Tehnologia de acoperire cu vid, prescurtat ca PVD, este o tehnică care utilizează metode fizice pentru a vaporiza suprafața unei surse de material în atomi, molecule sau ioni în condiții de vid și depune o peliculă subțire cu o anumită funcție specială pe suprafața substratului. Tehnologia de acoperire a echipamentelor de acoperire în vid este împărțită în principal în trei categorii: depunere de vapori, pulverizare și placare cu ioni. Există trei tipuri de tehnologie de acoperire prin evaporare: evaporare prin rezistență, evaporare cu fascicul de electroni și evaporare prin încălzire prin inducție.
Există trei direcții principale pentru tehnologia de acoperire în echipamentele de acoperire în vid: tehnologia de acoperire prin evaporare, tehnologia de acoperire cu ioni și echipamentul de acoperire prin pulverizare prin magnetron. Fiecare tehnologie de acoperire are propriile sale avantaje și dezavantaje, iar diferitele substraturi și ținte sunt acoperite cu diferite tehnologii de acoperire.
Tehnologia de acoperire prin evaporare cu rezistență adoptă tehnologia de acoperire prin evaporare a sursei de evaporare cu încălzire cu rezistență, care este în general utilizată pentru evaporarea materialelor cu punct de topire scăzut, cum ar fi aluminiu, aur, argint, sulfură de zinc, fluorură de magneziu, trioxid de crom etc; Rezistoarele de încălzire sunt în general realizate din wolfram, molibden, tantal etc. Avantaje unice, structură simplă și costuri reduse. Dezavantaj: materialul este predispus să reacționeze cu creuzetul, afectând puritatea peliculei subțiri și nu poate evapora filmele subțiri dielectrice cu punct de topire ridicat; Rată scăzută de evaporare.
Placarea prin evaporare prin rezistență Evaporarea fasciculului de electroni este o tehnologie care utilizează încălzirea cu fascicul de electroni de mare viteză pentru a vaporiza și evapora materialele, apoi se condensează într-un film pe suprafața unui substrat. Densitatea de energie a sursei de căldură a fasciculului de electroni poate atinge 104-109w/cm2 și poate ajunge la peste 3000 de grade . Poate evapora metale cu punct de topire ridicat sau materiale dielectrice, cum ar fi wolfram, molibden, germaniu, SiO2, AL2O3 etc.
Principiul principal al evaporării fasciculului de electroni este că, într-un mediu cu vid înalt, electronii de înaltă energie emiși de un tun cu electroni bombardează suprafața unui material țintă sub acțiunea câmpurilor electrice și magnetice, transformând energia cinetică în energie termică. Materialul țintă se încălzește, se topește sau se evaporă direct, depunând o peliculă subțire pe suprafața substratului.
Există două tipuri de surse de depunere de vapori pentru încălzirea fasciculului de electroni: tunuri cu electroni cu pistol drept și tunuri cu electroni de tip e (de asemenea circulare). Fasciculul de electroni este emis de la sursă și focalizat și deviat de o bobină de câmp magnetic pentru a bombarda și a încălzi materialul film. Avantajele sale includ capacitatea de a evapora orice material, puritatea ridicată a filmului, acțiunea directă pe suprafața materialului și eficiența termică ridicată. Dezavantajele tunurilor cu electroni includ structura complexă, costul ridicat, descompunerea ușoară a compușilor în timpul depunerii și dezechilibrul chimic.
Evaporarea prin încălzire prin inducție este o tehnologie care utilizează încălzirea prin inducție cu câmp electromagnetic de înaltă frecvență pentru a vaporiza și evapora materialele, condensându-le într-o peliculă pe suprafața unui substrat. Avantajele sale includ o rată mare de evaporare, care poate fi de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a unei surse de evaporare rezistivă. Temperatura sursei de evaporare este stabilă, ceea ce o face mai puțin predispusă la stropire. Temperatura creuzetului este scăzută, iar materialul creuzetului are mai puțină murdărire a membranei. Dezavantajele sale includ necesitatea de a proteja dispozitivul de evaporare, costul ridicat și echipamentul complex.
Deși principiile acestor trei tehnologii de acoperire prin evaporare pentru echipamentele de acoperire în vid sunt aceleași, toate folosesc evaporarea la temperatură înaltă pentru a vaporiza materialele pentru acoperire. Cu toate acestea, mediile în care sunt aplicate sunt diferite, iar materialele de acoperire și substraturile au și ele cerințe diferite.
