《先進(jìn)表面工程技術(shù)》PPT課件.ppt

《《先進(jìn)表面工程技術(shù)》PPT課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《先進(jìn)表面工程技術(shù)》PPT課件.ppt（44頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、先進(jìn)表面工程技術(shù)發(fā)展前沿概述 先進(jìn)表面工程技術(shù)先進(jìn)表面工程技術(shù)是當(dāng)代材料科技、真空科技與高科技的交叉領(lǐng)域和發(fā)展前沿，成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域和先進(jìn)制造業(yè)的重要前沿之一，在高性能防護(hù)涂層和功能薄膜方面應(yīng)用廣泛。先進(jìn)表面工程的發(fā)展趨勢、工藝過程及其新進(jìn)展與當(dāng)代科技架構(gòu)的關(guān)系以及先進(jìn)表面工程技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。在先進(jìn)表面工程技術(shù)中采用遠(yuǎn)離平衡態(tài)鍍膜技術(shù)、等離子體技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)等均取得了良好的應(yīng)用效果。 主要內(nèi)容1. 先進(jìn)的表面工程技術(shù)的若干走向；2. 先進(jìn)表面工程的發(fā)展趨勢；3. 工藝過程研究及其新進(jìn)展；4. 當(dāng)代科技架構(gòu)和納米科技；5. 先進(jìn)表面工程技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化；6. 先進(jìn)表面工程技術(shù)的發(fā)展前沿。

2、 1 先進(jìn)的表面工程技術(shù)的若干走向 和近年來發(fā)展迅速先進(jìn)表面工程技術(shù)是當(dāng)代材料科學(xué)技術(shù)、真空科技與高技術(shù)的重要交叉領(lǐng)域和發(fā)展前沿。先進(jìn)表面工程技術(shù)在方面的應(yīng)用，仍在繼續(xù)發(fā)展，成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域和先進(jìn)制造業(yè)的重要前沿之一。 新型材料制備工藝作為體材料的制備工藝：如電鑄成型、氣相沉積特種材料（熱解石墨、六方氮化硼、碳化硅）、噴射成型等，薄膜和微制造工藝：特征尺寸還在不斷地向更低數(shù)值擴(kuò)展。微小特征尺度的先進(jìn)表面工程技術(shù)正在逐步發(fā)展成為微納技術(shù)的重要組成部分。 2. 先進(jìn)表面工程的發(fā)展趨勢 原子沉積指通過形成原子分散狀態(tài)的物質(zhì)來沉積所需表面層或薄膜的技術(shù)：液相沉積：如電鍍、化學(xué)鍍、電泳、溶膠一凝膠等

3、；氣相沉積：物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)三大類別。 PVD：蒸發(fā)、濺射和離子鍍?nèi)悾?CVD：熱CVD(TCVD)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)等。 顆粒沉積是指利用宏觀顆粒狀態(tài)的物質(zhì)，沉積所需薄膜的方法。熱噴涂、冷噴涂、靜電噴涂。 整體復(fù)蓋是指利用連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)的物質(zhì)，形成所需薄膜的方法。如包鍍、熱浸、表面燒結(jié)。 表面改性是指通過對基體表面施加力學(xué)、物理和化學(xué)的作用，直接形成所需特性的表面層。例如，表面研磨、表面拋光、表面粗化、表面噴丸、表面滾花、表面化學(xué)刻蝕、載能束表面刻蝕、表面應(yīng)力控制、表面晶粒細(xì)化(納米

