电化学沉积薄制备技术--11

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1、1、电化学沉积薄制备技术、电化学沉积薄制备技术2、离子注入和离子束沉积制备技术、离子注入和离子束沉积制备技术3、激光表面处理、激光表面处理4、物理气相沉积、物理气相沉积5、化学气相沉积、化学气相沉积 6、外延生长法薄膜制备技术、外延生长法薄膜制备技术 电化学沉积技术是利用阳离子和阴离子在电场作用电化学沉积技术是利用阳离子和阴离子在电场作用下发生不同的氧化下发生不同的氧化还原反应而在基体材料上沉积出还原反应而在基体材料上沉积出指定的薄膜材料。它是一种典型的液态沉积技术。指定的薄膜材料。它是一种典型的液态沉积技术。其主要特点有：其主要特点有： 沉积过程温度低，镀层与基体间不存在残余热沉积过程温度低

2、，镀层与基体间不存在残余热 应力，界面结合好应力，界面结合好 可以在各种形状复杂的表面和多孔表面制备均可以在各种形状复杂的表面和多孔表面制备均 匀的薄膜匀的薄膜 镀层的厚度、化学组成、结构及孔隙率能够精镀层的厚度、化学组成、结构及孔隙率能够精 确控制确控制 设备简单，投资少设备简单，投资少离子注入（离子注入（Ion Implantation）和离子束沉积（）和离子束沉积（Ion Beam Deposition）是表面改性和膜制备的重要手段。）是表面改性和膜制备的重要手段。离子注入：离子注入：在真空中离化气体或固体蒸气源，引出离子束，将其加速到数在真空中离化气体或固体蒸气源，引出离子束，将其加速

3、到数 Kev或数百或数百Kev后，直接注入到靶室内的基材表面，形成一定后，直接注入到靶室内的基材表面，形成一定 浓度的离子注入层，改变表层的结构和组分，达到改善材料表浓度的离子注入层，改变表层的结构和组分，达到改善材料表 面结构和性能的目的。面结构和性能的目的。应用范围：应用范围：半导体功能材料、各种金属材料、陶瓷材料和聚合物材料半导体功能材料、各种金属材料、陶瓷材料和聚合物材料离子注入的主要物理参数包括：离子注入的主要物理参数包括： 能量：决定了注入离子在基体中能够达到的深度。能量：决定了注入离子在基体中能够达到的深度。 剂量：决定注入层的浓度。剂量：决定注入层的浓度。 剂量率：单位时间内样

4、品接受的注入剂量。剂量率：单位时间内样品接受的注入剂量。离子注入技术的主要特点包括：离子注入技术的主要特点包括： 几乎所有的元素都可以注入，不受固溶度的限制几乎所有的元素都可以注入，不受固溶度的限制 例如：例如：Cu-W合金合金 可以形成一般方法难以得到的非平衡结构与合金相可以形成一般方法难以得到的非平衡结构与合金相 例如：例如：Ni在钢中注入在钢中注入 处理温度低，保证处理部件不受热变形处理温度低，保证处理部件不受热变形 纯粹的表面处理技术，不改变材料内部组织和结构纯粹的表面处理技术，不改变材料内部组织和结构 采用微机控制，注入离子的浓度、深度和分布易于采用微机控制，注入离子的浓度、深度和分

5、布易于 控制和重复控制和重复 界面结合良好，界面层连续过渡。界面强度高界面结合良好，界面层连续过渡。界面强度高主要缺点：主要缺点： 注入层很薄，一般为数十埃到数千埃注入层很薄，一般为数十埃到数千埃 离子运动是直线运动，难以实现复杂构件的表面改性离子运动是直线运动，难以实现复杂构件的表面改性 设备费用较贵设备费用较贵离子注入技术的离子注入技术的主要应用包括：主要应用包括： 改善金属材料表改善金属材料表 面特性面特性 制备新的合金膜制备新的合金膜 材料材料 改善工具的表面改善工具的表面 性能性能 离子束沉积有两种工艺方式：离子束沉积有两种工艺方式： 一次离子束沉积和二次离子束沉积一次离子束沉积和二

