物理气相沉积(PVD)制备氧化铝涂层
物理气相沉淀和化学气相沉积法
液相制备纳米材料的原理、方法和形成机理液相法实在液体状态下通过化学反应制取纳米材料方法的总称，又称为湿化学法或溶液法。
现在，有各种各样的制备方法，文献中无公认一致的分类方法，相反还有些凌乱。
为清晰醒目，特点明显，便于理解。
这里将液相材料的纳米制备方法分为：沉淀法、溶胶-凝胶（sol-gel）法、水热法、化学还原法、化学热分解法、微乳胶法、声化学法、电化学法和水中放电法等9中。
本章就沉淀法、溶胶-凝胶（sol-gel）法加以讨论。
沉淀法沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂，进行化学反应，生成难容性的反应物，在溶液中沉淀下来，或将沉淀物加热干燥和煅烧，使之分解得到所需要的纳米材料的方法。
沉淀法又主要分为共沉淀（CP），分布沉淀（SP），均匀沉淀（HP）等几种。
下面对这几种沉淀法做一简要分析。
含1种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法。
（包括:单项共沉淀发和混合共沉淀法）下图给出共沉淀法的典型工艺流程。
沉淀物为单一化合物或单相固溶体时，称为单相共沉淀，亦称化合物沉淀法。
其原理为溶液中的金属离子是以具有与配比组成相等的化学计量化合物形式沉淀的，因而，当沉淀颗粒的金属元素之比就是产物化合物的金属元素之比时，沉淀物具有在原子尺度上的组成均匀性。
但是，对于由二种以上金属元素组成的化合物，当金属元素之比按倍比法则，是简单的整数比时，保证组成均匀性是可以的。
然而当要定量的加入微量成分时，保证组成均匀性常常很困难，靠化合物沉淀法来分散微量成分，达到原子尺度上的均匀性。
如果是形成固溶体的系统是有限的，固溶体沉淀物的组成与配比组成一般是不一样的，则能利用形成固溶体的情况是相当有限的。
要得到产物微粒，还必须注重溶液的组成控制和沉淀组成的管理。
为方便理解其原理以利用草酸盐进行化合物沉淀的合成为例。
反应装置如图：图 利用草酸盐进行化合物沉淀的合成装置实验原理：在Ba 、Ti 的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物BaTiO3（C2H4）2•4H2O 沉淀；BaTiO3（C2H4）•4H2O 沉淀由于煅烧，分解形成BaTiO3微粉。
物理气相沉积(PVD)技术
物理气相沉积(PVD)技术第一节 概述物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，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。
物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
物理气相沉积的主要方法有，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。
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，电子柬、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。
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。
电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。
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，离子沉积于基体表面形成薄膜。
物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。
pvd镀膜设备原理
pvd镀膜设备原理PVD镀膜设备，全称是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）镀膜设备，是一种常用的薄膜制备技术。
它利用高能离子束或高温蒸发源将材料原子或分子蒸发，然后沉积在基底表面，形成均匀的薄膜。
PVD镀膜设备主要包括蒸发源、真空系统和基底台三个组成部分。
蒸发源是主要设备，通过加热材料使其蒸发，并产生高能离子束。
真空系统则能够提供高真空环境，以确保薄膜沉积的质量。
基底台则是放置待镀膜基底的位置。
PVD镀膜设备主要有以下几种工作原理：蒸发、溅射和离子镀。
蒸发是最常见的PVD镀膜技术之一。