Evaporarea prin încălzire prin inducție de înaltă frecvență este procesul de plasare a unui creuzet care conține material de acoperire în centrul unei bobine spiralate de înaltă frecvență, determinând ca materialul de acoperire să genereze curenți turbionari puternici și efecte de histerezis sub inducerea unui câmp electromagnetic de înaltă frecvență, rezultând în încălzirea stratului de peliculă până când se vaporizează și se evaporă. Sursa de evaporare constă în general dintr-o bobină de înaltă frecvență răcită cu apă și un creuzet din grafit sau ceramică (oxid de magneziu, oxid de aluminiu, oxid de bor etc.). Sursa de alimentare de înaltă frecvență utilizează o frecvență de la 10000 la câteva sute de mii de herți, cu o putere de intrare de la câteva până la câteva sute de kilowați. Cu cât volumul materialului membranei este mai mic, cu atât frecvența de inducție este mai mare. Frecvența bobinei de inducție este de obicei fabricată folosind tuburi de cupru răcite cu apă. Dezavantajul metodei de evaporare a încălzirii prin inducție de înaltă frecvență este că nu este ușor să reglați puterea de intrare. Are următoarele avantaje:
1. Rată mare de evaporare:
2. Temperatura sursei de evaporare este uniformă și stabilă și nu este ușor să se producă stropire de picături de placare
3. O singură încărcare a sursei de evaporare, controlul temperaturii este relativ ușor, iar operarea este simplă.
Avantajele tehnologiei de acoperire prin pulverizare cu magnetron sunt următoarele
1. Viteză mare de sedimentare. Datorită utilizării electrozilor magnetron de mare viteză, se poate obține un curent ionic mare, îmbunătățind eficient rata de depunere și rata de pulverizare a acestui proces de acoperire. În comparație cu alte procese de acoperire prin pulverizare, pulverizarea cu magnetron are o capacitate de producție și un randament ridicate și este utilizată pe scară largă în diverse producții industriale.
2. Eficiență energetică ridicată. Țintele de pulverizare cu magnetron aleg, în general, tensiuni în intervalul de 200 V-1000V, de obicei 600 V, deoarece tensiunea de 600 V se află doar în intervalul efectiv cel mai înalt de eficiență energetică.
Energie redusă de pulverizare. Tensiunea scăzută aplicată țintei magnetronului și câmpul magnetic limitează plasma în apropierea catodului, ceea ce poate împiedica incidentul particulelor încărcate cu energie înaltă pe substrat.
3. Temperatura suportului este scăzută. Electronii generați în timpul descărcării anodice pot fi utilizați fără a fi necesară împământarea suportului substratului, ceea ce poate reduce în mod eficient bombardarea cu electroni pe substrat. Prin urmare, temperatura substratului este relativ scăzută, ceea ce îl face foarte potrivit pentru acoperirea unor substraturi din plastic care nu sunt foarte rezistente la temperaturi ridicate.
Gravare neuniformă pe suprafața țintelor pulverizate cu magnetron. Gravarea neuniformă a suprafeței țintelor pulverizate cu magnetron este cauzată de câmpurile magnetice neuniforme ale țintei, ceea ce duce la o rată de gravare mai mare în locațiile locale ale țintei și o rată de utilizare efectivă mai mică a materialului țintă (rată de utilizare de doar 20% -30%). . Prin urmare, pentru a îmbunătăți rata de utilizare a materialelor țintă, este necesar să se schimbe distribuția câmpului magnetic prin anumite mijloace sau să se folosească magneți pentru a se deplasa în catod, ceea ce poate îmbunătăți și rata de utilizare a materialelor țintă.
4. Țintă compozită. Pot fi produse pelicule de aliaj acoperite cu țintă compozită. În prezent, filmele din aliaj Ta Ti, (Tb Dy) - Fe și Gb Co au fost depuse cu succes folosind tehnologia de pulverizare cu magnetron compozit. Există patru tipuri de structuri pentru ținte compozite, și anume ținte încorporate circulare, ținte încorporate pătrate, ținte încorporate pătrate mici și ținte încorporate în formă de evantai. Dintre acestea, structura țintă încorporată în formă de evantai are cel mai bun efect de utilizare.
5. Gamă largă de aplicații. Procesul de pulverizare cu magnetron poate depune multe elemente, inclusiv 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.
