Технологія вакуумного покриття, скорочено PVD, це техніка, яка використовує фізичні методи для випаровування поверхні джерела матеріалу на атоми, молекули або іони в умовах вакууму та осадження тонкої плівки з певною спеціальною функцією на поверхні підкладки. Технологія покриття обладнання для вакуумного покриття в основному поділяється на три категорії: осадження з парової фази, напилення та іонне покриття. Існує три типи технології нанесення покриттів: резистентне випаровування, електронно-променеве випаровування та індукційне нагрівання.
Існують три основні напрямки технології нанесення покриттів у обладнанні для вакуумного нанесення покриттів: технологія нанесення покриттів випаровуванням, технологія іонного нанесення покриттів та обладнання для нанесення покриттів магнетронним розпиленням. Кожна технологія покриття має свої переваги та недоліки, а різні підкладки та мішені покриваються різними технологіями покриття.
Технологія стійкого випаровувального покриття використовує технологію випаровувального покриття джерела випаровування, яке зазвичай використовується для випаровування матеріалів з низькою температурою плавлення, таких як алюміній, золото, срібло, сульфід цинку, фторид магнію, триоксид хрому тощо; Нагрівальні резистори, як правило, виготовляються з вольфраму, молібдену, танталу тощо. Унікальні переваги, проста конструкція та низька вартість. Недолік: матеріал схильний реагувати з тиглем, впливаючи на чистоту тонкої плівки, і не може випаровувати тонкі діелектричні плівки з високою температурою плавлення; Низька швидкість випаровування.
Електронно-променеве напилення на основі резистивного випаровування — це технологія, яка використовує високошвидкісне нагрівання електронного променя для випаровування та випаровування матеріалів, а потім конденсує плівку на поверхні підкладки. Щільність енергії джерела тепла електронного променя може досягати 104-109 Вт/см2 і може досягати понад 3000 градусів. Він може випаровувати метали з високою температурою плавлення або діелектричні матеріали, такі як вольфрам, молібден, германій, SiO2, AL2O3 тощо.
Основний принцип електронно-променевого випаровування полягає в тому, що в середовищі високого вакууму електрони високої енергії, випущені електронною гарматою, бомбардують поверхню матеріалу мішені під дією електричних і магнітних полів, перетворюючи кінетичну енергію в теплову. Цільовий матеріал нагрівається, розплавляється або безпосередньо випаровується, утворюючи тонку плівку на поверхні підкладки.
Існує два типи джерел осадження з парової фази для нагрівання електронним променем: електронні гармати з прямою гарматою та електронні гармати електронного типу (також круглі). Електронний промінь випромінюється від джерела, фокусується та відхиляється котушкою магнітного поля, щоб бомбардувати та нагрівати матеріал плівки. Його перевагами є здатність випаровувати будь-який матеріал, висока чистота плівки, пряма дія на поверхню матеріалу, висока термічна ефективність. Недоліки електронних гармат включають складну структуру, високу вартість, легке розкладання сполук під час осадження та хімічний дисбаланс.
Випаровування з індукційним нагріванням — це технологія, яка використовує індукційне нагрівання високочастотним електромагнітним полем для пароутворення та випаровування матеріалів, конденсуючи їх у плівку на поверхні підкладки. Його переваги включають високу швидкість випаровування, яка може бути приблизно в 10 разів вищою, ніж у резистивного джерела випаровування. Температура джерела випаровування стабільна, що робить його менш схильним до бризок. Температура тигля низька, і матеріал тигля має менше забруднення мембрани. До його недоліків можна віднести необхідність екранування випарного пристрою, високу вартість і складне обладнання.
Хоча принципи цих трьох технологій нанесення покриття за допомогою випаровування для обладнання для вакуумного нанесення покриттів однакові, усі вони використовують високотемпературне випаровування для випаровування матеріалів для нанесення покриттів. Однак середовища, в яких вони застосовуються, відрізняються, а також різні вимоги до матеріалів покриття та підкладок.
