1、物理氣相沉積目錄PVD概念PVD技術分類文獻研討物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）： 表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源從固體或液體表面氣化成氣體原子、分子或部分電離成離子，并通過抵押氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有特殊功能薄膜的技術。粒子在基片上凝結、成核、長大和成膜粒子運輸到基片（粒子間發生碰撞，產生離化、復合、反應，能量的交換和運動方向的變化）從原材料發射粒子（蒸發、升華、濺射和分解等過程）PVD過程示意圖襯底以氣態方式進行物質運輸能量運輸靶材能量氣態幾種PVD技術PVD真空蒸鍍濺射鍍膜離子鍍電子束（EB）熱蒸發直流濺射射頻濺射脈沖

2、直流濺射真空蒸鍍概念：將鍍料在真空中加熱、蒸發，使蒸發的原子核原子團在溫度較低的基板上凝結，形成薄膜。TBAPvlog03 . 2 RHBvp 汽化熱Hv 為材料從凝聚相轉為氣相所需能量p P為蒸汽壓，p A為積分常數，p R0為阿夫加德羅常數不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數關系為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少為10 mTorr。Ta，W，Mo和Pt，這些難熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達到10 mtorr 的蒸氣壓， 鎢需要超過3000。真空度與分子平均自由程 高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統中進行，因為：1.源材料的氣相原子和分子在真空中的輸運必須直線運動，以保證金屬材料原子

3、和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發的氣相原子或分子將會不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。2.殘余氣體中的氧和水氣，會使金屬和襯底氧化。3.殘余氣體和其他雜質原子和分子也會淀積在襯底。平均自由程 反比于氣體壓強 r為氣體分子的半徑prkT22esevapPTmAR21083. 5Pe是蒸氣壓（torr），As是源面積，m為克分子質量，T為溫度可見蒸發的淀積速率和蒸發材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應腔內晶片的位置、方向有關。熱運動熱運動原子團簇原子團簇島島薄膜薄膜根據加熱原理（或加熱方式）有：電阻加熱蒸發、電子束蒸發等電阻加熱蒸發將用高熔點金屬(W, Mo, Ta, Nb)制成

4、的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料。電阻加熱蒸發特點 結構簡單、成本低廉、操作方便； 支撐坩堝及材料與蒸發物反應； 難以獲得足夠高溫蒸發介電材料（Al2O3、TiO2）； 蒸發率低； 加熱導致合金或化合物分解。 可制備單質、氧化物、介電和半導體化合物薄膜。電子束蒸發用高能聚焦的電子束熔解并蒸發材料電子束加熱原理:是基于電子在電場作用下,獲得動能轟擊處于陽極的蒸發材料,使蒸發材料加熱氣化。電子束蒸發源的優點電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大的能量密度 。達到104 109 W/cm2 的功率密度，使熔點3000的材料蒸發，如W、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O

5、3 等。被蒸發材料可置于水冷坩鍋中 避免容器材料蒸發、及其與蒸發材料反應熱量可直接加到蒸鍍 材料的表面 熱效率高、熱傳導和熱輻射損失小電子束蒸發源的缺點電子槍發出的一次電子和蒸發材料發出的二次電子會使 蒸發原子和殘余氣體分子電離 影響膜層質量。可選擇電子槍加以解決電子束蒸鍍裝置結構復雜、價格昂貴 加速電壓高時，產生的一些射線對人體傷害蒸發工藝中的一些問題：I.對某些元素淀積速率很慢II.合金和化合物很難采用III.臺階覆蓋差IV.目前大生產很少采用文獻研討摘要：電子束物理氣相沉積技術被采用制備大尺寸高溫合金薄板，靶基距和不同坩堝中錠料蒸發速率對厚度均勻性的影響規律被研究。研究結果表明，靶基距對

6、錠料的有效蒸發效率和厚度均勻性具有重要影響。靶基距低，有效蒸發效率高，反之，靶基距高，有效蒸發效率低。靶基距與錠料的有效蒸發效率成反比關系。調整不同坩堝中錠料蒸發速率，可獲得不同的薄板厚度分布。當靶基距為h = 50 cm，2 號坩堝蒸發量為83%，4 號坩堝蒸發量為17% 時，沉積薄板厚度分布均勻性最好，在r450 mm 范圍內薄板厚度分布滿足國家薄板厚度公差標準。理論計算與實驗結果相符合表明模型合理。1 號和4 號坩堝中心距基板中心投影距離為250 mm，2 號和3 號坩堝中心距離基板中心投影距離為400 mm。靶基距從400 到550mm 可調整。鎳基合金錠料被分別放入2 號和4 號坩堝