蒸发源内的材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底上。
蒸发源的加热方式有电阻加热、电子束加热和感应加热等。
蒸发源内的材料蒸发后形成蒸汽，蒸汽经过运输管道进入真空室，在高真空环境下，蒸汽与基底表面相遇，凝结成薄膜。
溅射是另一种常见的PVD镀膜技术。
在溅射过程中，材料源被离子束轰击，使其离子化并溅射出来，然后沉积在基底上。
溅射镀膜可以通过直流溅射、射频溅射、磁控溅射等方式进行。
溅射镀膜的薄膜均匀性更好，适用于复杂形状的基底。
离子镀是一种利用离子束轰击基底表面的技术。
在离子镀过程中，材料被加热并离子化，然后通过高能离子束轰击基底表面，使薄膜原子或分子沉积在基底上。
离子镀技术可用于提高薄膜的致密性和附着力。
PVD镀膜设备在各个领域有着广泛的应用。
在电子行业中，PVD技术可用于制备导电薄膜、光学薄膜和防腐蚀薄膜等。
在光学行业中，PVD技术可用于制备反射镜、透镜和滤光片等。
在装饰行业中，PVD 技术可用于制备金属涂层，增加产品的质感和美观度。
此外，PVD 技术还可用于制备硬质涂层、陶瓷涂层和生物医学涂层等。
总结起来，PVD镀膜设备是一种基于物理气相沉积原理的薄膜制备技术。
通过蒸发、溅射和离子镀等工作原理，能够在基底表面形成均匀致密的薄膜。
该技术在电子、光学、装饰等领域有着广泛应用，为产品的性能和外观提供了强大支持。
残余应力对涂层材料性能的影响及测量方法
残余应力对涂层材料性能的影响及测量方法高鹏【摘要】简述了两种涂层沉积工艺:化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD),并介绍了CVD制备氧化铝涂层的现状;简述了涂层材料存在的力学问题,及残余应力对涂层性能的影响;介绍了常见的残余应力测量方法,展望了拉曼光谱在氧化铝涂层残余应力测量中的发展前景.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2018(031)006【总页数】4页(P199-202)【关键词】沉积工艺;涂层材料;残余应力;拉曼光谱【作者】高鹏【作者单位】天津职业技术师范大学机械工程学院,天津 300222【正文语种】中文【中图分类】TH740 引言随着机械工业的发展和微机电系统的兴起，涂层材料和涂层技术已经成为材料科学和工程研究领域的重点之一。
涂层材料指的是与相对较厚基底结合的涂层、多层涂层材料、基底上的图案涂层和无支撑涂层。
涂层材料已经应用于各种领域，根据人们需求能够实现各种功能。
例如，具有高温稳定性和低热传导的热障涂层可以在高温环境下保护结构材料[1]；硬质合金刀具涂层可以使经常受到摩擦磨损的刀具的使用寿命大大延长[2]；同时，压电涂层材料等广泛应用于微机电系统[3]。
任何黏结在基底上的涂层都在其厚度尺寸范围内承受着某种残余应力，残余应力的存在不仅影响着涂层物理性质和晶体缺陷生成，而且会直接导致涂层破裂、脱落，因此涂层结构中产生的残余应力极大地影响了涂层工具的性能。
已有的氧化铝涂层研究的相关报道，多聚焦于涂层的微观结构、组织成分、工艺参数及摩擦磨损性能[4-6]，但是对于涂层存在的残余应力的研究并不充分。
笔者介绍了涂层常见的沉积方法及几种涂层应力测量的方法，并对近年来国内外氧化铝涂层残余应力的研究进展作出了评述，对拉曼光谱法测量氧化铝涂层残余应力的发展前景作出了展望。
1 涂层沉积方法物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)是将材料原子逐一从一个或多个源转移到基底上的沉积涂层生长表面的最常见的方式。
物理气相沉积PVD技术
物理气相沉积(PVD)技术第一节 概述物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
，并向着环保型、清洁型趋势发展。
20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面达到越来越为广泛的应用。
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，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。
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，电子柬、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。
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。