Tehnologia de acoperire cu ioni de vid
Tehnologia de placare cu ioni în vid(abreviat ca placare ionică) a fost dezvoltat pentru prima dată de DM. Mattox a fost propus și pus în practică în 1963 ca o tehnologie de acoperire care combină evaporarea și pulverizarea. Se bazează pe bombardarea ionică, care încălzește materialul acoperit sau piesa de prelucrat până la o stare topită și folosește bombardarea ionică de înaltă energie pentru a depune pe suprafața substratului pelicule subțiri de metal sau semiconductor depuse chimic, obținând astfel pelicule subțiri cu structuri și proprietăți specifice.
Procesul de placare cu ioni este de a conecta sursa de evaporare la anod și piesa de prelucrat la catod. Când se aplică un curent continuu de înaltă tensiune de trei până la cinci mii de volți, între sursa de evaporare și piesa de prelucrat se generează o descărcare de arc. Datorită gazului argon inert umplut în hota de vid, o parte din gazul argon este ionizat sub acțiunea câmpului electric de descărcare, formând o zonă întunecată de plasmă în jurul piesei de prelucrat catod. Ionii de argon încărcați pozitiv sunt atrași de tensiunea negativă înaltă a catodului și bombardează violent suprafața piesei de prelucrat, determinând ca particulele și murdăria de pe suprafața piesei de prelucrat să fie stropite și aruncate, permițând astfel suprafața piesei de prelucrat să fie complet curățat prin bombardament ionic. Ulterior, sursa de alimentare CA a sursei de evaporare este conectată, iar particulele de material evaporat se topesc și se evaporă, intrând în zona de descărcare luminoasă și fiind ionizate. Ionii materialului evaporat încărcat pozitiv, atrași de catod, se îndreaptă spre piesa de prelucrat împreună cu ionii de argon. Când cantitatea de ioni de material evaporat depusă pe suprafața piesei de prelucrat depășește cantitatea de ioni stropiți, aceștia se acumulează treptat pentru a forma o acoperire ferm lipită pe suprafața piesei de prelucrat.
Structura de acoperire a placarii ionice este densă, fără găuri, bule și grosime uniformă. Această metodă este foarte potrivită pentru acoperirea pieselor cu găuri interne, caneluri și goluri înguste care sunt dificil de acoperit prin alte metode și nu formează noduli metalici. Datorită capacității sale de a repara micile fisuri și defecte, cum ar fi pipăturile pe suprafața piesei de prelucrat, acest proces poate îmbunătăți în mod eficient calitatea suprafeței și proprietățile fizice și mecanice ale pieselor acoperite. Testele de oboseală au arătat că, dacă este manipulată corect, durata de viață la oboseală a piesei de prelucrat poate fi crescută cu 20% până la 30% în comparație cu înainte de placare.
Caracteristicile acoperirii cu ioni de vid
În comparație cu evaporarea și pulverizarea, placarea ionică are următoarele caracteristici:
(1) Performanță bună de aderență a acoperirii
În timpul acoperirii cu vid obișnuite, aproape că nu există un strat de tranziție care să conecteze suprafața piesei de prelucrat și acoperirea. În timpul placarii ionice, atunci când ionii bombardează piesa de prelucrat la viteză mare, aceștia pot pătrunde pe suprafața piesei de prelucrat și pot forma un strat de difuzie implantat adânc în substrat. Adâncimea de difuzie a interfeței placare cu ioni poate ajunge la patru până la cinci micrometri. În stadiul incipient al acoperirii, pulverizarea și depunerea coexistă, iar la interfața dintre film și substrat se poate forma un strat de tranziție sau un strat mixt de film și substrat, numit strat de pseudodifuzie, care poate îmbunătăți eficient performanța de aderență. a stratului de film.
(2) Capacitate puternică de placare
În timpul placarii ionice, particulele de material evaporat se deplasează de-a lungul direcției câmpului electric sub formă de ioni încărcați. Prin urmare, oriunde este prezent un câmp electric, se poate obține o acoperire bună, care este mult superioară acoperirii obișnuite în vid, care poate obține o acoperire doar în direcția directă. Prin urmare, această metodă este foarte potrivită pentru zonele de pe părți placate care sunt dificil de placat prin alte metode, cum ar fi găurile interioare, canelurile și golurile înguste.
(3) Calitate bună a acoperirii
Învelișul de placare cu ioni are o structură densă, fără găuri, fără bule și grosime uniformă. Chiar și marginile și canelurile pot fi acoperite uniform, iar părțile precum firele pot fi, de asemenea, acoperite cu duritate mare, rezistență mare la uzură (coeficient de frecare scăzut), rezistență bună la coroziune și stabilitate chimică, rezultând o durată de viață mai lungă a stratului de film; În același timp, stratul de film poate îmbunătăți semnificativ aspectul și performanța decorativă a piesei de prelucrat.
