Technológia vákuového lakovania, skrátene PVD, je technika, ktorá využíva fyzikálne metódy na odparovanie povrchu materiálového zdroja na atómy, molekuly alebo ióny vo vákuu a na nanášanie tenkého filmu s určitou špeciálnou funkciou na povrch substrátu. Technológia nanášania vákuových lakovacích zariadení je rozdelená hlavne do troch kategórií: nanášanie pár, naprašovanie a iónové pokovovanie. Existujú tri typy technológie odparovania: odporové odparovanie, odparovanie elektrónovým lúčom a odparovanie indukčným ohrevom.
Existujú tri hlavné smery technológie poťahovania vo vákuových poťahovacích zariadeniach: technológia nanášania odparovaním, technológia poťahovania iónmi a zariadenie na poťahovanie magnetrónovým naprašovaním. Každá technológia povrchovej úpravy má svoje výhody a nevýhody a rôzne substráty a ciele sa nanášajú rôznymi technológiami nanášania.
Technológia nanášania odporového odparovania využíva technológiu odparovacieho náteru zdroja odparovania odporového ohrevu, ktorý sa všeobecne používa na odparovanie materiálov s nízkou teplotou topenia, ako je hliník, zlato, striebro, sulfid zinočnatý, fluorid horečnatý, oxid chrómový atď.; Vykurovacie odpory sa vo všeobecnosti vyrábajú z volfrámu, molybdénu, tantalu atď. Jedinečné výhody, jednoduchá konštrukcia a nízka cena. Nevýhoda: Materiál je náchylný k reakcii s téglikom, čo ovplyvňuje čistotu tenkého filmu a nemôže odparovať dielektrické tenké filmy s vysokou teplotou topenia; Nízka rýchlosť odparovania.
Odporové naparovacie pokovovanie odparovanie elektrónovým lúčom je technológia, ktorá využíva vysokorýchlostný ohrev elektrónovým lúčom na odparovanie a odparovanie materiálov a potom kondenzuje do filmu na povrchu substrátu. Hustota energie zdroja tepla elektrónového lúča môže dosiahnuť 104-109w/cm2 a môže dosiahnuť viac ako 3000 stupňov . Môže odparovať kovy s vysokou teplotou topenia alebo dielektrické materiály, ako je volfrám, molybdén, germánium, SiO2, AL2O3 atď.
Hlavným princípom odparovania elektrónového lúča je, že v prostredí vysokého vákua vysokoenergetické elektróny emitované elektrónovým delom bombardujú povrch materiálu terča pôsobením elektrických a magnetických polí, pričom premieňajú kinetickú energiu na tepelnú energiu. Cieľový materiál sa zahrieva, roztaví alebo sa priamo vyparí, pričom sa na povrchu substrátu ukladá tenký film.
Existujú dva typy zdrojov nanášania pár na ohrev elektrónovým lúčom: elektrónové delá s priamym delom a elektrónové delá typu e (tiež kruhové). Elektrónový lúč je emitovaný zo zdroja a zaostrený a vychýlený cievkou magnetického poľa, aby bombardoval a zahrieval filmový materiál. Medzi jeho výhody patrí schopnosť odparovať akýkoľvek materiál, vysoká čistota fólie, priame pôsobenie na povrch materiálu a vysoká tepelná účinnosť. Nevýhody elektrónových zbraní zahŕňajú zložitú štruktúru, vysoké náklady, ľahký rozklad zlúčenín počas nanášania a chemickú nerovnováhu.
Odparovanie indukčným ohrevom je technológia, ktorá využíva indukčný ohrev vysokofrekvenčným elektromagnetickým poľom na odparovanie a odparovanie materiálov a ich kondenzáciu do filmu na povrchu substrátu. Medzi jeho výhody patrí vysoká rýchlosť odparovania, ktorá môže byť približne 10-krát vyššia ako u odporového zdroja odparovania. Teplota zdroja odparovania je stabilná, vďaka čomu je menej náchylný na striekanie. Teplota téglika je nízka a materiál téglika menej zanáša membránu. Medzi jeho nevýhody patrí potreba tienenia odparovacieho zariadenia, vysoká cena a zložité vybavenie.
Aj keď sú princípy týchto troch technológií nanášania odparovaním pre zariadenia na vákuové nanášanie rovnaké, všetky používajú na odparovanie materiálov na poťahovanie vysokoteplotné odparovanie. Prostredia, v ktorých sa aplikujú, sú však rôzne a rôzne požiadavky majú aj náterové materiály a podklady.