Високочастотне випаровування з індукційним нагріванням — це процес розміщення тигля, що містить матеріал покриття, у центрі високочастотної спіральної котушки, що змушує матеріал покриття генерувати сильні вихрові струми та гістерезис під дією високочастотного електромагнітного поля, що призводить до при нагріванні шару плівки, поки він не випарується і не випарується. Джерело випаровування зазвичай складається з водоохолоджуваної високочастотної котушки та графітового або керамічного (оксид магнію, оксид алюмінію, оксид бору тощо) тигля. Джерело живлення високої частоти використовує частоту від 10000 до кількох сотень тисяч герц із споживаною потужністю від кількох до кількох сотень кіловат. Чим менший об’єм матеріалу мембрани, тим вища частота індукції. Індукційна котушка частоти зазвичай виготовляється з використанням мідних трубок з водяним охолодженням. Недоліком методу випаровування з індукційним нагріванням високої частоти є те, що непросто точно налаштувати вхідну потужність. Він має такі переваги:
1. Висока швидкість випаровування:
2. Температура джерела випаровування є рівномірною та стабільною, і нелегко виробляти розбризкування крапель покриття
3. Одноразове завантаження джерела випаровування, контроль температури відносно простий, а експлуатація проста.
Переваги технології магнетронного напилення покриттів полягають у наступному
1. Висока швидкість осадження. Завдяки використанню високошвидкісних магнетронних електродів можна отримати великий іонний струм, що ефективно покращує швидкість осадження та швидкість розпилення цього процесу покриття. У порівнянні з іншими процесами напилення покриттів, магнетронне напилення має високу виробничу потужність і продуктивність і широко використовується в різних промислових виробництвах.
2. Висока енергоефективність. Мішені для магнетронного розпилення зазвичай вибирають напругу в діапазоні 200 В -1000 В, зазвичай 600 В, оскільки напруга 600 В знаходиться в межах найвищого ефективного діапазону енергоефективності.
Низька енергія розпилення. Низька напруга, прикладена до мішені магнетрона, і магнітне поле обмежують плазму біля катода, що може запобігти падінню заряджених частинок високої енергії на підкладку.
3. Низька температура основи. Електрони, що утворюються під час анодного розряду, можна використовувати без необхідності заземлення опори підкладки, що може ефективно зменшити бомбардування підкладки електронами. Таким чином, температура підкладки є відносно низькою, що робить її дуже придатною для покриття деяких пластикових підкладок, які не дуже стійкі до високих температур.
Нерівномірне травлення на поверхні мішеней магнетронного розпилення. Нерівномірне травлення поверхні мішеней магнетронного розпилення спричинене нерівномірними магнітними полями мішені, що призводить до вищої швидкості травлення в локальних місцях мішені та нижчого коефіцієнта ефективного використання матеріалу мішені (лише 20% -30% коефіцієнта використання) . Тому, щоб підвищити коефіцієнт використання цільових матеріалів, необхідно змінити розподіл магнітного поля за допомогою певних засобів або використовувати магніти для переміщення в катоді, що також може покращити коефіцієнт використання цільових матеріалів.
4. Складена мішень. Можна виготовляти плівки зі сплаву з композитним цільовим покриттям. В даний час плівки зі сплаву Ta Ti, (Tb Dy) - Fe і Gb Co були успішно нанесені за допомогою технології композитного магнетронного напилення. Існує чотири типи структур для складених мішеней, а саме: круглі вбудовані цілі, квадратні вбудовані цілі, невеликі квадратні вбудовані цілі та віялоподібні вбудовані цілі. Серед них віялоподібна вбудована цільова структура має найкращий ефект використання.
5. Широкий спектр застосування. Процес магнетронного розпилення може осадити багато елементів, включаючи Ag, Au, C, Co, Cu, Fe, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Cr, Pd, Pt, Re, Rh, Si, Ta, Ti, Zr, SiO, AlO, GaAs, U, W, SnO тощо.
