Vacuümcoatingtechnologie, afgekort als PVD, is een techniek die gebruikmaakt van fysieke methoden om het oppervlak van een materiaalbron te verdampen in atomen, moleculen of ionen onder vacuümomstandigheden en een dunne film met een bepaalde speciale functie op het substraatoppervlak af te zetten. De coatingtechnologie van vacuümcoatingapparatuur is voornamelijk onderverdeeld in drie categorieën: dampdepositie, sputteren en ionenplating. Er zijn drie soorten verdampingscoatingtechnologie: weerstandsverdamping, elektronenbundelverdamping en inductieverhittingsverdamping.
Er zijn drie hoofdrichtingen voor coatingtechnologie in vacuümcoatingapparatuur: verdampingscoatingtechnologie, ionencoatingtechnologie en magnetron sputteringcoatingapparatuur. Elke coatingtechnologie heeft zijn eigen voor- en nadelen, en verschillende substraten en targets worden gecoat met verschillende coatingtechnologieën.
Weerstandsverdampingscoatingtechnologie maakt gebruik van de verdampingscoatingtechnologie van weerstandsverwarmingsverdampingsbron, die over het algemeen wordt gebruikt voor het verdampen van materialen met een laag smeltpunt, zoals aluminium, goud, zilver, zinksulfide, magnesiumfluoride, chroomtrioxide, enz. Verwarmingsweerstanden zijn over het algemeen gemaakt van wolfraam, molybdeen, tantaal, enz. Unieke voordelen, eenvoudige structuur en lage kosten. Nadeel: Het materiaal is geneigd te reageren met de smeltkroes, wat de zuiverheid van de dunne film beïnvloedt, en kan diëlektrische dunne films met een hoog smeltpunt niet verdampen; Lage verdampingssnelheid.
Weerstandsverdamping plating elektronenbundelverdamping is een technologie die gebruikmaakt van hogesnelheidsverhitting met elektronenbundels om materialen te verdampen en te laten verdampen, en vervolgens condenseert tot een film op het oppervlak van een substraat. De energiedichtheid van de elektronenbundelwarmtebron kan 104-109w/cm2 bereiken en kan meer dan 3000 graden bereiken. Het kan metalen met een hoog smeltpunt of diëlektrische materialen zoals wolfraam, molybdeen, germanium, SiO2, AL2O3, enz. verdampen.
Het hoofdprincipe van elektronenbundelverdamping is dat in een hoog vacuümomgeving elektronen met hoge energie, uitgezonden door een elektronenkanon, het oppervlak van een doelmateriaal bombarderen onder invloed van elektrische en magnetische velden, waarbij kinetische energie wordt omgezet in thermische energie. Het doelmateriaal warmt op, smelt of verdampt direct, waarbij een dunne film op het substraatoppervlak wordt afgezet.
Er zijn twee soorten bronnen voor dampdepositie voor verhitting met elektronenbundels: rechte elektronenkanonnen en e-type elektronenkanonnen (ook cirkelvormig). De elektronenbundel wordt uitgezonden door de bron en gefocust en afgebogen door een magnetische veldspoel om het filmmateriaal te bombarderen en te verhitten. De voordelen zijn onder andere het vermogen om elk materiaal te verdampen, hoge zuiverheid van de film, directe werking op het oppervlak van het materiaal en hoge thermische efficiëntie. Nadelen van elektronenkanonnen zijn onder andere een complexe structuur, hoge kosten, gemakkelijke ontleding van verbindingen tijdens de depositie en chemische onbalans.
Inductieverhittingsverdamping is een technologie die gebruikmaakt van hoogfrequente elektromagnetische veldinductieverhitting om materialen te verdampen en te condenseren, waarbij ze worden gecondenseerd tot een film op het oppervlak van een substraat. De voordelen ervan omvatten een hoge verdampingssnelheid, die ongeveer 10 keer hoger kan zijn dan die van een resistieve verdampingsbron. De temperatuur van de verdampingsbron is stabiel, waardoor deze minder vatbaar is voor spatten. De temperatuur van de kroes is laag en het materiaal van de kroes heeft minder membraanvervuiling. De nadelen ervan omvatten de noodzaak om het verdampingsapparaat af te schermen, hoge kosten en complexe apparatuur.
Hoewel de principes van deze drie verdampingscoatingtechnologieën voor vacuümcoatingapparatuur hetzelfde zijn, gebruiken ze allemaal verdamping bij hoge temperaturen om materialen te verdampen voor coating. De omgevingen waarin ze worden toegepast, zijn echter verschillend en de coatingmaterialen en substraten hebben ook verschillende vereisten.