(4) Simplificați procesul de curățare
Majoritatea proceselor de acoperire existente necesită curățarea strictă a piesei de prelucrat în prealabil, iar procesul este relativ responsabil. În timpul procesului de placare cu ioni, un număr mare de particule de înaltă energie generate de descărcarea strălucitoare sunt utilizate pentru a crea un efect de pulverizare catodic pe suprafață, care curăță gazul și uleiul adsorbit pe suprafața substratului prin pulverizare, purificând suprafața substratului până la întregul proces de acoperire este finalizat, simplificând o mulțime de lucrări de curățare pre-placare.
(5) Materiale placate disponibile pe scară largă
Placarea cu ioni este procesul de utilizare a ionilor de înaltă energie pentru a bombarda suprafața unei piese de prelucrat, transformând o cantitate mare de energie electrică în energie termică pe suprafața piesei de prelucrat, promovând astfel difuzia și reacțiile chimice în țesutul de suprafață și piesa de prelucrat. nu este afectat de temperaturile ridicate. Prin urmare, acest proces de acoperire are o gamă largă de aplicații și este mai puțin limitat. De obicei, pot fi placate diferite metale, aliaje, precum și anumite materiale sintetice, materiale izolatoare, materiale termosensibile și materiale cu punct de topire ridicat. Piesele metalice pot fi placate cu nemetale sau metale, precum și cu metale sau nemetale, și chiar cu materiale plastice, cauciuc, cuarț, ceramică etc.
Clasificarea acoperirii cu ioni de vid
Există diferite combinații de metode de ionizare și excitare pentru diferite surse de evaporare și atomi, ceea ce duce la apariția multor metode de placare cu ionizare a surselor de evaporare. Metodele obișnuite includ placarea ionică prin pulverizare și placarea ionică prin evaporare bazată pe achiziționarea particulelor de membrană.
1. Placare cu ioni de tip pulverizare
Prin utilizarea ionilor de înaltă energie pentru a pulveriza suprafața materialului membranei, sunt generate particule de metal. Particulele de metal ionizează în ioni metalici în spațiul de descărcare a gazului și ajung la substrat sub polarizare negativă pentru a se depune și a forma o peliculă.
Placare cu ioni prin evaporare
Încălzirea materialului de acoperire prin diferite metode de încălzire pentru a se evapora și a produce vapori de metal, care sunt apoi introduși în spațiul de descărcare a gazului excitat în diferite moduri pentru a se ioniza în ioni metalici. Acești ioni ajung la substrat sub polarizare negativă și se depun într-o peliculă.
Printre acestea, placarea ionică prin evaporare poate fi împărțită în placare cu ioni DC în două etape, placarea ionică cu catod gol, placarea ionică cu arc fierbinte și placarea ionică cu arc catodic conform diferitelor principii de descărcare. Placarea ionică secundară DC este o descărcare strălucitoare stabilă; Placarea ionică cu catod gol și placarea ionică cu arc fierbinte sunt ambele descărcări de arc termic, iar motivul generării de electroni poate fi rezumat simplu ca emisia termică de electroni în afara nucleului datorită încălzirii materialelor metalice la temperaturi ridicate; Tipul de descărcare de placare cu ioni cu arc catodic este diferit de tipurile anterioare de placare cu ioni și utilizează descărcarea cu arc rece.
(1) Placare cu ioni cu catod gol (HCD)
Folosind descărcare cu catod fierbinte pentru a genera fascicul de electroni în plasmă. Caracteristici ale placarii ionice cu catod gol: ① Pistolul cu catod gol HCD este atât o sursă de căldură pentru gazeificarea materialului membranei, cât și o sursă de ionizare pentru particulele evaporate, iar metoda de ionizare este de a utiliza coliziunea fasciculului de electroni la presiune joasă; ② Folosind o tensiune de accelerare care variază de la 0V la câteva sute de volți, ionizarea și accelerarea ionică funcționează independent Pot efectua bine placarea ionică reactivă; ④ Creșterea temperaturii substratului este mică, iar substratul trebuie încă încălzit în timpul acoperirii; ⑤ Eficiență ridicată de ionizare, spot mare cu fascicul de electroni și poate fi depus pe diferite filme.
(2) Placare cu ioni cu arc catodic
Placarea ionică cu arc catodic este punctul culminant al tehnologiei principale de acoperire cu ioni, care adoptă descărcarea cu arc rece și are cea mai mare rată de ionizare a particulelor dintre multe tehnologii de acoperire PVD.