Odparovanie vysokofrekvenčným indukčným ohrevom je proces umiestnenia téglika obsahujúceho povlakový materiál do stredu vysokofrekvenčnej špirálovej cievky, čo spôsobuje, že povlakový materiál vytvára silné vírivé prúdy a hysterézne efekty pri indukcii vysokofrekvenčného elektromagnetického poľa, čo má za následok pri zahrievaní vrstvy filmu, kým sa neodparí a neodparí. Zdroj odparovania vo všeobecnosti pozostáva z vodou chladenej vysokofrekvenčnej cievky a grafitového alebo keramického (oxid horečnatý, oxid hlinitý, oxid bóru atď.) téglika. Vysokofrekvenčný zdroj využíva frekvenciu 10 000 až niekoľko sto tisíc hertzov so vstupným výkonom niekoľko až niekoľko stoviek kilowattov. Čím menší je objem materiálu membrány, tým vyššia je indukčná frekvencia. Frekvencia indukčnej cievky sa zvyčajne vyrába pomocou vodou chladených medených rúrok. Nevýhodou metódy odparovania pomocou vysokofrekvenčného indukčného ohrevu je, že nie je ľahké doladiť vstupný výkon. Má nasledujúce výhody:
1. Vysoká rýchlosť odparovania:
2. Teplota zdroja odparovania je rovnomerná a stabilná a nie je ľahké vytvoriť striekanie kvapiek pokovovania
3. Jednorazové zaťaženie zdroja odparovania, regulácia teploty je relatívne jednoduchá a prevádzka je jednoduchá.
Výhody technológie magnetrónového naprašovania sú nasledovné
1. Vysoká rýchlosť sedimentácie. Vďaka použitiu vysokorýchlostných magnetrónových elektród je možné získať veľký iónový prúd, ktorý účinne zlepšuje rýchlosť nanášania a rýchlosť rozprašovania tohto procesu poťahovania. V porovnaní s inými procesmi nanášania naprašovaním má magnetrónové naprašovanie vysokú výrobnú kapacitu a výkon a je široko používané v rôznych priemyselných výrobách.
2. Vysoká energetická účinnosť. Magnetrónové naprašovacie terče vo všeobecnosti volia napätie v rozsahu 200 V-1000V, zvyčajne 600 V, pretože napätie 600 V je práve v rámci najvyššieho efektívneho rozsahu energetickej účinnosti.
Nízka energia rozprašovania. Nízke napätie aplikované na magnetrónový terč a magnetické pole obmedzujú plazmu v blízkosti katódy, čo môže zabrániť dopadu vysokoenergetických nabitých častíc na substrát.
3. Teplota substrátu je nízka. Elektróny generované počas anodického výboja je možné využiť bez potreby uzemnenia podpery substrátu, čo môže účinne znížiť bombardovanie substrátu elektrónmi. Preto je teplota substrátu relatívne nízka, vďaka čomu je veľmi vhodný na natieranie niektorých plastových substrátov, ktoré nie sú veľmi odolné voči vysokým teplotám.
Nerovnomerné leptanie na povrchu magnetrónových naprašovacích terčov. Nerovnomerné povrchové leptanie magnetrónových naprašovacích terčov je spôsobené nerovnomernými magnetickými poľami terča, čo má za následok vyššiu rýchlosť leptania v lokálnych miestach terča a nižšiu efektívnu mieru využitia materiálu terča (len 20 % -30 % miera využitia) . Preto, aby sa zlepšila miera využitia materiálov terča, je potrebné zmeniť distribúciu magnetického poľa pomocou určitých prostriedkov alebo použiť magnety na pohyb v katóde, čo môže tiež zlepšiť mieru využitia materiálov terča.
4. Zložený terč. Môžu sa vyrábať kompozitné terčom potiahnuté zliatinové filmy. V súčasnosti sa pomocou technológie kompozitného magnetrónového naprašovania úspešne nanášajú filmy zliatiny Ta Ti, (Tb Dy) - Fe a Gb Co. Existujú štyri typy štruktúr pre kompozitné ciele, a to kruhové zapustené terče, štvorcové zapustené terče, malé štvorcové zapustené terče a vejárovité zapustené terče. Spomedzi nich má vejárovitá vložená cieľová štruktúra najlepší efekt využitia.
5. Široká škála aplikácií. Proces magnetrónového naprašovania môže ukladať mnoho prvkov vrátane 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 atď.
Technológia vákuového iónového povlaku
Technológia vákuového iónového pokovovania(skrátene ion plating) bol prvýkrát vyvinutý D M. Mattox bol navrhnutý a uvedený do praxe v roku 1963 ako technológia povlakovania, ktorá kombinuje naparovanie a naprašovanie. Je založená na bombardovaní iónmi, ktoré ohrieva potiahnutý materiál alebo obrobok do roztaveného stavu, a využíva vysokoenergetické bombardovanie iónmi na nanášanie chemicky nanesených tenkých vrstiev kovu alebo polovodičov na povrch substrátu, čím sa získajú tenké filmy so špecifickými štruktúrami a vlastnosťami.
