气相沉积和电镀

北京工业大学材料科学与工程学院College of Materials Science and Engineering, BJUT

材料表面工程

(第五章)

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第五章：表面工程技术5.1 电镀，化学镀 5.2 热喷涂 5.3 堆焊 5.4 高能束表面改性 5.5 气相沉积

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5.5.1 气相沉积概述气相沉积技术是近30年来迅速发展的表面技术，它利用 气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多 第七章 气相沉积技术 层薄膜，使材料或制品获得所需的各种优异性能。这项技术早期也被称为“干镀”,主要分 PVD 和 CVD : 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition ) 化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition)

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5.5.1 气相沉积概述负偏压

反应性气体 CH4

靶plasma

基片

基片

物理 气相沉积

化学 气相沉积

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CVD vs PVD The main difference is the resulting step profile of the

deposited film. A PVD film deposits straight down onto the surface. A CVD film deposits evenly on all surfaces at the same timeFilm Growth with CVD PVD

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5.5.1 气相沉积概述19世纪末，德国的Erlwein等利用CVD,在氢气的参与下，用挥发性的金属 化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯丝上形成TiC。

后来Arkel和Moers等又分别报道了在灯丝上用CVD制取高熔点碳化物工艺 试验的研究结果，直到1945年，CVD方法制备TiC的研究仍限于实验室，因 为当时人们认为该工艺反应温度高，镀层脆性大，易于开裂。1952年联邦德国金属公司冶金实验室发现在1000℃下，在铸铁表面也能得到 粘结很好的TiC镀层，从1954年起，他们又在模具表面也得到了致密、光滑、 粘结力良好的 TiC 镀层，井随之取得了联邦德国、美国、法国、瑞典及日本 等国的专利。 1966年联邦德国的克鲁伯公司申请得到镀硬质合金层的专利，约在同时，瑞 典的山特维克公司也开始了 TiC 镀层硬质合金的研究，并于1967年获得成功 。从1968-1969年，联邦德国和瑞典的 TiC 镀层刀片已先后投放世界市场。 到1970年，美国、日本、英国等硬质合金制造商也相继开始了镀层刀片的研 究与生产，美国TFS公司与联邦德国研制的 TiN 镀层刀片也相继问世。

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5.5.1 气相沉积概述到60年代末，CVD制备 TiC 及 TiN 硬膜技术已逐渐走向成 熟大规模用于镀层硬质合金刀片以及Cr12系列模具钢。目前 在发达国家中，刀片的 70%一80% 是带镀层使用的。 CVD的主要缺点是沉积温度高(900-1200℃),超过了许多 工模具的常规热处理

温度，因此镀覆之后还需进行二次热处 理，不仅引起基材的变形与开裂，也使镀层的性能下降。 大多数精密刀具都是高速钢制造的，这些刀具制造复杂，价 格昂贵，消耗贵金属，迫切需要延长使用寿命，因此推动了 物理气相沉积(PVD)硬膜技术的诞生与发展。

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5.5.1 气相沉积概述在 1963年D.M.Mattox 提出了离子镀技术，并于 1967年取得 了美国专利。

时隔两年，美国的 IBM 公司研制出射频溅射法，这两种技术与 蒸镀构成了 PVD 的三大系列。在这之后，又推出了磁控溅射离子镀、活性反应离子镀、集团 束离子镀等，与此同时，溅射技术也得到了迅速的发展，先后 出现了二极、三极、磁控和射频溅射等技术。

1972年美国加州大学 Bunshan 发明了活性反应蒸镀技术，1973 年前苏联又推出了多弧离子镀；与此同时，日本的村山洋一发 明了射频离子镀。一年之后。日本的小宫泽治将空心阴极放电 技术用于离子镀形成了目前广泛应用的空心阴极离子镀。

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5.5.1 气相沉积概述20世纪70年代，PVD 技术的崛起与 CVD 技术的提高，使得表面镀层 技术进人了全面的发展。在 PVD 技术发展的同时，中温CVD、低温 CVD和低压CVD也相继问世，目的在于降低沉积温度，减小界面脆性 相，降低反应气体用量，实现自动控制，提高镀层质量。 20世纪80年代气相沉积发展的主要特征是 PVD 沉积技术进一步完善 并扩大应用范围. 1978年，Hazle,Wood和 Iondnis 首次报道了用等离子激活气相化学 沉积(简称 PCVD)技术沉积 TiC ,发现沉积温度可降至500℃,其 特点是将辉光放电的物理过程和化学气相沉积相结合，因而具有PVD 的低温性和CVD的绕镀性和易于调整化学成分和结构的性能，它有可 能取代适合PVD和CVD工艺的某些镀膜范围。 1980年Archer利用PCVD技术的沉积出TiC,TiN与 TiCN 镀层,随后 中国、日本、美国、德国、韩国等多个小组都报道了PCVD沉积TiN 的研究结果。

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5.5.1 气相沉积概述80年代后期发展的新趋势是渗、镀结合的复合处理。常规镀层虽然硬 ，但由于基体软，重载下易变形，使镀层破碎。复合处理则在基体 中渗入碳、氮等可达数百微米厚，对表面薄膜(镀层)有足够的支 持强度。

渗入处理温度较高，为降低温度曾采用离子注入的方法。注入可在 100℃以下进行，但缺点是层浅，时间长，设备价格高且为直线性 ，欲多方位注入则生产率很低，因此离子注入长期未能得到生产应 用。 80年代以来发展的离 …… 此处隐藏：3727字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……