材料表面工程第十一章(編輯修改稿)
2024-10-08 21:18 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 離子轟擊對(duì)基片表面的清洗作用可以除去其污染層 ， 另外 還能形成共混的過渡層 。 如果離子轟擊的熱效應(yīng)足以使界 面處產(chǎn)生擴(kuò)散層 ， 形成冶金結(jié)合 ， 則更有利于提高結(jié)合強(qiáng) 度 。 離子轟擊可以提高鍍料原子在膜層表面的遷移率 ， 有利于獲得致密的膜層 。 1． 離子鍍的類型 離子鍍?cè)O(shè)備要在真空 、 氣體放電的條件下完成鍍膜和離子轟擊過程 ， 由 真空室 、 蒸發(fā)源 、 高壓電源 、 離化裝置 、 放置工件的陰極等部分組成 。 (1) 空心陰極離子鍍 (HCD) HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體 。 由 HCD槍引出的電子束初步聚焦后 ， 在偏轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)作用下 ， 束直徑收縮而聚焦在坩堝上 。 HCD槍既是鍍料的氣化源也是蒸發(fā)粒子的離 化源 。 空心陰極離子鍍廣泛用于鍍制高速鋼刀具 TiN 超硬膜 。 (2) 多弧離子鍍 多弧離子鍍采用電弧放電的方法 ， 在固 體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬 。 多弧離子鍍的特點(diǎn)是從陰極直接產(chǎn)生等離 子體 ， 陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向 布置 ， 使夾具大為簡(jiǎn)化 。 多弧離子鍍以噴射蒸發(fā)的方式成膜 ， 可以保證膜層成分與靶材一致 ， 這 是其它蒸鍍技術(shù)所做不到的 。 突出優(yōu)點(diǎn)是速率快 ， 存在的主要問題 是弧斑噴射的液滴飛濺射到膜層上會(huì)使膜層粗糙 ， 對(duì)耐蝕性不利 。 (3) 離子束輔助沉積 離子束輔助沉積是在蒸鍍的同時(shí) ， 用離子束轟擊基片 。 雙離子束鍍是一種將離子注入和常規(guī)氣相沉積 鍍膜結(jié)合起來 ， 兼有兩者優(yōu)點(diǎn)的高新技術(shù) 。 兩個(gè)離子束 ， 其中低能的離子束 1用于轟擊靶 材 ， 使靶材原子濺射并沉積在基片上 。 另一個(gè) 高能的離子束 2起轟擊 (注入 )作用 。 雙離子束鍍的基本特征是在氣相沉積鍍膜的同時(shí) ， 用具有一定能量的離子束轟擊不斷沉積著的物質(zhì) 。 由于離子轟擊引起沉積膜與基體材料間的原子互相混合 ， 界面原子互相滲透溶為一體 ， 形成一個(gè)過渡層從而大大改善了膜基的結(jié)合強(qiáng)度 。 2．離子鍍的應(yīng)用 離子鍍膜具有粘著力強(qiáng)、 均鍍能力好、取材范圍廣 且能互相搭配，以及整個(gè) 工藝沒有污染等特點(diǎn)，在 工業(yè)上有著廣泛應(yīng)用。 此外，離子鍍?cè)谀茉础⒓? 成電路、磁光記錄、光導(dǎo) 通訊等領(lǐng)域也有廣泛的用 途。 112 化學(xué)氣相沉積 (CVD) 1121 概 述 化學(xué)氣相沉積 (chemical vapor deposition，簡(jiǎn)稱 CVD)是在相當(dāng)高的溫度下，混合氣體與基體的表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在基體上形成一種金屬或化合物的固態(tài)薄膜或鍍層。 CVD與物理氣相沉積不同的是沉積粒子來源于化合物的氣相分解反應(yīng) 。 化學(xué)氣相沉積的發(fā)展可追溯到十九世紀(jì)末，德國的 Erlwein等利用 CVD在白熾燈絲上制備了 TiC， 后來 Arkel和 Moers等又分別報(bào)道了在燈絲上用 CVD制取高 熔點(diǎn)碳化物工藝試驗(yàn)的研究結(jié)果。 到了二十世紀(jì) 60年代末， CVD制備 TiC及 TiN硬膜技術(shù)已逐漸走向成熟并大規(guī)模用于鍍制硬質(zhì)合金刀片以及Cr12系列模具鋼。 隨著 CVD技術(shù)的進(jìn)一步完善并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，又發(fā)展了多種新型的 CVD技術(shù)。 例如 , 用離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PCVD)制備 TiC薄膜，沉積溫度可降至 500℃ 。 由于半導(dǎo)體外延和大規(guī)模集成電路的需要 , 又發(fā)展了金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)和激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)。 CVD制備金剛石薄膜技術(shù)也取得了重大進(jìn)展，先后采用了 直流電弧等離子化學(xué)氣相沉積 (DCArc Plasma CVD) 和微波等離子化學(xué)氣相沉積 (MPCVD)等技術(shù)。 CVD金剛石薄膜物理性能和天然金剛石基本相同或接近， 化學(xué)性質(zhì)完全相同，因此擴(kuò)大了金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域。 通常 CVD的反應(yīng)溫度范圍大約 900?2022?C，它取決于 沉積物的特性。 中溫化學(xué)氣相沉積 (MTCVD)的典型 反應(yīng)溫度大約 500? 800?C，它通常是通過金屬有機(jī)化合物在較低溫度的分解 來實(shí)現(xiàn)的。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PCVD)以及激光 化學(xué)氣相沉積 (LCVD)中氣相化學(xué)反應(yīng)由于等離子體的產(chǎn) 生或激光的輻照得以激活也可以把反應(yīng)溫度降低。 1222 CVD的化學(xué)反應(yīng)和特點(diǎn) 1． CVD的化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)氣相沉積時(shí)將所需反應(yīng)氣體通入反應(yīng)器內(nèi) , 在基片附近 進(jìn)行反應(yīng) , 為基片提供反應(yīng)物。主要反應(yīng)有： (1) 分解反應(yīng) (熱分解或光分解 ) 當(dāng)氣相化合物與高溫工件表面 (基片 )接觸時(shí) , 發(fā)生熱分解 , 生 成沉積物原子 (或分子 ), 并向基片表面遷移 。 如多晶硅膜和碳化硅膜的沉積反應(yīng) : SiH4(g) ? Si(s) + 2H2(g) CH3SiCl3(g) ? SiC(s) + 3HCl(g) (2) 還原反應(yīng) 常用還原性氣體 H2與一些揮發(fā)性化合物的蒸氣進(jìn)行反 應(yīng)生成沉積物粒子。 如在基片上沉積多晶硅膜或金屬鎢膜的反應(yīng) : SiCl4(g) + 2H2(g) ? Si(s) + 4HCl(g) WF6(g) + 3H2(g) ? W(s) + 6HF(g) (3) 氧化反應(yīng) 將含沉積元素的化合物氣體與氧或氧化性氣體通入沉 積區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，生成所需的氧化物粒子。 如沉積 SiO2時(shí)的反應(yīng)： SiH4(g) + O2(g) ? SiO2(s) + 2H2(g)
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