7、中，工作室抽真空，對基板進行加熱，當真空度與基板溫度達到沉積要求，用電子束加熱錠料，錠料熔化蒸發，蒸氣凝結在基板表面，通過連續沉積獲得高溫合金薄板體材料。實驗部分結果與討論坩堝距離基板投影中心距離越近，基板接收蒸氣流的面積越大，因而有效蒸發效率越高。也可以看到，隨有效蒸發效率增加，薄板厚度均勻性往往也變得更差。為了實現薄板厚度均勻性和有效蒸發效率的平衡，控制2個坩堝的蒸發量成為EB-PVD工藝制備大尺寸薄板材料的關鍵。國家薄板厚度公差標準：厚度小于0.4mm的薄板，厚度公差為0.04mm在一定范圍內，靶基距高，可在較大尺寸范圍內獲得厚度分布均勻，滿足國家標準的薄板，但有效蒸發效率較低。靶基距低

8、，有效蒸發效率較高，但滿足厚度均勻分布的薄板尺寸區域較小。結論( 1) EBPVD 凈成型技術制備大尺寸高溫合金薄板，坩堝位置、靶基距和不同錠料蒸發速率對薄板厚度均勻性和有效蒸發效率具有重要影響。( 2) 坩堝位置距離基板中心投影位置近，有效蒸發效率高，反之，有效蒸發效率低。( 3) 靶基距低，有效蒸發效率高，反之，靶基距高，有效蒸發效率低。靶基距與錠料的有效蒸發效率成反比關系。( 4) 調整不同錠料蒸發速率，可獲得不同薄板厚度分布。當靶基距為h = 50 cm，2 號坩堝蒸發量為83%，4 號坩堝蒸發量為17% 時，沉積薄板厚度分布均勻性最好，在r450 mm 范圍內薄板厚度分布滿足國家標準

9、。文獻研討INTRODUCTIONPVD has been considered as a potential alternative to the traditional coating technologies.Hindered by the high capital cost of vacuum equipment and the high operating costsTechnical obstacles : too thin without any smoothing or levelling little corrosion protectionAdvantages:PVD is

10、 a clean and dry coating technology without serious environmental problemsBe able to control chemical compositions and product propertiesHigh wear resistance, biocompatibility, high gloss and a range of attractive coloursDisadvantages:poor corrosion protection and an inability for levelling or plana

11、rizing the substrate surfaceA solution to the above problems is to use a polymer powder coating as an undercoat or primer between the PVD coating and the metal substrate.The powder coating is much thicker than the PVD film, nonconducting and dense.The deposition technique used was electrostatic spra

12、ying.1. Adhesion of PVD film to epoxy coatingThe zirconium PVD films showed poor adhesion to the epoxy undercoat.Results and discussionSEM micrograph showing the Zr film deposited by cathodic arc evaporation on an epoxy undercoat: (a) top surface; (b) cross section.Residual stress analysisThere are

13、three main contributions to residual stress in PVD films: (i) intrinsic stress; (ii) extrinsic stress and (iii) thermalstress.SEM micrograph of through-thickness cross section of coatings on aluminium substrate: (a) Zrepoxy.The results show that for both coating systems, compressive stresses are dev

14、eloped in the zirconium film. However, the introduction of the epoxy undercoat produces a large scale increase in residual stress.The driving force for buckling, eventual spallation and adhesive failure is provided by the residual stress and particularly the stress discontinuity at the interface.The

15、 origin of the high levels of residual stress is thermal expansion mismatch, particularly between the metallic zirconium and the polymeric epoxy.One way to reduce this is to insert a material with an intermediate expansion coefficient between the zirconium film and the epoxy undercoatCooper with 17*

16、10-6 K-1 expansion coefficient SEM micrograph of through-thickness cross section of coatings on aluminium substrate: (b) ZrCuepoxyThe SEM micrograph in Fig. 3 shows a cross section of the two layered film on the epoxy undercoat. The use of a copper interlayer between the zirconium and epoxy has succ

17、essfully overcome the cracking and adhesion problem.The topography of the PVD films is governed by that of the epoxy undercoat and demonstrate that a powder coating primer can enable a smooth PVD film on a rough substrateSurface finish of PVD filmsSEM micrographs of: (a) surface of as-received alumi

18、nium plate before coating,(b) surface of epoxy coating on aluminium and (c) surface of zirconiumcopper thinfilm on epoxy undercoat (at high magnification).The deposition of arc-evaporated zirconium films on epoxy powder coatings resulted in poor adhesion as a result of its high deposition rate and thermal expansion mismatchThe stress analysis predicted that applying an interlayer material of an inter