之间，但在有些情况下依据应用领域和涂层的质量，PVD 涂层温度可低于70 ℃或高于600 ℃进行涂层，适合多种材质，涂层多样化，减少工艺时间，提高生产率；较低的涂层温度，零件尺寸变形小；对工艺环境无污染。

当前物理气相沉积分为三类，射频直流溅射、PLD、ion beam。

缺点，由于不同粒子溅射速率不同，所以物理气相沉积薄膜组分控制比较困难。

三、PVD技术的发展：目前国内PVD技术的发展更具多元性及创新性，归纳起来有以下几种类型：①阴极电弧法（Cathode Arc Deposition ）国内已由小圆型阴极电弧技术发展到大面积阴极电弧技术及柱型靶阴极电弧技术，主要用于TiAlN等薄膜的制备。

②热阴极法（Hot Cathode Plating ）源于Balzers的技术，主要用于TiN等薄膜的制备。

③磁控溅射法（Magnetron Sputter Plating ）近年来，磁控溅射技术一直是国内涂层业的重点发展方向，先后出现了非平衡磁控溅射技术、磁控溅射加辅助离子源技术等，可制备各类薄膜。

④磁控溅射附加阴极电弧法目前国内已较多采用的技术，可用于多种薄膜的制备。

⑤空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法空心阴极在国内是一项传统技术，其应用市场仍旧存在。

为了充分发挥此技术的特点，国内的研究者将空心阴极与磁控溅射技术、阴极电弧技术结合在一起，用于多元薄膜的制备，且这种全新的尝试已对市场产生了影响。

归纳起来，国内刀具涂层技术开发的目的仍以TiAlN薄膜为主，上述各类技术已可在切削刀具上制取多种膜层，包括TiAlN薄膜，但目前所欠缺的是应用基础的研究及工业化生产工艺稳定性的保障。

1、增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。

增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。

2、过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA )配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。

3、磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。

根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。

4、离子束DLC：碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作用下，离子源释放出碳离子。

离子束能量通过调整加在等离子体上的电压来控制。

碳氢离子束被引到基片上，沉积速度与离子电流密度成正比。

星弧涂层的离子束源采用高电压，因而离子能量更大，使得薄膜与基片结合力很好；离子电流更大，使得DLC膜的沉积速度更快。

离子束技术的主要优点在于可沉积超薄及多层结构，工艺控制精度可达几个埃，并可将工艺过程中的颗料污染所带来的缺陷降至最小。

四、物理气相沉积技术原理：物理气相沉积技术中最常用的两种方法是真空蒸发和溅射。

在薄膜淀积技术发展的最初阶段，由于蒸发法相对于溅射法具有很多优势，包括较高的淀积率，相对高的真空度，以及较高的薄膜质量等。

但蒸发法固有的缺点限制了它在当今工艺中的应用，其一是台阶覆盖能力差，其二是淀积多元化合金薄膜时，组分难以控制。

而溅射法具有很多优于蒸发法的特点，包括在淀积多元化和金膜时，化学成分容易控制，淀积的薄膜与衬底附着性好。

另外，高纯靶材、高纯气体和制备技术的发展，也是溅射具备的薄膜质量得到了很大的改善，进一步提高了溅射法制备薄膜的质量，因此，溅射法和CVD技术已经基本是取代了真空蒸发法。

五、真空法制备薄膜1、基本原理:在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到硅片表面，凝结形成固态薄膜。

因为真空蒸发法的主要物理过程是通过加热蒸发材料，使其原子或分子蒸发，所以又称热蒸发。

真空蒸发法具有一些明显的优点，主要包括设备比较简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚度控制比较精确，成膜速度快，生长机理简单等。

其主要缺点是形成的薄膜与衬底附着力小，工艺重复不够理想，台阶覆盖能力差等。

2、真空蒸发设备及制膜过程：设备：真空系统，为蒸发过程提供真空环境；蒸发系统，放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置；基板及加热系统，该系统用来放置硅片，对衬底加热及测温。

加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度达到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。

气化原子或分子输运过程：原子或分子在真空中由源飞向硅片，飞行过程中可能与杂质气体分子碰撞，碰撞的次数取决于真空度及源和硅片间的距离。

淀积过程：飞到衬底的原子在凝结、成核、生长和成膜过程。

由于衬底温度低，同时被蒸发的原子能力也极低，在衬底表面不具有移动的能力，因此在硅片表面很快凝结。

3、蒸发源：a、电阻加热源：利用电流通过加热源时所才产生的焦耳热来加热蒸发材料。

由于结构简单，价廉易操作，得到了广泛应用。

对材料要求：蒸发材料熔点要高，饱和蒸汽压要低，化学性能要稳定。

b、电子束蒸发源：是基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于样机的蒸发材料，是蒸汽材料加热气化。

