Vakuumbeleggteknologi, forkortet PVD, er en teknikk som bruker fysiske metoder for å fordampe overflaten av en materialkilde til atomer, molekyler eller ioner under vakuumforhold, og avsette en tynn film med en viss spesiell funksjon på underlagets overflate. Beleggingsteknologien til vakuumbeleggingsutstyr er hovedsakelig delt inn i tre kategorier: dampavsetning, sputtering og ionebelegg. Det er tre typer fordampningsbeleggteknologi: motstandsfordampning, elektronstrålefordampning og induksjonsoppvarmingsfordampning.
Det er tre hovedretninger for beleggingsteknologi i vakuumbeleggingsutstyr: fordampningsbeleggingsteknologi, ionbeleggingsteknologi og magnetronforstøvningsbeleggutstyr. Hver belegningsteknologi har sine egne fordeler og ulemper, og forskjellige substrater og mål er belagt med forskjellige belegningsteknologier.
Motstandsfordampningsbeleggteknologi bruker fordampningsbeleggteknologien til motstandsoppvarmingsfordampningskilden, som vanligvis brukes til å fordampe materialer med lavt smeltepunkt som aluminium, gull, sølv, sinksulfid, magnesiumfluorid, kromtrioksid, etc; Varmemotstander er vanligvis laget av wolfram, molybden, tantal, etc. Unike fordeler, enkel struktur og lav pris. Ulempe: Materialet er tilbøyelig til å reagere med digelen, noe som påvirker renheten til den tynne filmen, og kan ikke fordampe dielektriske tynne filmer med høyt smeltepunkt; Lav fordampningshastighet.
Motstandsfordampningsbelegg elektronstrålefordampning er en teknologi som bruker høyhastighets elektronstråleoppvarming for å fordampe og fordampe materialer, og deretter kondenseres til en film på overflaten av et substrat. Energitettheten til elektronstrålevarmekilden kan nå 104-109w/cm2, og kan nå over 3000 grader . Det kan fordampe metaller med høyt smeltepunkt eller dielektriske materialer som wolfram, molybden, germanium, SiO2, AL2O3, etc.
Hovedprinsippet for elektronstrålefordampning er at høyenergielektroner som sendes ut av en elektronpistol bombarderer overflaten til et målmateriale under påvirkning av elektriske og magnetiske felt, og konverterer kinetisk energi til termisk energi i et miljø med høyt vakuum. Målmaterialet varmes opp, blir smeltet eller fordamper direkte, og legger en tynn film på underlagets overflate.
Det finnes to typer dampavsetningskilder for oppvarming av elektronstråler: elektronkanoner med rett pistol og elektronkanoner av e-type (også sirkulære). Elektronstrålen sendes ut fra kilden og fokuseres og avledes av en magnetfeltspole for å bombardere og varme filmmaterialet. Dens fordeler inkluderer evnen til å fordampe ethvert materiale, høy renhet av filmen, direkte virkning på overflaten av materialet og høy termisk effektivitet. Ulemper med elektronkanoner inkluderer kompleks struktur, høye kostnader, enkel dekomponering av forbindelser under avsetning og kjemisk ubalanse.
Induksjonsoppvarmingsfordampning er en teknologi som bruker høyfrekvent elektromagnetisk feltinduksjonsoppvarming til å fordampe og fordampe materialer, og kondensere dem til en film på overflaten av et substrat. Dens fordeler inkluderer en høy fordampningshastighet, som kan være omtrent 10 ganger høyere enn for en resistiv fordampningskilde. Temperaturen på fordampningskilden er stabil, noe som gjør den mindre utsatt for sprut. Digeltemperaturen er lav, og digelmaterialet har mindre membranbegroing. Dens ulemper inkluderer behovet for å skjerme fordampningsanordningen, høye kostnader og komplekst utstyr.
Selv om prinsippene for disse tre fordampningsbeleggingsteknologiene for vakuumbeleggingsutstyr er de samme, bruker de alle høytemperaturfordampning for å fordampe materialer for belegg. Imidlertid er miljøene de påføres i forskjellige, og beleggmaterialene og underlagene har også forskjellige krav.