Proces iónového pokovovania spočíva v pripojení zdroja odparovania k anóde a obrobku ku katóde. Keď sa použije vysokonapäťový jednosmerný prúd 3 až 5000 voltov, medzi zdrojom odparovania a obrobkom sa vytvorí oblúkový výboj. V dôsledku inertného argónového plynu naplneného vo vákuovom kryte sa časť argónového plynu ionizuje pôsobením elektrického poľa výboja, čím sa okolo katódového obrobku vytvorí tmavá zóna plazmy. Pozitívne nabité argónové ióny sú priťahované záporným vysokým napätím katódy a prudko bombardujú povrch obrobku, čo spôsobuje, že častice a nečistoty na povrchu obrobku sú postriekané a vymrštené, čo umožňuje, aby povrch obrobku bol úplne vyčistené iónovým bombardovaním. Následne sa pripojí striedavé napájanie zdroja odparovania a častice odpareného materiálu sa topia a odparujú, vstupujú do zóny žeravého výboja a sú ionizované. Kladne nabité ióny odpareného materiálu, priťahované katódou, sa rútia smerom k obrobku spolu s iónmi argónu. Keď množstvo iónov odpareného materiálu usadených na povrchu obrobku prekročí množstvo rozstrekovaných iónov, postupne sa hromadia a vytvárajú pevne priľnutý povlak na povrchu obrobku.
Štruktúra povlaku iónového pokovovania je hustá, bez dier, bublín a rovnomernej hrúbky. Táto metóda je veľmi vhodná na poťahovanie dielov s vnútornými otvormi, drážkami a úzkymi medzerami, ktoré sa ťažko natierajú inými metódami a nevytvárajú kovové uzlíky. Vďaka svojej schopnosti opraviť malé trhliny a defekty, ako sú jamky na povrchu obrobku, môže tento proces účinne zlepšiť kvalitu povrchu a fyzikálne a mechanické vlastnosti potiahnutých dielov. Únavové testy ukázali, že pri správnom zaobchádzaní sa únavová životnosť obrobku môže zvýšiť o 20 % až 30 % v porovnaní so stavom pred pokovovaním.
Charakteristika vákuového iónového povlaku
V porovnaní s odparovaním a naprašovaním má iónové pokovovanie tieto vlastnosti:
(1) Dobrá priľnavosť povlaku
Pri bežnom vákuovom lakovaní nie je takmer žiadna prechodová vrstva spájajúca povrch obrobku a povlak. Počas iónového pokovovania, keď ióny bombardujú obrobok vysokou rýchlosťou, môžu preniknúť do povrchu obrobku a vytvoriť difúznu vrstvu hlboko implantovanú do substrátu. Hĺbka difúzie rozhrania iónového pokovovania môže dosiahnuť štyri až päť mikrometrov. V počiatočnom štádiu poťahovania koexistuje naprašovanie a nanášanie a na rozhraní medzi filmom a substrátom sa môže vytvoriť prechodová vrstva alebo zmiešaná vrstva zložiek filmu a substrátu, nazývaná pseudodifúzna vrstva, ktorá môže účinne zlepšiť adhézny výkon. filmovej vrstvy.
(2) Silná schopnosť pokovovania
Počas iónového pokovovania sa častice odpareného materiálu pohybujú v smere elektrického poľa vo forme nabitých iónov. Preto všade tam, kde je prítomné elektrické pole, je možné získať dobrý povlak, ktorý je oveľa lepší ako bežný vákuový povlak, ktorý môže získať povlak iba v priamom smere. Preto je táto metóda veľmi vhodná pre oblasti na pokovovaných dieloch, ktoré sa ťažko pokovujú inými metódami, ako sú vnútorné otvory, drážky a úzke medzery.
(3) Dobrá kvalita náteru
Povlak iónového pokovovania má hustú štruktúru, žiadne dierky, žiadne bubliny a rovnomernú hrúbku. Dokonca aj hrany a drážky môžu byť rovnomerne potiahnuté a časti, ako sú závity, môžu byť tiež potiahnuté vysokou tvrdosťou, vysokou odolnosťou proti opotrebovaniu (nízky koeficient trenia), dobrou odolnosťou proti korózii a chemickou stabilitou, čo vedie k dlhšej životnosti filmovej vrstvy; Súčasne môže filmová vrstva výrazne zlepšiť vzhľad a dekoratívny výkon obrobku.
