PVD和CVD

7.2 物理成膜

7.2.1 概述

1. 定义

利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。

2. 成膜方法与工艺

?真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延）

?溅射镀膜

?离子成膜

材料及试验方法

磁控溅射设备

溅射进样真空室

激光分子束外延设备Methods of film preparation include laser deposition, sputtering, MOCVD, and sol-gel techniques.

The composition and crystal structure of films depend on material quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-annealing.

Natural World “Atomic-World ”Target/evaporated source Substrate surface Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity , Contamination Vacuum

Cloud

Earth surface --ground

Natural rain

Snow

Hail

Thunder storm

Dust, Pollution

Environmental protection Cloud

target

substrate

原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟

7.2.2 真空蒸发镀膜

1. 工艺原理

真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：

1)蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由

固态或液态变成气态。

2)输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸

发源输运到衬底。

3)吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子

的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换

为主的过程。

工艺原理演示

2. 工艺方法

（1）对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。

1）电阻加热

?电阻作为蒸发源，通过电流

受热后蒸发成膜。

?使用的材料有：Al、W、

Mo、Nb、Ta及石墨等。

2）电子束加热

利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击欲蒸发的材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底材料表面。

3）高频感应加热

高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内臵材料升温，熔化成膜。

4）电弧加热

高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，移动阳电极尖端与阴极接触，阴极局部熔化发射热电子，再分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。

5）激光加热

非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料汽化成膜。常用CO2、Ar、YAG钕玻璃，红宝石等大功率激光器。

（2）对于化合物和合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。

1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）：

呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜的组分比例与合金相同。

2）多源蒸发：

组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。

3）反应蒸发：

真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属或低价化合物反应生成高价化合物。

4）三温度蒸发；

实际上是双源蒸发。对不同蒸气压元素，对蒸发温度，蒸发速率和衬底温度分别控制，在衬底表面沉积成膜。

5）热壁法：

利用加热的石英管（热壁），将

蒸发源蒸发出的分子或原子，输向衬

底成膜。是外延薄膜生长的发展。

6）分子束外延(MBE)

分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。

外延（epitaxial growth, epitaxy）

指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。

外延（Epitaxy）外延是指单晶衬底上形成单晶结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取向和衬底的晶体结构和取向有关。外延方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空蒸发外延法、溅射外延法等。

.

film

substrate

压应力张应力(拉应力) Commensurate Growth

同质外延（homoepitaxy）异质外延

（Heteroepitaxial Growth）

压应变（a

e > a s）同质外延（a e=a s）张应变（a e< a s ）

The presence of strain can modify the physical properties of epitaxial films.

The cause of strain is primarily the difference between the lattice spacing of substrate and film parallel the surface, or the “lattice mismatch”.

?

??

??????????????

??????????????????????? ????????Strain energy released

a f

a s >The strained film said: “We

are all tired enough, please

give us a break!”

Oh, it is more comfortable now, although a few of our colleagues are still suffering the pressure.应变能释放出现刃位错

The single ?said: “It is OK, my effort is to make all of you happy!”

Strain alter d spacings, while alter θvalues

原理：

在超高真空条件下，将各组

成元素的分子束流以一个个分

子的形式喷射到衬底表面，在

适当的温度下外延沉积成膜。

应用

目前MBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量子点，及3-5族化合物的半导体器件。

7）脉冲激光沉积(PLD)

利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材，使靶的局部在瞬间受高温汽化，在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化，并沉积到衬底的一种制膜方法。

2. 蒸镀用途

?适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的导电膜、光学镜头用增透膜。

?蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。

?镀纯金属时速度快，90%为铝膜。

?铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。

7.2.3 溅射镀膜（sputtering deposition）

溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。

1. 工艺原理

pvd和cvd是有区别的

CVD与PVD的区别及比较 2009年03月06日 17:17 www.elecfans.co 作者：本站用户评论（0） 关键字： CVD与PVD的区别及比较 (一)选材：化学蒸镀－装饰品、超硬合金、陶瓷物理蒸镀－高温回火之工、模具钢(二)蒸镀温度、时间及膜厚比较：化学蒸镀－1000℃附近，2~8小时，1~30μm(通常5~10μm)物理蒸镀－400~600℃，1~3小时，1~10μm (三) 物性比较：化学蒸镀皮膜之结合性良好，较复杂之形状及小孔隙都能蒸镀；唯若用于工、模具钢，因其蒸镀温度高于钢料之回火温度，故蒸镀后需重施予淬火－回火，不适用于具精密尺寸要求之工、模具。不需强度要求之装饰品、超硬合金、陶瓷等则无上述顾虑，故能适用。物理蒸镀皮膜之结合性较差，且背对金属蒸发源之处理组件会产生蒸镀不良现象；但其蒸镀温度可低于工、模具钢的高温回火温度，且其蒸镀后之变形甚微，故适用于经高温回火之精密工具、模具。 (4) 半导体制程概要－离子布植郑硕贤 4.1前言 在半导体组件工业中，常在半导体晶体中加入杂质以控制带电载子数目，来增加导电性。这种加入杂质的方法称为掺入杂质(Doping) 。 一般来说，掺入杂质的方法有两种： 1. 化学蒸镀法 2. 扩散法 3. 离子布植法 其中1、3两项在微电子组件工业中已普遍使用，这两种方法虽简易实用，但却牺牲了完整晶型的要求。如化学蒸镀法在较低温度下进行，则蒸镀层常为非晶质或是多晶质。离子布植则造成许多表面有许多点缺陷，甚至使表面层变成非晶质；因此一般均须经一道恢复完整晶格的退火处理，使表面层能回复晶型的样子。4.2原理 离子布植是将高能量带电粒子射入硅基晶中。离子进入硅靶材后，会和硅原子发生碰撞而逐渐损失能量；直到能量耗损殆尽，即停止在该深度。在与硅原子碰撞过程中，离子会传递部份能量给硅原子，若此能量大于硅和硅间的键结能量，则可使其产生位移而产生新的入射粒子；这新获得动能的粒子，也会与其它硅原子产生碰撞。这个连锁碰撞过程会随着不断进入的入射离子与碰撞所产生的移动粒子，因不断重新发生而继续进行，进而达到布植的效果。