Høyfrekvent induksjonsoppvarmingsfordampning er prosessen med å plassere en digel som inneholder beleggmateriale i midten av en høyfrekvent spiralspole, noe som får beleggmaterialet til å generere sterke virvelstrømmer og hystereseeffekter under induksjon av et høyfrekvent elektromagnetisk felt, noe som resulterer i i oppvarmingen av filmlaget til det fordamper og fordamper. Fordampningskilden består vanligvis av en vannkjølt høyfrekvent spole og en grafitt- eller keramisk (magnesiumoksyd, aluminiumoksyd, boroksyd, etc.) digel. Den høyfrekvente strømforsyningen bruker en frekvens på 10000 til flere hundre tusen hertz, med en inngangseffekt på flere til flere hundre kilowatt. Jo mindre membranmaterialvolumet er, desto høyere er induksjonsfrekvensen. Frekvens for induksjonsspole er vanligvis produsert ved bruk av vannkjølte kobberrør. Ulempen med høyfrekvent induksjonsoppvarmingsfordampningsmetode er at det ikke er lett å finjustere inngangseffekten. Den har følgende fordeler:
1. Høy fordampningshastighet:
2. Temperaturen på fordampningskilden er jevn og stabil, og det er ikke lett å produsere sprut av pletteringsdråper
3. Engangslasting av fordampningskilde, temperaturkontroll er relativt enkel, og driften er enkel.
Fordelene med magnetronforstøvningsbeleggsteknologi er som følger
1. Høy sedimentasjonsrate. På grunn av bruken av høyhastighets magnetronelektroder kan en stor ionestrøm oppnås, noe som effektivt forbedrer avsetningshastigheten og sputteringshastigheten til denne belegningsprosessen. Sammenlignet med andre forstøvningsbeleggsprosesser har magnetronforstøvning høy produksjonskapasitet og produksjon, og er mye brukt i ulike industrielle produksjoner.
2. Høy effekteffektivitet. Magnetronsputteringsmål velger vanligvis spenninger innenfor området 200V-1000V, vanligvis 600V, fordi spenningen på 600V er akkurat innenfor det høyeste effektive området for strømeffektivitet.
Lav sputterenergi. Den lave spenningen som påføres magnetronmålet og magnetfeltet begrenser plasmaet nær katoden, noe som kan forhindre at høyenergiladede partikler faller inn på underlaget.
3. Underlagets temperatur er lav. Elektronene som genereres under anodisk utladning kan utnyttes uten behov for substratstøttejording, noe som effektivt kan redusere elektronbombardement på substratet. Derfor er temperaturen på underlaget relativt lavt, noe som gjør det meget godt egnet for å belegge enkelte plastsubstrater som ikke er særlig motstandsdyktige mot høye temperaturer.
Ujevn etsing på overflaten av magnetronforstøvningsmål. Ujevn overflateetsing av magnetronforstøvningsmål er forårsaket av ujevne målmagnetiske felt, noe som resulterer i en høyere etsningshastighet på lokale steder av målet og en lavere effektiv utnyttelsesgrad av målmaterialet (kun 20 % -30 % utnyttelsesgrad) . Derfor, for å forbedre utnyttelsesgraden av målmaterialer, er det nødvendig å endre magnetfeltfordelingen ved hjelp av visse midler, eller bruke magneter for å bevege seg i katoden, noe som også kan forbedre utnyttelsesgraden til målmaterialer.
4. Sammensatt mål. Komposittmålbelagte legeringsfilmer kan produseres. For tiden er Ta Ti-legering, (Tb Dy) - Fe og Gb Co legeringsfilmer blitt avsatt med suksess ved bruk av komposittmagnetronforstøvningsteknologi. Det er fire typer strukturer for sammensatte mål, nemlig sirkulære innebygde mål, kvadratiske innebygde mål, små kvadratiske innebygde mål og vifteformede innebygde mål. Blant dem har den vifteformede innebygde målstrukturen den beste brukseffekten.
5. Bredt spekter av applikasjoner. Magnetronforstøvningsprosessen kan avsette mange elementer, inkludert 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, etc.