电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。
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。
pvd 物理气相沉积工艺
pvd 物理气相沉积工艺
PVD物理气相沉积工艺是一种常用的薄膜制备技术，广泛应用于微电子、光电子、材料科学等领域。
它采用物理方式将固态材料转化为气相，再通过各种方法沉积到基底上，从而形成具有特定功能和性能的薄膜材料。
PVD物理气相沉积工艺有多种方法，其中最常见的包括磁控溅射、电弧离子镀、激光溅射等。
这些方法都基于相同的原理，即通过外加能量将材料转化为气态，然后将气态材料沉积到基底上。
在磁控溅射工艺中，通过在真空环境下施加磁场，使金属靶材表面的原子被电子轰击击碎，并以高速运动的方式沉积到基底上。
这种方法可以制备出高质量、致密的薄膜，具有优异的粘附力和膜层均匀性。
电弧离子镀工艺则利用电弧放电产生的高能离子束，在真空环境下将金属靶材表面的原子击碎并沉积到基底上。
电弧离子镀工艺可以制备出具有较高密度和较高结晶度的薄膜，适用于制备金属薄膜和复合薄膜。
激光溅射工艺则利用激光束对靶材进行照射，将靶材表面的原子击碎并沉积到基底上。
激光溅射工艺具有高度的可控性和可重复性，可以制备出高质量、高纯度的薄膜，广泛应用于光学薄膜、显示器件等领域。
PVD物理气相沉积工艺具有许多优点，例如制备过程简单、操作方便、沉积速率高、薄膜质量好等。
它可以制备出各种材料的薄膜，如金属薄膜、合金薄膜、氧化物薄膜等，具有广泛的应用前景。
总的来说，PVD物理气相沉积工艺是一种重要的薄膜制备技术，具有广泛的应用领域和优势。
通过不同的方法和参数的选择，可以制备出具有不同性质和功能的薄膜材料，为各种领域的研究和应用提供了重要的支持和推动。
半导体氮化铝工艺
半导体氮化铝工艺半导体氮化铝（AlN）是一种重要的宽禁带半导体材料，具有优异的热导率、电绝缘性能和良好的化学稳定性。
它在电子器件、光电器件和功率器件等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍半导体氮化铝的制备工艺，包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两种主要方法。
1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是通过蒸发或溅射的方法在基底上沉积氮化铝薄膜。
该方法适用于小面积的薄膜制备。
（1）蒸发法蒸发法是将氮化铝源材料加热至足够高的温度，使其蒸发并沉积在基底上。
常用的氮化铝源材料包括氮化铝颗粒、氮化铝陶瓷块等。
蒸发法的优点是工艺简单、成本低廉，但薄膜的均匀性和致密性较差。
（2）溅射法溅射法是通过将氮化铝靶材置于惰性气体环境中，施加高能量的离子束或电子束，使靶材表面的原子溅射并沉积在基底上。
溅射法可以获得较高质量的氮化铝薄膜，具有较好的均匀性和致密性。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是通过在反应室中将气相前驱物分解并沉积在基底上制备氮化铝薄膜。
该方法适用于大面积薄膜的制备，并可以获得较高质量的薄膜。
（1）低压化学气相沉积（LPCVD）低压化学气相沉积是在较低的气压下进行的化学气相沉积。
常用的前驱物包括铝烷和氮源气体，如氨气。
在高温下，铝烷和氨气反应生成氮化铝薄膜。
LPCVD工艺可以获得高质量的氮化铝薄膜，但工艺复杂且成本较高。
（2）金属有机化学气相沉积（MOCVD）金属有机化学气相沉积是通过金属有机前驱物在高温下分解并沉积在基底上形成氮化铝薄膜。
常用的前驱物包括三甲基铝（TMA）和氨气。
MOCVD工艺具有较高的沉积速率和较好的控制性能，适用于大规模生产。
除了上述的制备方法，还可以采用分子束外延（MBE）和气相转移生长（HVPE）等工艺进行氮化铝薄膜的制备。
这些方法在特定的应用领域具有独特的优势。
总结起来，半导体氮化铝的制备工艺包括物理气相沉积和化学气相沉积两种主要方法。
物理气相沉积包括蒸发法和溅射法，适用于小面积薄膜制备；化学气相沉积包括低压化学气相沉积和金属有机化学气相沉积，适用于大面积薄膜制备。
PVD(物理气相沉积)
PVD(物理气相沉积)简介1. PVD简介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。
2. PVD技术的发展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。