6、次离子束沉积 它是将离子注入和薄膜沉积结合它是将离子注入和薄膜沉积结合在一起的表面改性新技术，一般是在在一起的表面改性新技术，一般是在基体材料上沉积薄膜的同时，用数十基体材料上沉积薄膜的同时，用数十ev到数到数kev能量的离子束进行轰击，能量的离子束进行轰击，利用沉积原子和注入离子间一系列的利用沉积原子和注入离子间一系列的物理和化学作用，在基体上形成具有物理和化学作用，在基体上形成具有特定性的化合物薄膜。特定性的化合物薄膜。离子束增强沉积主要特点是：离子束增强沉积主要特点是： 原子沉积和离子注入可以精确地独立调节，形成多种不同组份原子沉积和离子注入可以精确地独立调节，形成多种不同组份和结构的膜

7、和结构的膜 可以在较低的能量状态下，制备较厚的薄膜（可以在较低的能量状态下，制备较厚的薄膜（ m） 可以在常温下制备化合物薄膜材料，避免高温加热构件变形可以在常温下制备化合物薄膜材料，避免高温加热构件变形 基体与膜的界面结合良好基体与膜的界面结合良好 激光与材料相互作用时，根据激光辐照功率密度与持续时间的激光与材料相互作用时，根据激光辐照功率密度与持续时间的不同，可分为以下几个阶段：不同，可分为以下几个阶段： 激光辐照到材料表面；激光辐照到材料表面； 激光被材料吸引并转变成热能；激光被材料吸引并转变成热能； 表层材料受热升温，发生化学反应、固态相变、熔化甚表层材料受热升温，发生化学反应、固态相

8、变、熔化甚 至蒸发；至蒸发； 材料在激光作用后冷却，材料在激光作用后冷却，当激光辐照的功率密度与时间不变时，上述过程的进展情况取当激光辐照的功率密度与时间不变时，上述过程的进展情况取决于被处理材料的特性，例如：材料的反射率、密度、导热系决于被处理材料的特性，例如：材料的反射率、密度、导热系数、固态相变温度，熔化温度、蒸发温度、熔化比热与蒸发比数、固态相变温度，熔化温度、蒸发温度、熔化比热与蒸发比热等。热等。激光表面处理的目的激光表面处理的目的: 为提高材料表面硬度、强度、耐磨性为提高材料表面硬度、强度、耐磨性或耐腐蚀性等。或耐腐蚀性等。激光表面改性技术特点是：激光表面改性技术特点是：非接触处理

9、；输入热量少、热变形小；非接触处理；输入热量少、热变形小；可以局部加热，只处理必要部位；能量密度高，处理时间短，可以进行可以局部加热，只处理必要部位；能量密度高，处理时间短，可以进行在线加工；能精确控制处理条件，也容易实现计算机控制。在线加工；能精确控制处理条件，也容易实现计算机控制。激光表面改性装置系统激光表面改性装置系统 激光表面改性使用的装置，根据处理种类和工件不同而有差异，但激光表面改性使用的装置，根据处理种类和工件不同而有差异，但基本上都是由激光器、加工机床及其连接两者的激光束传输系统和聚光基本上都是由激光器、加工机床及其连接两者的激光束传输系统和聚光系统组成。系统组成。 激光器：激

10、光器：激光处理使用的激光器，主要有激光处理使用的激光器，主要有CO2激光器，激光器，CO激光器，受激准分子激光器，以及激光器，受激准分子激光器，以及YAG激光器等。激光器等。 多数情况使用多数情况使用CO2激光器，在特殊用途情况下使用激光器，在特殊用途情况下使用YAG和受激准分子激光器，和受激准分子激光器，CO2激光器容易获得的输出功率，而激光器容易获得的输出功率，而且效率高。输出功率目前在且效率高。输出功率目前在0.5 20KW之间，一般在之间，一般在5KW以下，可连续输出或脉冲输出。以下，可连续输出或脉冲输出。 YAG激光器在激光器在1KW以下使用，激光波长为以下使用，激光波长为1.06

11、m。 受激准分子激光器根据气体种类不同而波长不同，受激准分子激光器根据气体种类不同而波长不同，ArF、KrF、XeCl等都具有紫外线波段的波长，输出功率目前是等都具有紫外线波段的波长，输出功率目前是数数10W至至100W。(2) 光学系统：光学系统：激光表面改性加工采用不同的激光光学系统；激光表面改性加工采用不同的激光光学系统；最简单的是散焦法：最简单的是散焦法： 激光的聚光镜焦点与处理面不一致，用于激光的聚光镜焦点与处理面不一致，用于 局部淬火等。局部淬火等。第二种是集成反射法：第二种是集成反射法： 在凹面安装多个小反射镜，将激光束反在凹面安装多个小反射镜，将激光束反 射、聚集到一起，通常能