Vakuumionbeleggteknologi
Vakuum ion plating teknologi(forkortet ion plating) ble først utviklet av D M. Mattox ble foreslått og tatt i bruk i 1963 som en belegningsteknologi som kombinerer fordampning og sputtering. Den er basert på ionebombardement, som varmer opp det belagte materialet eller arbeidsstykket til en smeltet tilstand, og bruker høyenergi-ionebombardement for å avsette kjemisk avsatt metall- eller halvledertynne filmer på substratoverflaten, og derved oppnå tynne filmer med spesifikke strukturer og egenskaper.
Prosessen med ioneplettering er å koble fordampningskilden til anoden og arbeidsstykket til katoden. Når en høyspent likestrøm på tre til fem tusen volt påføres, genereres lysbueutladning mellom fordampningskilden og arbeidsstykket. På grunn av den inerte argongassen som er fylt i vakuumhetten, ioniseres noe av argongassen under påvirkning av det elektriske utladningsfeltet, og danner en mørk plasmasone rundt katodearbeidsstykket. De positivt ladede argonionene tiltrekkes av katodens negative høyspenning og bombarderer overflaten av arbeidsstykket voldsomt, noe som fører til at partikler og smuss på overflaten av arbeidsstykket blir sprutet og kastet ut, og dermed kan overflaten av arbeidsstykket bli fullstendig renset ved ionebombardement. Deretter kobles vekselstrømforsyningen til fordampningskilden til, og de fordampede materialpartiklene smelter og fordamper, går inn i glødeutladningssonen og blir ionisert. De positivt ladede fordampede materialeionene, tiltrukket av katoden, skynder seg mot arbeidsstykket sammen med argonioner. Når mengden av fordampede materialeioner avsatt på overflaten av arbeidsstykket overstiger mengden av sprutede ioner, akkumuleres de gradvis for å danne et godt festet belegg på overflaten av arbeidsstykket.
Beleggstrukturen til ionplettering er tett, uten nålehull, bobler og jevn tykkelse. Denne metoden egner seg svært godt til å belegge deler med innvendige hull, spor og smale åpninger som er vanskelige å belegge med andre metoder, og danner ikke metallknuter. På grunn av sin evne til å reparere små sprekker og defekter som gropdannelse på overflaten av arbeidsstykket, kan denne prosessen effektivt forbedre overflatekvaliteten og de fysiske og mekaniske egenskapene til de belagte delene. Utmattingstester har vist at ved riktig håndtering kan utmattelseslevetiden til arbeidsstykket økes med 20 % til 30 % sammenlignet med før plettering.
Egenskaper ved vakuumionbelegg
Sammenlignet med fordampning og sputtering har ionebelegg følgende egenskaper:
(1) God vedhefteevne for belegget
Under vanlig vakuumbelegg er det nesten ikke noe overgangslag som forbinder overflaten av arbeidsstykket og belegget. Under ioneplettering, når ioner bombarderer arbeidsstykket med høy hastighet, kan de trenge inn i overflaten av arbeidsstykket og danne et diffusjonslag dypt implantert i underlaget. Grensesnittdiffusjonsdybden til ioneplettering kan nå fire til fem mikrometer. I det tidlige stadiet av belegget eksisterer sputtering og avsetning samtidig, og et overgangslag eller et blandet lag av film- og substratkomponenter kan dannes ved grensesnittet mellom filmen og substratet, kalt et pseudo-diffusjonslag, som effektivt kan forbedre adhesjonsytelsen av filmlaget.
(2) Sterk pletteringsevne
Under ioneplettering beveger de fordampede materialpartiklene seg i retning av det elektriske feltet i form av ladede ioner. Derfor, uansett hvor det er et elektrisk felt tilstede, kan et godt belegg oppnås, som er mye bedre enn vanlig vakuumbelegg som bare kan oppnå et belegg i direkte retning. Derfor er denne metoden svært egnet for områder på belagte deler som er vanskelige å belegge med andre metoder, slik som indre hull, spor og smale spalter.
(3) God beleggkvalitet
Belegget av ionebelegg har en tett struktur, ingen nålehull, ingen bobler og jevn tykkelse. Til og med kantene og sporene kan være jevnt belagt, og deler som gjenger kan også belegges med høy hardhet, høy slitestyrke (lav friksjonskoeffisient), god korrosjonsbestandighet og kjemisk stabilitet, noe som resulterer i lengre levetid på filmlaget; Samtidig kan filmlaget forbedre utseendet og den dekorative ytelsen til arbeidsstykket betydelig.