Verdamping met hoogfrequente inductieverwarming is het proces waarbij een smeltkroes met coatingmateriaal in het midden van een hoogfrequente spiraalvormige spoel wordt geplaatst, waardoor het coatingmateriaal sterke wervelstromen en hysterese-effecten genereert onder de inductie van een hoogfrequent elektromagnetisch veld, wat resulteert in de verwarming van de filmlaag totdat deze verdampt en verdampt. De verdampingsbron bestaat over het algemeen uit een watergekoelde hoogfrequente spoel en een grafiet- of keramische (magnesiumoxide, aluminiumoxide, booroxide, enz.) smeltkroes. De hoogfrequente voeding gebruikt een frequentie van 10.000 tot enkele honderdduizenden hertz, met een ingangsvermogen van enkele tot enkele honderden kilowatt. Hoe kleiner het volume van het membraanmateriaal, hoe hoger de inductiefrequentie. De frequentie van de inductiespoel wordt meestal vervaardigd met behulp van watergekoelde koperen buizen. Het nadeel van de verdampingsmethode met hoogfrequente inductieverwarming is dat het niet eenvoudig is om het ingangsvermogen nauwkeurig af te stellen. Het heeft de volgende voordelen:
1. Hoge verdampingssnelheid:
2. De temperatuur van de verdampingsbron is uniform en stabiel, en het is niet gemakkelijk om spatten van platingdruppels te produceren
3. Eenmalige vulling van de verdampingsbron, temperatuurregeling is relatief eenvoudig en de bediening is eenvoudig.
De voordelen van magnetron sputtering coatingtechnologie zijn als volgt
1. Hoge sedimentatiesnelheid. Door het gebruik van hogesnelheidsmagnetronelektroden kan een grote ionenstroom worden verkregen, waardoor de depositiesnelheid en sputtersnelheid van dit coatingproces effectief worden verbeterd. Vergeleken met andere sputtercoatingprocessen heeft magnetronsputteren een hoge productiecapaciteit en output, en wordt het veel gebruikt in verschillende industriële producties.
2. Hoge energie-efficiëntie. Magnetron sputterdoelen kiezen over het algemeen spanningen binnen het bereik van 200V-1000V, meestal 600V, omdat de spanning van 600V net binnen het hoogste effectieve bereik van energie-efficiëntie ligt.
Lage sputterenergie. De lage spanning die op het magnetrondoel wordt toegepast en het magnetische veld beperken het plasma nabij de kathode, wat kan voorkomen dat geladen deeltjes met hoge energie op het substraat terechtkomen.
3. De substraattemperatuur is laag. De elektronen die gegenereerd worden tijdens anodische ontlading kunnen gebruikt worden zonder de noodzaak van substraatondersteuningsaarding, wat effectief elektronenbombardement op het substraat kan verminderen. Daarom is de temperatuur van het substraat relatief laag, wat het zeer geschikt maakt voor het coaten van sommige plastic substraten die niet erg bestand zijn tegen hoge temperaturen.
Ongelijke etsing op het oppervlak van magnetron sputtering targets. Ongelijke oppervlakte-etsing van magnetron sputtering targets wordt veroorzaakt door ongelijke target magnetische velden, wat resulteert in een hogere etssnelheid op lokale locaties van de target en een lagere effectieve benuttingssnelheid van het target materiaal (slechts 20% -30% benuttingssnelheid). Om de benuttingssnelheid van target materialen te verbeteren, is het daarom noodzakelijk om de magnetische veldverdeling te veranderen door bepaalde middelen, of magneten te gebruiken om in de kathode te bewegen, wat ook de benuttingssnelheid van target materialen kan verbeteren.
4. Samengesteld doelwit. Samengesteld doelwit gecoate legeringsfilms kunnen worden geproduceerd. Momenteel zijn Ta Ti-legering, (Tb Dy) - Fe en Gb Co-legeringsfilms succesvol afgezet met behulp van samengestelde magnetron sputtertechnologie. Er zijn vier soorten structuren voor samengestelde doelen, namelijk cirkelvormige ingebedde doelen, vierkante ingebedde doelen, kleine vierkante ingebedde doelen en waaiervormige ingebedde doelen. Van hen heeft de waaiervormige ingebedde doelstructuur het beste gebruikseffect.
