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先進表面工程技術發展前沿

文字:[大][中][小] 2015-5-30    瀏覽次數:2116    

摘要:先進表面工程技術是當代材料科技、真空科技與高科技的交叉領域和發展前沿,成為現代高新技術領域和先進制造業的重要前沿之一,在高性能防護涂層和功能薄膜方面應用廣泛。本文綜述了先進表面工程的發展趨勢、工藝過程及其新進展與當代科技架構的關系以及先進表面工程技術的產業化。文章最后強調指出,在先進表面工程技術中采用遠離平衡態鍍膜技術、等離子體技術、激光技術、納米技術等均取得了良好的應用效果。

關鍵詞:表面工程;技術;應用

中圖分類號:TB43 文獻標識碼:A 文章編號:1002-0322(2004)05-0001一06

1、先進的表面工程技術的若干走向

先進表面工程技術是當代材料科學技術、真空科技與高技術的重要交叉領域和發展前沿。先進表面工程技術在高性能防護涂層方面的應用,仍在繼續發展,成為現代高新技術領域和先進制造業的重要前沿之一;功能涂層和薄膜技術近年來發展迅速。以上趨勢一方面使防護涂層走向多功能化,既提高了產品的品位,同時還有利于降低成本,便利應用,增加產品的市場競爭能力。另一方面,又使表面工程技術逐步發展成為新型材料制備工藝,其中既有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,又有薄膜和微制造工藝,這后一類技術的特征尺寸還在不斷地向更低數值擴展。其結果是,微小特征尺度的先進表面工程技術正在逐步發展成為微/納技術的重要組成部分。在以上各方面,先進表面工程技術已在世界范圍內,為科技和經濟的發展作出了重要的貢獻。在我國,先進表面工程技術已成為趕超國際先進水平的重要前沿陣地。

2、先進表面工程的發展趨勢

按其工作原理,表面工程技術可分為以下四大類。

①原子沉積

是指通過形成原子分散狀態的物質來沉積所需表面層或薄膜的技術,包括了液相沉積和氣相沉積兩類。前者如電鍍、化學鍍、電泳、溶膠一凝膠等,而后者則有物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)三大類別。其中,PVD又分為蒸發、濺射和離子鍍三類;CVD則有熱CVD(TCVD)、金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)和等離子體增強CVD(PECVD)等。

②顆粒沉積

是指利用宏觀顆粒狀態的物質,沉積所需薄膜的方法。例如,熱噴涂、冷噴涂、靜電噴涂。

③整體復蓋

是指利用連續介質狀態的物質,形成所需薄膜的方法。如包鍍、熱浸、表面燒結。

④表面改性

是指通過對基體表面施加力學、物理和化學的作用,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、表面化學刻蝕、載能束表面刻蝕、表面應力控制、表面晶粒細化(納米化)、化學轉化層、離子滲氮(碳、碳氮)、滲鋁和硅鋁共滲、陽極化、磷化、硫化、氧化(發蘭)、表面輻照、離子注入等。

以上列出的是表面工程的全部類型,而本文關注的僅僅是其中作為高技術一部分的先進表面工程的發展動向。作為先進表面工程的事例,我們在分類里加入了不少新型工藝。看來,上述分類方法有利于我們抓住工藝原理和高新技術發展需求的核心點,因而至今仍是適當的。值得注意的是,是否屬于先進表面工程,并不是一成不變的。例如,液相沉積、液相化學刻蝕等“濕法技術”直到80年代初仍是集成電路微細加工技術的主流工藝,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”逐漸地,又是不可逆轉地變成了微細加工技術的主流工藝。同時,作為整個信息技術領域需要的配套,發展了一大批高性能高效率低成本的微/納米加工技術。其結果是,薄膜技術和刻蝕技術從整體上構成了當代微細加工技術的主體,并提供了向納米加工進軍的扎實可靠途徑。因而在當代先進表面工程技術中占有越來越重要的地位。先進表面工程內涵適應高新技術需求的不斷演變,正是它旺盛生命力的源泉。

近年來,越來越傾向于采用真空氣相沉積薄膜技術。其中,分子束外延、激光分子束外延(LMBE)、脈沖激光沉積(PLD)、超高真空化學氣相沉積(UVCVD)等,可提供極端條件,有利于了解規律性,以得出創新性強的結果。但是,極端條件一般不會是最佳的解決辦法。而直流磁控濺射(DCMS)、射頻磁控濺射(RFMS)、射頻化學氣相沉積(RFCVD)、中頻磁控濺射(MFMS)、脈沖偏壓電弧離子鍍(PBAIP)則屬于既提供遠離平衡態條件[1]又具有節能、環保等優良綜合性能,因而有可能逐步發展成更為常用的方法。

產業化的制備技術則要求全面滿足工業化長期穩定生產、高產率、節能、節材、環保、生態、物質循環、低成本等多方面的指標,目前常用的工業化生產技術有直流磁控濺射、中頻磁控濺射、脈沖偏壓電弧離子鍍、蒸發鍍、熱化學氣相沉積、等離子體化學氣相沉積等。真空氣相沉積的優點在于嚴格控制工藝條件,但也會提高產品成本。因此,目前人們已在開展大氣壓下的氣相沉積研究,并開始走向產業化。

3、工藝過程研究及其新進展

工藝是新材料的技術關鍵。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計預想的一致,從而判斷原始模型的正確性。真空及氣體放電物理和技術的采用,是作好表面工程技術的關鍵。具體說來,引入等離子體物理原理分析和綜合診斷技術(Langmuir探針、飛行質譜、吸收光譜,發光光譜、四極質譜等),有利于深化對于鍍膜過程等離子體微觀作用的認識,為工藝過程研究開辟新視野,并進一步發展成為宏觀與微觀相結合的過程設計。

當前,嚴格控制沉積粒子的粒度范圍,實現精密沉積,達到薄膜理想的高密度和原子量級的表面光潔度,已成為迫在眉睫的技術目標。在這種形勢下,王德真等人[2~6]關于脈沖等離子體鞘層中歸一化勢場分布的時間演變(圖1)、脈沖等離子體鞘層輪廓的時空演變(圖2)、鞘層中電子和離子密度的空間分布(圖3)、鞘層中俘獲塵埃的密度分布(圖4)等結果,揭示了等離子體/固體界面處的場分布特征和電磁場參數,對于微米亞微米塵埃動力學行為的規律性,對于去除等離子體刻蝕有害刻蝕產物和電弧離子鍍大顆粒技術途徑的探索,無疑是有啟發作用的。林國強等[7]的研究,則揭示了等離子體容抗負載的新特性,為選取合理的電路參數提供了依據。

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