(4) Forenkle rengjøringsprosessen
De fleste eksisterende belegningsprosesser krever streng rengjøring av arbeidsstykket på forhånd, og prosessen er relativt ansvarlig. Under ionepletteringsprosessen brukes et stort antall høyenergipartikler generert av glødeutslipp for å skape en katodisk forstøvningseffekt på overflaten, som renser gassen og oljen som er adsorbert på underlagets overflate ved sputtering, og renser underlagets overflate til hele belegningsprosessen er fullført, noe som forenkler mye rengjøringsarbeid før plettering.
(5) Allment tilgjengelige belagte materialer
Ioneplettering er prosessen med å bruke høyenergiioner for å bombardere overflaten av et arbeidsstykke, konvertere en stor mengde elektrisk energi til termisk energi på overflaten av arbeidsstykket, og derved fremme diffusjon og kjemiske reaksjoner i overflatevevet og arbeidsstykket. påvirkes ikke av høye temperaturer. Derfor har denne belegningsprosessen et bredt spekter av bruksområder og er mindre begrenset. Vanligvis kan forskjellige metaller, legeringer, samt visse syntetiske materialer, isolasjonsmaterialer, varmefølsomme materialer og materialer med høyt smeltepunkt belegges. Metallarbeidsstykker kan belegges med ikke-metaller eller metaller, så vel som metaller eller ikke-metaller, og til og med plast, gummi, kvarts, keramikk, etc.
Klassifisering av Vacuum Ion Coating
Det er forskjellige kombinasjoner av ioniserings- og eksitasjonsmetoder for forskjellige fordampningskilder og atomer, noe som fører til fremveksten av mange ionpletteringsmetoder for fordampningskilder. Vanlige metoder inkluderer sputtering ion plating og fordampning ion plating basert på oppsamling av membranpartikler.
1. Sputtering type ion plating
Ved å bruke høyenergi-ioner for å forstøve overflaten av membranmaterialet, genereres metallpartikler. Metallpartiklene ioniseres til metallioner i gassutslippsrommet, og de når substratet under negativ forspenning for å avsette og danne en film.
Fordampende ionplettering
Oppvarming av beleggmaterialet gjennom forskjellige oppvarmingsmetoder for å fordampe og produsere metalldamp, som deretter introduseres i gassutslippsrommet som eksiteres på forskjellige måter for å ionisere til metallioner. Disse ionene når substratet under negativ skjevhet og avsettes i en film.
Blant dem kan fordampende ionplettering deles inn i DC-to-trinns ionplettering, hul katode-ionplettering, varmtrådbue-ionplettering og katodebue-ionplettering i henhold til forskjellige utladningsprinsipper. DC sekundær ion plating er en stabil glødeutladning; Ioneplettering med hul katode og ionplettering med varme ledninger er begge termiske lysbueutladninger, og årsaken til generering av elektroner kan enkelt oppsummeres som termisk utslipp av elektroner utenfor kjernen på grunn av oppvarming av metallmaterialer til høye temperaturer; Utladningstypen for katodisk lysbue-ionplettering er forskjellig fra de tidligere typene ioneplettering, og den bruker kaldbueutladning.
(1) hul katode ion plating (HCD)
Bruk av hul varm katodeutladning for å generere plasmaelektronstråle. Egenskaper for hul katode ion-plettering: ① HCD hul katodepistol er både en varmekilde for membranmaterialeforgassing og en ioniseringskilde for fordampede partikler, og ioniseringsmetoden er å bruke lavtrykks elektronstrålekollisjon; ② Ved å bruke en akselerasjonsspenning som strekker seg fra 0V til flere hundre volt, fungerer ionisering og ioneakselerasjon uavhengig. Kan utføre reaktiv ioneplating godt; ④ Temperaturøkningen til substratet er liten, og substratet må fortsatt varmes opp under belegget; ⑤ Høy ioniseringseffektivitet, stor elektronstråleflekk, og kan avsettes på forskjellige filmer.
(2) Katodisk lysbue-ionplettering
Katodisk lysbue-ionplettering er kulminasjonen av vanlig ionebeleggsteknologi, som tar i bruk kaldbueutladning og har den høyeste partikkelioniseringshastigheten blant mange PVD-beleggsteknologier.