4、化)、化學(xué)轉(zhuǎn)化層、離子滲氮(碳、碳氮)、滲鋁和硅鋁共滲、陽極化、磷化、硫化、氧化(發(fā)蘭)、表面輻照、離子注入等。 是否屬于先進(jìn)表面工程，并不是一成不變的液相沉積、液相化學(xué)刻蝕等“濕法技術(shù)”直到80年代初仍是集成電路微細(xì)加工技術(shù)的主流工藝，而到了90年代，隨著集成電路特征尺寸接近和進(jìn)入納米范圍，氣相沉積、等離子體刻蝕、載能束刻蝕等“干法技術(shù)”逐漸地，又是不可逆轉(zhuǎn)地變成了微細(xì)加工技術(shù)的主流工藝。作為整個信息技術(shù)領(lǐng)域需要的配套，發(fā)展了一大批高性能高效率低成本的微納米加工技術(shù)。薄膜技術(shù)和刻蝕技術(shù)從整體上構(gòu)成了當(dāng)代微細(xì)加工技術(shù)的主體，并提供了向納米加工進(jìn)軍的扎實可靠途徑。 越來越傾向于采用真空氣相沉積薄

5、膜技術(shù)分子束外延、激光分子束外延(LMBE)、脈沖激光沉積(PLD)、超高真空化學(xué)氣相沉積(UVCVD)等，可提供極端條件，有利于了解規(guī)律性，以得出創(chuàng)新性強(qiáng)的結(jié)果。 既提供遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件，又具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)良綜合性能直流磁控濺射(DCMS)、射頻磁控濺射(RFMS)、射頻化學(xué)氣相沉積(RFCVD)、中頻磁控濺射(MFMS)、脈沖偏壓電弧離子鍍(PBAIP)。 因而有可能逐步發(fā)展成更為常用的方法。 產(chǎn)業(yè)化的制備技術(shù)則要求全面滿足工業(yè)化長期穩(wěn)定生產(chǎn)、高產(chǎn)率、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、生態(tài)、物質(zhì)循環(huán)、低成本等多方面的指標(biāo)；目前常用的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)有直流磁控濺射、中頻磁控濺射、脈沖偏壓電弧離子鍍、蒸發(fā)鍍、熱

6、化學(xué)氣相沉積、等離子體化學(xué)氣相沉積等。真空氣相沉積的優(yōu)點在于嚴(yán)格控制工藝條件，但也會提高產(chǎn)品成本。因此，目前人們已在開展大氣壓下的氣相沉積研究，并開始走向產(chǎn)業(yè)化。 3 工藝過程研究及其新進(jìn)展 工藝是新材料的技術(shù)關(guān)鍵在工藝研究中，首要的問題是深入研究其原理，檢驗看其是否與過程設(shè)計預(yù)想的一致，從而判斷原始模型的正確性。真空及氣體放電物理和技術(shù)的采用，是作好表面工程技術(shù)的關(guān)鍵。具體說來，引入等離子體物理原理分析和綜合診斷技術(shù)，有利于深化對于鍍膜過程等離子體微觀作用的認(rèn)識，為工藝過程研究開辟新視野，并進(jìn)一步發(fā)展成為宏觀與微觀相結(jié)合的過程設(shè)計。 嚴(yán)格控制沉積粒子的粒度范圍,實現(xiàn)精密沉積 達(dá)到薄膜理想的高

7、密度和原子量級的表面光潔度，已成為迫在眉睫的技術(shù)目標(biāo)。脈沖等離子體鞘層中歸一化勢場分布的時間演變、脈沖等離子體鞘層輪廓的時空演變、鞘層中電子和離子密度的空間分布、鞘層中俘獲塵埃的密度分布等。 揭示了等離子體固體界面處的場分布特征和電磁場參數(shù)，對于微米亞微米塵埃動力學(xué)行為的規(guī)律性，對于去除等離子體刻蝕有害刻蝕產(chǎn)物和電弧離子鍍大顆粒技術(shù)途徑的探索，無疑是有啟發(fā)作用的。 揭示了等離子體容抗負(fù)載的新特性，為選取合理的電路參數(shù)提供了依據(jù)。 4 當(dāng)代科技架構(gòu)和納米科技 先進(jìn)表面工程與三大前沿領(lǐng)域近年來，當(dāng)代科技架構(gòu)發(fā)生了巨大變化，首先，出現(xiàn)了三大前沿領(lǐng)域 (信息技術(shù)，IT；生物技術(shù)，BT；納米科技，NT)