5. Breed scala aan toepassingen. Het magnetron sputterproces kan veel elementen afzetten, waaronder 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.
Vacuüm-ioncoatingtechnologie
Technologie voor vacuümionplating(afgekort als ion plating) werd voor het eerst ontwikkeld door D M. Mattox werd voorgesteld en in de praktijk gebracht in 1963 als een coatingtechnologie die verdamping en sputteren combineert. Het is gebaseerd op ionenbombardement, dat het gecoate materiaal of werkstuk verhit tot een gesmolten toestand, en gebruikt hoog-energetische ionenbombardement om chemisch afgezette metaal- of halfgeleiderdunne films op het substraatoppervlak af te zetten, waardoor dunne films met specifieke structuren en eigenschappen worden verkregen.
Het proces van ionenplating is om de verdampingsbron te verbinden met de anode en het werkstuk met de kathode. Wanneer een hoogspanningsgelijkstroom van drie- tot vijfduizend volt wordt toegepast, wordt er een boogontlading gegenereerd tussen de verdampingsbron en het werkstuk. Vanwege het inerte argongas dat in de vacuümkap is gevuld, wordt een deel van het argongas geïoniseerd onder invloed van het elektrische ontladingsveld, waardoor een plasmadonkere zone rond het kathodewerkstuk ontstaat. De positief geladen argongionen worden aangetrokken door de negatieve hoogspanning van de kathode en bombarderen het oppervlak van het werkstuk heftig, waardoor deeltjes en vuil op het oppervlak van het werkstuk worden gespat en weggeslingerd, waardoor het oppervlak van het werkstuk volledig kan worden gereinigd door ionenbombardement. Vervolgens wordt de wisselstroomvoeding van de verdampingsbron aangesloten en smelten en verdampen de verdampte materiaaldeeltjes, komen in de gloeiontladingszone en worden geïoniseerd. De positief geladen verdampte materiaalionen, aangetrokken door de kathode, snellen naar het werkstuk samen met argonionen. Wanneer de hoeveelheid verdampte materiaalionen die op het oppervlak van het werkstuk is afgezet de hoeveelheid gespatte ionen overtreft, hopen ze zich geleidelijk op om een stevig gehechte coating op het oppervlak van het werkstuk te vormen.
De coatingstructuur van ionenplating is dicht, zonder gaatjes, bellen en een uniforme dikte. Deze methode is zeer geschikt voor het coaten van onderdelen met interne gaten, groeven en smalle openingen die moeilijk te coaten zijn met andere methoden, en vormt geen metaalknobbeltjes. Vanwege het vermogen om kleine scheuren en defecten zoals putcorrosie op het oppervlak van het werkstuk te repareren, kan dit proces de oppervlaktekwaliteit en fysieke en mechanische eigenschappen van de gecoate onderdelen effectief verbeteren. Vermoeidheidstesten hebben aangetoond dat bij een juiste behandeling de vermoeiingslevensduur van het werkstuk met 20% tot 30% kan worden verlengd in vergelijking met vóór het plateren.
Kenmerken van vacuüm-ioncoating
Vergeleken met verdamping en sputteren heeft ionplating de volgende eigenschappen:
(1) Goede hechtingsprestaties van de coating
Tijdens gewone vacuümcoating is er bijna geen overgangslaag die het oppervlak van het werkstuk en de coating verbindt. Tijdens ionenplating, wanneer ionen het werkstuk met hoge snelheid bombarderen, kunnen ze het oppervlak van het werkstuk binnendringen en een diffusielaag vormen die diep in het substraat is geïmplanteerd. De interfacediffusiediepte van ionenplating kan vier tot vijf micrometer bedragen. In de vroege fase van coating bestaan sputteren en depositie naast elkaar en kan een overgangslaag of een gemengde laag van film- en substraatcomponenten worden gevormd op de interface tussen de film en het substraat, een pseudodiffusielaag genoemd, die de hechtingsprestaties van de filmlaag effectief kan verbeteren.
(2) Sterke platingcapaciteit
Tijdens ionplating bewegen de verdampte materiaaldeeltjes in de vorm van geladen ionen in de richting van het elektrische veld. Daarom kan overal waar een elektrisch veld aanwezig is, een goede coating worden verkregen, die veel beter is dan gewone vacuümcoating die alleen een coating in de directe richting kan verkrijgen. Daarom is deze methode zeer geschikt voor gebieden op geplateerde onderdelen die moeilijk te plateren zijn met andere methoden, zoals binnengaten, groeven en smalle openingen.