目前PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta－C等多元复合涂层。
3. 星弧涂层的PVD技术增强型磁控阴极弧：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。
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。
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。
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物理气相沉积（PVD）制备氧化铝涂层
1.引言
由于氧化铝薄膜具有令人关注的优异性能，如高温稳定性、化学稳定性、低的热导率和
电导率等，目前利用化学气相沉积（CVD）涂覆氧化铝薄膜作为耐磨涂层材料已广泛应用于
硬质合金切削刀片。它在其它领域没有得到广泛应用的主要原因是这类涂层的工业规模制备
需利用高温CVD进行处理。虽然CVD处理方法有许多优点，但其最大的缺点是在处理过程
中需要高温（1000℃）。
利用物理气相沉积（PVD）溅射技术在350～600℃的温度范围内沉积氧化铝，是由豪泽
（Hauzer）技术镀层公司开发的一种新工艺。该工艺大大拓宽了氧化铝的应用领域，低的沉
积温度使它能在其它材料如高速钢和模具钢上能进行涂镀处理。
最初，涂层的开发是在Hauzer Flexicoat 750上开展的，其后这个过程被转移到一个生产
型涂镀设备HTC-1000上进行。该技术的产业化转化和重新设计是与德国Tubingen硬质合金
切削刀具的主要供应商Walter AG合作进行的。
2.工艺过程
新的涂层系统采用复合涂层技术，结合阴极电弧镀和磁控溅射，电弧层作为过渡层或为
整个涂层系统提供必需的耐磨性，而氧化铝则提供高温和化学稳定性。
系统配置有几个电弧和磁控溅射阴极。零件在沉积前要加热到工艺温度并且系统要抽至
低真空度；其后，用氩离子或金属离子刻蚀清洁工件表面；接着沉积电弧层，氧化铝顶层是
利用金属靶在氩和氧混合气氛中的PVD溅射沉积所成。此外，在特殊应用中，氧化铝涂层
也可以在没有底层的情况下单层使用。氧化铝涂层采用HauzerT模式沉积技术制备而成。T
模式技术是由特殊设计的溅射阴极结合优化的气体分布系统来体现其特性的，通过电磁感应
线圈在基体周围产生闭合磁场来提供高离化率的等离子体，以达到涂层性能的要求。该技术
的优点是处理过程易于控制，稳定性好，重复性佳，沉积速率（≥0.5μm/h）足以达到工业化
生产中较节省的处理时间。
3.氧化铝涂层的工业化前景
在Flexicoat 750系统开发初始工艺的基础上，此工艺被转移到工业规模的HTC-1000设
备。Walter AG是在硬质合金刀片和工具的数据管理上具有主导地位的生产商，拥有长期使
用豪泽设备的经验。
氧化铝涂层广泛应用于硬质合金的刀片，其优点是能降低凹坑磨损和热破裂。氧化铝涂
层通常采用CVD方法沉积。由于沉积温度高、碳化物易脆化，致使在金属切削（主要是铣
削加工）方面的应用受到限制。在实际应用中，由于新的氧化铝PVD工艺沉积温度低，可
以实现刀片的切削刃所需要的高韧性，特别是在铣削不锈钢或难加工材料时，新的氧化铝涂
层与传统的PVD涂层相比，其性能提高了2倍。
在重新设计和产业转化过程中，选定AlTiN+氧化铝涂层系统。氧化铝涂层工艺的优化主
要体现在提高涂层的性能上，如硬度和结构，优化目标是使新涂层在铣削加工方面与目前的
AlTiN涂层技术相比能获得更好的性能。由新涂层的横截面显微照片可见，在硬质合金基体
材料上可清晰见到3μm厚的AlTiN层和1μm厚的氧化铝层。
用高分辨透射电镜（HRTEM）来研究分析AlTiN-Al2O3的界面。由分析结果可见，氧化
铝层与面心立方（fcc）晶体AlTiN层结合良好。此外，采用掠角X光衍射（GIXRD）和选区
电子衍射（SAED）分析氧化铝涂层的结构为纳米晶的γ-相，晶粒尺寸约为5～10nm。最初
的切削试验采用标准的SP12刀片干铣42CrMo4钢，由新涂层刀片和AlTiN涂层刀片的平均
磨损量和最大磨损量对比可知，氧化铝涂层刀片比AlTiN涂层刀片具有更好的抗热破裂和耐
磨性。
4.结论
新的氧化铝涂层技术已成功地应用到工业涂层设备上，工艺稳定，可重复性强。通过上
述铣削加工试验，证实了新氧化铝涂层用于刀片涂镀处理的可行性，Walter在2005年汉诺
威EMO展览会上展示了使用新的氧化铝涂层技术的硬质合金刀片。