8、，這是其第一層次。下一個層次是高新技術(shù)，其中包括航天、航空、新能源、新材料、環(huán)保和物質(zhì)循環(huán)等領(lǐng)域。第三個層次是傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)，目前正處于急劇走向現(xiàn)代化的演變之中。 三大前沿是當(dāng)代科技的戰(zhàn)略發(fā)展方向首先，信息、生物和納米科技已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的密集源頭，其中生物產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入高速增長期。 三大前沿領(lǐng)域和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將為新經(jīng)濟(jì)造就其物質(zhì)基礎(chǔ)三大前沿和當(dāng)代高科技產(chǎn)業(yè)的一個引人注目特點是，其民用產(chǎn)品正在占有越來越大的份額，這意味著世界和平具有了越來越強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，形成了與5060年代尖端技術(shù)鮮明的對比。另一方面，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造提升，為三大前沿及高新技術(shù)領(lǐng)域，提供了前所未有的巨

9、大發(fā)展空間。 納米科技是信息技術(shù)和生命科學(xué)的技術(shù)支撐納米尺寸效應(yīng)：物質(zhì)的本構(gòu)特性變成與其特征尺寸相關(guān)，稱為本構(gòu)特性的尺寸效應(yīng)；當(dāng)特征尺寸等于一定的特征長度時，出現(xiàn)新的物理和化學(xué)機(jī)制，稱為物理和化學(xué)機(jī)制的尺寸效應(yīng)。 尺寸效應(yīng)與低維性當(dāng)特征尺寸進(jìn)入納米尺度范圍時，物質(zhì)顯示其低維性的具體表現(xiàn)。人們通常所說的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)等，均可納入此兩類型的范圍中。值得注意的是，尺寸效應(yīng)既有經(jīng)典效應(yīng)，也有量子效應(yīng)，兩者都起作用，都很重要，對其研究不可偏廢。 低維組元把具有上述尺寸效應(yīng)特征的物質(zhì)稱為低維組元，納米厚度的薄膜為二維組元，納米纖維為一維組元，納米粒子為零維組元。由低維組元構(gòu)成，并能全部或部分保持有用低

10、維性的穩(wěn)定低維組元集團(tuán)，稱為納米結(jié)構(gòu)。 納米薄膜技術(shù)納米薄膜技術(shù)的突出特點是其特征尺寸較納米纖維及納米粒子容易控制，因而成為制備納米結(jié)構(gòu)較有效的途徑。目前，納米薄膜技術(shù)已發(fā)展成納米科技重要組成部分，開始為信息、生物、微電子、航天、航空、新能源、新材料等其它前沿及高新技術(shù)領(lǐng)域服務(wù)；為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造服務(wù)，為推進(jìn)納米科技的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。 納米科技原理從60年代末以來，納米薄膜、納米纖維、納米粒子和各種納米結(jié)構(gòu)的研究持續(xù)不斷，直到今天，并逐步建立起納米結(jié)構(gòu)的普遍性原理框架和各種特殊性原理理論，形成了作為納米科技基礎(chǔ)第一部分的納米科技原理。 納米科技基礎(chǔ)與原理研究平行，還逐步形成了納米科技基礎(chǔ)的其它

11、兩個組成部分：納米制造技術(shù)和納米測試技術(shù)。整個納米科技是由納米科技基礎(chǔ)、納米應(yīng)用科技、納米科技在其它科技領(lǐng)域中的應(yīng)用三大部分構(gòu)成。由納米科技原理納米制備技術(shù)和納米測試技術(shù)構(gòu)成的納米科技基礎(chǔ)，決定了納米科技整體的發(fā)展水平，因而是納米科技的核心部分。 5 先進(jìn)表面工程技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化 先進(jìn)表面工程事例塑料薄膜或紙張基片上鍍鋁制成的薄膜電容器；新型復(fù)合包裝材料；老式鍍膜幕墻玻璃；高效太陽能薄膜集熱器； TiN系(包括Ti(c，N)、TiC等高硬膜，(Ti，Al)N等抗高溫氧化膜，CrN耐磨耐蝕膜，ZrN高溫高強(qiáng)膜及其多層復(fù)合涂層)耐磨涂層刀具、模具和量具；液晶顯示器用ITO透明導(dǎo)電膜。 正在和即將實現(xiàn)高