(4) Zjednodušte proces čistenia
Väčšina existujúcich procesov poťahovania vyžaduje prísne čistenie obrobku vopred a proces je pomerne zodpovedný. Počas procesu iónového pokovovania sa veľké množstvo vysokoenergetických častíc generovaných žeravým výbojom používa na vytvorenie katodického rozprašovacieho efektu na povrchu, ktorý čistí plyn a olej adsorbovaný na povrchu substrátu rozprašovaním, čistia povrch substrátu, kým sa celý proces nanášania je dokončený, čím sa zjednodušuje množstvo čistiacich prác pred pokovovaním.
(5) Široko dostupné pokovované materiály
Iónové pokovovanie je proces použitia vysokoenergetických iónov na bombardovanie povrchu obrobku, pričom sa na povrchu obrobku premieňa veľké množstvo elektrickej energie na tepelnú energiu, čím sa podporuje difúzia a chemické reakcie v povrchovom tkanive a obrobku. nie je ovplyvnená vysokými teplotami. Preto má tento proces poťahovania široký rozsah aplikácií a je menej obmedzený. Zvyčajne je možné pokovovať rôzne kovy, zliatiny, ako aj určité syntetické materiály, izolačné materiály, materiály citlivé na teplo a materiály s vysokou teplotou topenia. Kovové obrobky môžu byť pokovované nekovmi alebo kovmi, ako aj kovmi alebo nekovmi, a dokonca aj plastmi, gumou, kremeňom, keramikou atď.
Klasifikácia vákuového iónového povlaku
Existujú rôzne kombinácie metód ionizácie a excitácie pre rôzne zdroje vyparovania a atómy, čo vedie k vzniku mnohých metód pokovovania iónov na zdrojoch odparovania. Bežné metódy zahŕňajú iónové pokovovanie naprašovaním a iónové pokovovanie odparovaním založené na získavaní membránových častíc.
1. Iónové pokovovanie naprašovaním
Použitím vysokoenergetických iónov na rozprašovanie povrchu membránového materiálu sa vytvárajú kovové častice. Kovové častice ionizujú na kovové ióny v priestore výboja plynu a pod negatívnym sklonom sa dostanú k substrátu, aby sa usadili a vytvorili film.
Odparovacie iónové pokovovanie
Zahrievanie poťahového materiálu rôznymi spôsobmi zahrievania, aby sa odparila a vytvorila kovová para, ktorá sa potom zavádza do priestoru výboja plynu excitovaného rôznymi spôsobmi, aby sa ionizovala na kovové ióny. Tieto ióny sa dostanú k substrátu pod negatívnym predpätím a uložia sa do filmu.
Medzi nimi možno odparovacie iónové pokovovanie rozdeliť na jednosmerné dvojstupňové iónové pokovovanie, duté katódové pokovovanie, iónové pokovovanie horúcim drôtom a pokovovanie katódovým oblúkom podľa rôznych princípov výboja. DC sekundárne iónové pokovovanie je stabilný žeravý výboj; Iónové pokovovanie dutou katódou a iónové pokovovanie horúcim drôtom sú tepelné oblúkové výboje a dôvod generovania elektrónov možno jednoducho zhrnúť ako tepelnú emisiu elektrónov mimo jadra v dôsledku zahrievania kovových materiálov na vysoké teploty; Typ výboja katódového oblúkového iónového pokovovania sa líši od predchádzajúcich typov iónového pokovovania a používa studený oblúkový výboj.
(1) Duté katódové iónové pokovovanie (HCD)
Použitie výboja z dutej horúcej katódy na generovanie plazmového elektrónového lúča. Charakteristika dutého katódového iónového pokovovania: ① HCD dutá katódová pištoľ je zdrojom tepla pre splyňovanie membránového materiálu a zdrojom ionizácie pre odparené častice a metóda ionizácie využíva nízkotlakovú zrážku elektrónového lúča; ② Použitím akceleračného napätia v rozsahu od 0V do niekoľkých stoviek voltov funguje ionizácia a iónová akcelerácia nezávisle Môže dobre vykonávať reaktívne iónové pokovovanie; ④ Nárast teploty substrátu je malý a počas nanášania je potrebné substrát stále zahrievať; ⑤ Vysoká ionizačná účinnosť, veľký bod elektrónového lúča a môže byť nanesený na rôzne filmy.
(2) Pokovovanie katódovým oblúkom
Katódové oblúkové iónové pokovovanie je vyvrcholením hlavnej technológie iónového povlaku, ktorá využíva studený oblúkový výboj a má najvyššiu mieru ionizácie častíc spomedzi mnohých technológií PVD povlakovania.