在以电子束作为蒸发源的蒸发设备上，将蒸发材料放在冷的坩埚中，直接利用电子束加热，是蒸发材料气化蒸发凝结在衬底表面形成薄膜。

C、激光加热源：利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热。

优点，功率高可以蒸发任何高熔点的材料;激光束光斑小，防止了坩埚材料对蒸发材料的污染；能力密度高，淀积不同熔点材料的化合物薄膜可以保证成分的比例；真空室内装置简单，容易获得高真空。

六、溅射法1、气体辉光放电：直流辉光放电基本原理：无光放电区，汤生放电区，辉光放电这些称为正常辉光放电。

反常辉光放电，当整个阴极成为有效放电区域后，只有增加功率才能增加阴极的电流密度，从而增大电流，此时进入反常辉光放电状态。

2、基本原理：溅射法是利用电邮电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向预备溅射的靶电极。

在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶原子溅射出来。

这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并沿一定的方向射向衬底，从而实现了在衬底上的薄膜淀积。

相比之下，溅射法比蒸发法原子获得的能量大，提高了溅射原子在淀积表面上的迁移能力，改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。

3、溅射特性：a、溅射阈值：对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于之歌阈值就不会发生溅射现象阈值能力一般在10-30ev范围内，其值主要取决与靶材本身的特性。

b、溅射率：溅射率也称溅射产额，它表示正离子轰击作为阴极的靶材时平均每个正离子从靶材上打出的原子数目，就是溅射出来的原子数与入射离子数之比，用S表示。

溅射率的大小与入射离子的能量、种类、靶材的种类、入射离子的入射角有关。

C、溅射离子的能量和速度：重原子有较高的逸出能量，轻原子的逸出速度大；不同的靶材具有不同的逸出能量，溅射率高的靶材，原子平均逸出能通常较低；在相同轰击能量下，原子逸出能随入射离子质量线性增加；在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能。

4、溅射方法：a、直流溅射：直流溅射又称为阴极溅射或直流二级溅射。

如下图所示，在直流溅射过程中，常用Ar气作为工作气体。

低压电子的自由程较长，电子在阳极上消失的几率大，而离子在阴极上溅射的同时发射二次电子的几率又由于气压较低二相对较小。

这使得低压下的原子电离成为离子的几率很低，在低于1pa时甚至不易发生自持放电。

这些均导致低压条件下溅射率很低。

随着气压的升高，电子的平均自由程减小，原子电离几率增加，溅射电流增大，溅射速率提高。

但气压过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，因而气淀积到衬底上的几率反而下降。

因此随着气压的变化，溅射淀积的速率会出现一个极值，如图所示，一般来讲，淀积速率与溅射功率成正比，与靶材和衬底之间的间距。

一般来讲，淀积速率与溅射功率成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。

溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而能量较高，这有利一提高淀积时原子的扩散能力，提高淀积薄膜的致密度。

而溅射气压的提高使得入射的原子能量降低，不利于薄膜的致密化。

b、射频溅射：对于导电性很差的非金属材料的溅射，我们需要一种新的溅射。

射频溅射就是一种能适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法。

设想在图中的两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入淀积室，而不必再要求电极一定是导体。

射频方法可以被用来产生溅射效应的另一个原因是它可以在靶材上产生自偏效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处一个负电位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。

在射频溅射中，所加的交流平率频率不能太低，在负半周非金属表面因获得电荷而使辉光放电停止的时间只要1—10us。

在实际应用中，交流辉光放电是在13.56MHz下进行，因为它是电磁能量可以不被其他信号干扰的辐射射频之一。

c、磁控溅射:磁控溅射原理如图所示，这种磁场设置的特点是在靶材的部分表面上方是磁场与电场方向垂直，从而进一步将电子的轨迹限制到靶面附近，提高电子的碰撞和电离的效率，而不让它去轰击作为阳极的衬底。

实际的做法可将永久磁体线圈放置在靶的后方，从而造成磁力线先传出靶面，然后变成与电场方向垂直，最终返回靶面的分布。