12、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的事例薄膜型電阻、電容、電感；背投電視光反射膜、過濾膜系列；磁盤、光盤、磁頭的功能膜和防護(hù)膜；燃?xì)廨啓C(jī)葉片MCrAlY系抗熱腐蝕涂層；等離子體顯示器MgO功能涂層；自清潔玻璃；光催化殺菌消毒薄膜；塑料容器高阻隔性薄膜；新式鍍膜幕墻玻璃(吸收紫外，反射紅外，透光)。 有待進(jìn)一步研究的先進(jìn)表面工程技術(shù)事例低介電常數(shù)基片；高熱導(dǎo)率基片；用途更廣的新一代ZnO基透明導(dǎo)電膜；新一代鐵電存儲器；高耐熱高絕緣高導(dǎo)熱封裝薄膜；更高記錄密度的薄膜磁頭，其磁頭起飛高度由25nm進(jìn)一步降到15nm，需采用新的磁記錄功能膜和磁記錄、耐磨損兩種功能一體化的磁記錄功能膜材料； 有待進(jìn)一步研究的先進(jìn)表面工程技術(shù)

13、事例渦輪軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)鈦合金葉輪抗沙塵沖蝕涂層；高效率低成本薄膜太陽能電池；柔性(全薄膜化)顯示器；燃?xì)廨啓C(jī)葉片熱障涂層；光催化環(huán)境凈化膜；光催化太陽能分解水制氫；高性能、高質(zhì)量、高效率、低成本刻蝕技術(shù)和裝備。 6 先進(jìn)表面工程技術(shù)的發(fā)展前沿 6.1 離子鍍高性能耐磨涂層 作為離子鍍高性能耐磨涂層的一種類型，TiN系多層硬質(zhì)膜正在向納米多層膜發(fā)展，其中包括TiNTi(C，N)納米多層膜；TiN(Ti，A1)N納米多層膜，TiNCrN納米多層膜，TiTiN納米多層膜，TiTi(C，N)納米多層膜Ti(Ti，Al)N納米多層膜，TiCrN納米多層膜。另一種類型是碳系硬質(zhì)膜及其復(fù)合涂層，包括DLC(

14、或ta-C)膜、CNx膜、碳系多層復(fù)合涂層。第三種類型則是TiN系膜與碳系硬質(zhì)膜的雜化復(fù)合涂層。 涂層制備工藝在涂層材料改進(jìn)的同時，涂層制備工藝也取得了進(jìn)展，其中較為突出的是，脈沖偏壓在AlP上的采用，導(dǎo)致了PBAIP過程的遠(yuǎn)離平衡態(tài)特性，有利于提高涂層結(jié)合強(qiáng)度，降低內(nèi)應(yīng)力。但是，這方面的深入研究還有待今后的繼續(xù)。 6.2 燃?xì)廨啓C(jī)葉片先進(jìn)防護(hù)涂層 現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)效率取決于其工作溫度，由于高溫合金的使用溫度已接近其使用溫度極限，采用抗熱腐蝕、熱障涂層已成為提高燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度的關(guān)鍵性措施，是否采用防護(hù)涂層，所用防護(hù)涂層的水平如何，也就成為評價現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計水平的重要判據(jù)之一。 熱障涂層由粘結(jié)底