Технологія вакуумного іонного покриття
Технологія вакуумного іонного покриття(скорочено іонне покриття) було вперше розроблено D M. Mattox було запропоновано та впроваджено на практиці в 1963 році як технологія покриття, яка поєднує випаровування та напилення. Він заснований на іонному бомбардуванні, яке нагріває покритий матеріал або деталь до розплавленого стану, і використовує високоенергетичне іонне бомбардування для осадження хімічно нанесених тонких плівок металу або напівпровідника на поверхню підкладки, отримуючи таким чином тонкі плівки зі специфічною структурою та властивостями.
Процес іонного покриття полягає в з’єднанні джерела випаровування з анодом і заготовки з катодом. При подачі постійного струму високої напруги від трьох до п'яти тисяч вольт між джерелом випаровування і деталлю виникає дуговий розряд. Завдяки інертному газу аргону, заповненому вакуумним кожухом, частина газу аргону іонізується під дією електричного поля розряду, утворюючи темну зону плазми навколо катодної заготовки. Позитивно заряджені іони аргону притягуються негативною високою напругою катода та посилено бомбардують поверхню заготовки, спричиняючи розбризкування та викидання частинок і бруду на поверхню заготовки, таким чином дозволяючи поверхню заготовки бути пошкодженою. повністю очищений іонним бомбардуванням. Згодом підключається джерело живлення змінного струму джерела випаровування, і частинки випареного матеріалу плавляться та випаровуються, потрапляючи в зону тліючого розряду та іонізуючись. Позитивно заряджені іони випаровуваного матеріалу, притягнуті катодом, спрямовуються до заготовки разом з іонами аргону. Коли кількість іонів випаровуваного матеріалу, що осідають на поверхні заготовки, перевищує кількість розбризкуваних іонів, вони поступово накопичуються, утворюючи міцно зчеплене покриття на поверхні заготовки.
Структура покриття іонного покриття щільна, без точкових отворів, бульбашок і рівномірної товщини. Цей метод дуже підходить для покриття деталей з внутрішніми отворами, канавками та вузькими щілинами, які важко покрити іншими методами, і не утворює металевих вузликів. Завдяки своїй здатності відновлювати невеликі тріщини та дефекти, такі як ямки на поверхні заготовки, цей процес може ефективно покращити якість поверхні та фізико-механічні властивості деталей із покриттям. Випробування на втому показали, що за умови належного поводження термін служби заготовки на втому може бути збільшений на 20–30% порівняно з періодом до покриття.
Характеристики вакуумного іонного покриття
Порівняно з випаровуванням і напиленням іонне покриття має такі характеристики:
(1) Хороша адгезія покриття
Під час звичайного вакуумного покриття майже немає перехідного шару, що з'єднує поверхню заготовки та покриття. Під час іонного покриття, коли іони бомбардують заготовку на високій швидкості, вони можуть проникати через поверхню заготовки та утворювати дифузійний шар, глибоко імплантований у підкладку. Глибина дифузії іонного покриття може досягати чотирьох-п'яти мікрометрів. На ранній стадії нанесення покриття співіснують розпилення та осадження, і на межі розділу між плівкою та підкладкою може бути сформований перехідний шар або змішаний шар плівки та підкладки, який називається псевдодифузійним шаром, який може ефективно покращити адгезію. шару плівки.
(2) Сильна здатність до покриття
Під час іонного покриття частинки випареного матеріалу рухаються вздовж напрямку електричного поля у вигляді заряджених іонів. Таким чином, скрізь, де є електричне поле, можна отримати якісне покриття, яке значно перевершує звичайне вакуумне покриття, яке може отримати покриття лише в прямому напрямку. Таким чином, цей метод дуже підходить для ділянок на деталях із гальванічним покриттям, які важко обробити іншими методами, таких як внутрішні отвори, канавки та вузькі щілини.
(3) Гарна якість покриття
Покриття іонного покриття має щільну структуру, відсутність дірочок, бульбашок, рівномірну товщину. Навіть краї та канавки можуть бути рівномірно покриті, а такі деталі, як нитки, також можуть бути покриті високою твердістю, високою зносостійкістю (низьким коефіцієнтом тертя), хорошою стійкістю до корозії та хімічною стабільністю, що призводить до довшого терміну служби шару плівки; У той же час плівковий шар дозволяє істотно поліпшити зовнішній вигляд і декоративні характеристики заготовки.