PVD与CVD表面处理技术

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。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。 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

PVD和CVD涂层方法

. PVD和CVD涂层方法 涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。 前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。 近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。 涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已

发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接;. . 式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。 涂层成份又有哪些呢？各自的区别在哪里，应用面怎样。 通常使用的涂层有：TiC、TiN、Ti（C.N）、Gr7O3、Al2O3等。以上几种CVD的硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数，高的抗磨能力，高的抗接触疲劳能力，高的表面强度，保证表面具有足够的尺寸稳定性与基体之间有高的粘附强度。 PVD与CVD涂层工艺比较

PVD和CVD比较

PVD和CVD工艺和技术比较（以镀制刀具为例） （09材控2班潘杰学号：20090610250） 近半个世纪以来，作为最引人注目的表面处理工艺CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相沉积)和PVD(Physical Vapor Deposition 物理气相沉积)技术已在工、模具的表面硬化处理中逐步得到广泛应用。 现以镀制刀具为例，比较PVD和CVD工艺和技术。 1.原理比较 CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积)，指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。 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.工艺和设备比较 （1）工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别： 温度对于高速钢镀膜具有重大意义。CVD法的工艺温度超过了高速钢的回火温度，用CVD法镀制的刀具，必须进行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。镀后热处理会产生不容许的变形。 （2）CVD工艺对进入反应器刀具的清洁要求比PVD工艺低一些。 1.（3）刀具表面的CVD镀层（约7.5μm）比PVD镀层（约 2.5μm）

厚 （4）刀具CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些，相反，PVD镀膜如实地反映刀具的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽 （5）CVD与PVD的工艺过程： CVD 发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在反应器中的刀具，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。 相对而论，所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差，因此刀具背面和侧面的镀制效果不理想。PVD的反应器必须减少装载密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。在PVD反应器中，通常刀具要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。 (6) 工艺成本比较： 最初的设备投资PVD是CVD的3～4倍，而PVD工艺的生产周期是CVD的1/10。在CVD的一个操作循环中，可以对各式各样的工件进行处理，而PVD就受到很大限制。在两种工艺都可用的范围内，采用 PVD 要比 CVD 代价高。 （7）运行安全: PVD是一种完全没有污染的工序，有人称它为“绿色工程”。而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性、可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质，因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防范。

PVD和CVD涂层方法

PVD和CVD涂层方法 涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。 前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD 法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。 近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃ ~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为~，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。 涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接

式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。 涂层成份又有哪些呢各自的区别在哪里，应用面怎样。 通常使用的涂层有：TiC、TiN、Ti（）、Gr7O3、Al2O3等。以上几种CVD的硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数，高的抗磨能力，高的抗接触疲劳能力，高的表面强度，保证表面具有足够的尺寸稳定性与基体之间有高的粘附强度。 PVD与CVD涂层工艺比较

PVD和CVD

7.2 物理成膜 7.2.1 概述 1. 定义 利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。 2. 成膜方法与工艺 ?真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延） ?溅射镀膜 ?离子成膜

材料及试验方法 磁控溅射设备 溅射进样真空室 激光分子束外延设备Methods of film preparation include laser deposition, sputtering, MOCVD, and sol-gel techniques. The composition and crystal structure of films depend on material quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-annealing.

Natural World “Atomic-World ”Target/evaporated source Substrate surface Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity , Contamination Vacuum Cloud Earth surface --ground Natural rain Snow Hail Thunder storm Dust, Pollution Environmental protection Cloud target substrate 原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟

PVD和CVD涂层方法

涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。 前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD 法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。 近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD 法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为~，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。 涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。

涂层成份又有哪些呢各自的区别在哪里，应用面怎样。 通常使用的涂层有：TiC、TiN、Ti（）、Gr7O3、Al2O3等。以上几种CVD的硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数，高的抗磨能力，高的抗接触疲劳能力，高的表面强度，保证表面具有足够的尺寸稳定性与基体之间有高的粘附强度。 PVD与CVD涂层工艺比较 PVD与CVD涂层工艺比较