15、層(通常為MCrAlY)和隔熱表層(通常為ZrO2)構(gòu)成。熱障層與底層的組成、結(jié)構(gòu)和工藝，目前還在不斷改進(jìn)和更新?lián)Q代中。根據(jù)中國的現(xiàn)實情況，MCrAlY既用作熱障涂層的粘結(jié)底層，更多是單獨用作抗熱腐蝕涂層。 立方氮化硼(c-BN)膜立方氮化硼(c-BN)膜的優(yōu)異特性與金剛石膜相近，加上還具有優(yōu)異的耐腐蝕特性，其吸引力不遜于金剛石膜。盡管如此，其產(chǎn)業(yè)化還是長期未能成功。據(jù)了解，存在的主要問題是產(chǎn)物中的非c-BN成分含量過高，且難去除。六方氮化硼(h-BN)也是一種性能優(yōu)越的材料，雖然早已能夠小批量生產(chǎn)，但其成本一直居高不下，影響了其廣泛應(yīng)用。 6.3 特種薄膜材料的合成 經(jīng)過了8090年代的努力

16、，氣相生長金剛石始終未能實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，其主要問題在于一直未能兼顧產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)速率高和生產(chǎn)成本低的產(chǎn)業(yè)化基本要求。類金剛石(DLC)膜，卻因為人們在其氫含量、sp3鍵含量以及與薄膜性能關(guān)系等三方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，揭示了新苗頭。四方非晶碳(ta-Carbon)膜的研究有可能在不遠(yuǎn)的將來，在力學(xué)性能、功能特性、產(chǎn)業(yè)化等方面都取得新突破。 SiC、 GaN、 AlN膜 SiC膜具有優(yōu)越的高溫電子學(xué)性能，90年代以來，SiC膜在硅片上的外延已成功，并實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，但價格十分昂貴，影響了其廣泛應(yīng)用。 GaN膜顯示了性能上的優(yōu)越性，但價格昂貴和毒性始終是其擴(kuò)大應(yīng)用的障礙。 AlN膜的禁帶寬

17、度高達(dá)6.2 eV，是良好的絕緣材料。通過摻雜及其它途徑，可適當(dāng)降低禁帶寬度，便于制作器件，有很大的應(yīng)用潛力，但目前尚未得到足夠的重視。 6.4 微納信息功能薄膜、器件和線路 納米多層信息功能膜、器件和線路是當(dāng)前發(fā)展最迅速的前沿領(lǐng)域之一，其應(yīng)用面十分廣闊，包括處理器、顯示器、存儲器、傳感器、線路板等。低介電常數(shù)膜、高介電常數(shù)膜、低比輻射率膜、太陽光譜高比輻射率膜、光伏膜、存儲膜、透明導(dǎo)電膜、敏感膜、發(fā)光膜等方面均取得了進(jìn)展。圖形刻蝕技術(shù)、驅(qū)動電路、驅(qū)動軟件、封裝越來越普及。 6.5 遠(yuǎn)離平衡態(tài)鍍膜技術(shù) 遠(yuǎn)離平衡態(tài)是這類工藝的共同的熱力學(xué)特征。其優(yōu)點是高的能量密度與低的總功耗、低的沉積溫度、低的內(nèi)應(yīng)力、良好的界面結(jié)合、有利于提高成品率，減少浪費。 7 結(jié)束語 在近年來先進(jìn)表面工程技術(shù)發(fā)展中，采用遠(yuǎn)離平衡態(tài)鍍膜技術(shù)、等離子體技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)等均取得了良好的應(yīng)用效果，也證明了基礎(chǔ)研究對于推動前沿和高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要性。先進(jìn)表面工程技術(shù)的應(yīng)用面越來越廣，從人民生活到國民經(jīng)濟(jì)，從高新技術(shù)到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)了節(jié)能、節(jié)材、降低成本、環(huán)?；?、生態(tài)化、小型化、微型化、輕量化、便攜化。用先進(jìn)表面工程技術(shù)，迅速大量形成了規(guī)?；母咝录夹g(shù)產(chǎn)業(yè)，對經(jīng)濟(jì)起了巨大的推動作用。