(4) Спростити процес очищення
Більшість існуючих процесів нанесення покриттів вимагають попереднього ретельного очищення заготовки, і процес є відносно відповідальним. Під час процесу іонного покриття велика кількість високоенергетичних частинок, утворених тліючим розрядом, використовується для створення ефекту катодного розпилення на поверхні, який очищає газ і масло, адсорбовані на поверхні підкладки шляхом розпилення, очищаючи поверхню підкладки до тих пір, поки завершено весь процес покриття, що спрощує багато робіт з очищення перед нанесенням покриття.
(5) Широко доступні покриті матеріали
Іонне покриття — це процес використання високоенергетичних іонів для бомбардування поверхні заготовки, перетворюючи велику кількість електричної енергії в теплову енергію на поверхні заготовки, тим самим сприяючи дифузії та хімічним реакціям у поверхневій тканині та заготовці. не піддається впливу високих температур. Таким чином, цей процес покриття має широкий спектр застосувань і менш обмежений. Зазвичай можна покривати різні метали, сплави, а також певні синтетичні матеріали, ізоляційні матеріали, термочутливі матеріали та матеріали з високою температурою плавлення. Металеві заготовки можуть бути покриті неметалами або металами, а також металами або неметалами, і навіть пластмасами, гумою, кварцом, керамікою тощо.
Класифікація вакуумно-іонного покриття
Існують різні комбінації методів іонізації та збудження для різних джерел випаровування та атомів, що призвело до появи багатьох методів іонного покриття джерела випаровування. Загальні методи включають розпилення іонного покриття та іонне покриття на основі випаровування на основі отримання мембранних частинок.
1. Іонне покриття типу розпилення
За допомогою іонів високої енергії для розпилення поверхні матеріалу мембрани утворюються металеві частинки. Частинки металу іонізуються в іони металу в газорозрядному просторі, і вони досягають підкладки під негативним зміщенням, щоб осісти й утворити плівку.
Випарювальне іонне покриття
Нагрівання матеріалу покриття за допомогою різних способів нагрівання для випаровування та отримання пари металу, який потім вводиться в газорозрядний простір, збуджений різними способами для іонізації в іони металу. Ці іони досягають підкладки під негативним зміщенням і осідають у плівці.
Серед них випарювальне іонне покриття можна розділити на двоступінчасте іонне покриття постійним струмом, іонне покриття з порожнистим катодом, електродугове іонне покриття гарячим дротом та електродугове іонне покриття відповідно до різних принципів розряду. Вторинне іонне покриття постійним струмом - це стабільний тліючий розряд; Іонне покриття порожнистим катодом і електродугове покриття гарячим дротом є термічними дуговими розрядами, і причину генерації електронів можна просто підсумувати як теплову емісію електронів за межі ядра внаслідок нагрівання металевих матеріалів до високих температур; Розрядний тип катодно-дугового іонного покриття відрізняється від попередніх типів іонного покриття, і він використовує холодний дуговий розряд.
(1) Іонне покриття з порожнистим катодом (HCD)
Використання розряду з порожнистим гарячим катодом для створення плазмового електронного пучка. Характеристики іонного покриття з порожнистим катодом: ① Гармата з порожнистим катодом HCD є одночасно джерелом тепла для газифікації мембранного матеріалу та джерелом іонізації для випарених частинок, а метод іонізації полягає у використанні зіткнення електронного променя низького тиску; ② Використовуючи напругу прискорення в діапазоні від 0В до кількох сотень вольт, іонізація та прискорення іонів працюють незалежно. Може добре виконувати реактивне іонне покриття; ④ Підвищення температури підкладки невелике, і підкладку все ще потрібно нагрівати під час нанесення покриття; ⑤ Висока ефективність іонізації, велика пляма електронного променя, і може бути нанесено на різні плівки.
(2) Катодно-дугове іонне покриття
Катодно-дугове іонне покриття є кульмінацією основної технології іонного покриття, яка використовує холодний дуговий розряд і має найвищий рівень іонізації частинок серед багатьох технологій PVD-покриття.