(3) Goede coatingkwaliteit
De coating van ionenplating heeft een dichte structuur, geen gaatjes, geen bellen en een uniforme dikte. Zelfs de randen en groeven kunnen uniform worden gecoat en onderdelen zoals draden kunnen ook worden gecoat met een hoge hardheid, hoge slijtvastheid (lage wrijvingscoëfficiënt), goede corrosiebestendigheid en chemische stabiliteit, wat resulteert in een langere levensduur van de filmlaag; Tegelijkertijd kan de filmlaag het uiterlijk en de decoratieve prestaties van het werkstuk aanzienlijk verbeteren.
(4) Vereenvoudig het schoonmaakproces
De meeste bestaande coatingprocessen vereisen strikte reiniging van het werkstuk vooraf, en het proces is relatief verantwoord. Tijdens het ionplatingproces wordt een groot aantal hoogenergetische deeltjes gegenereerd door gloeiontlading gebruikt om een kathodisch sputtereffect op het oppervlak te creëren, dat het gas en de olie reinigt die door sputteren op het substraatoppervlak zijn geadsorbeerd, waardoor het substraatoppervlak wordt gezuiverd totdat het hele coatingproces is voltooid, wat veel reinigingswerk vóór het platingproces vereenvoudigt.
(5) Breed beschikbare geplateerde materialen
Ionplating is het proces waarbij ionen met hoge energie worden gebruikt om het oppervlak van een werkstuk te bombarderen, waarbij een grote hoeveelheid elektrische energie wordt omgezet in thermische energie op het oppervlak van het werkstuk, waardoor diffusie en chemische reacties in het oppervlakteweefsel worden bevorderd en het werkstuk niet wordt beïnvloed door hoge temperaturen. Daarom heeft dit coatingproces een breed scala aan toepassingen en is het minder beperkt. Meestal kunnen verschillende metalen, legeringen, evenals bepaalde synthetische materialen, isolatiematerialen, thermogevoelige materialen en materialen met een hoog smeltpunt worden geplateerd. Metalen werkstukken kunnen worden geplateerd met niet-metalen of metalen, evenals metalen of niet-metalen, en zelfs kunststoffen, rubber, kwarts, keramiek, enz.
Classificatie van vacuüm-ioncoating
Er zijn verschillende combinaties van ionisatie- en excitatiemethoden voor verschillende verdampingsbronnen en atomen, wat leidt tot de opkomst van veel verdampingsbron-ionplatingmethoden. Veelvoorkomende methoden zijn sputtering-ionplating en verdamping-ionplating op basis van de verwerving van membraandeeltjes.
1. Sputtertype ionplating
Door het gebruik van hoogenergetische ionen om het oppervlak van het membraanmateriaal te sputteren, worden metaaldeeltjes gegenereerd. De metaaldeeltjes ioniseren in metaalionen in de gasontladingsruimte en bereiken het substraat onder negatieve voorspanning om een film af te zetten en te vormen.
Verdampende ionenplating
Het coatingmateriaal verwarmen door middel van verschillende verwarmingsmethoden om te verdampen en metaaldamp te produceren, die vervolgens in de gasontladingsruimte wordt geïntroduceerd en op verschillende manieren wordt geëxciteerd om te ioniseren tot metaalionen. Deze ionen bereiken het substraat onder negatieve voorspanning en slaan neer in een film.
Onder hen kan verdampende ionenplating worden onderverdeeld in DC twee-fase ionenplating, holle kathode ionenplating, hete draad boog ionenplating en kathode boog ionenplating volgens verschillende ontladingsprincipes. DC secundaire ionenplating is een stabiele gloeiontlading; Holle kathode ionenplating en hete draad boog ionenplating zijn beide thermische boogontladingen, en de reden voor de generatie van elektronen kan eenvoudig worden samengevat als de thermische emissie van elektronen buiten de kern als gevolg van het verwarmen van metalen materialen tot hoge temperaturen; Het ontladingstype van kathodische boog ionenplating verschilt van de vorige typen ionenplating, en het maakt gebruik van koude boogontlading.
(1) Holle kathode-ionenplating (HCD)
Gebruik van holle hete kathode-ontlading om plasma-elektronenbundel te genereren. Kenmerken van holle kathode-ionenplating: ① HCD holle kathodekanon is zowel een warmtebron voor vergassing van membraanmateriaal als een ionisatiebron voor verdampte deeltjes, en de ionisatiemethode is om lagedruk-elektronenbundelbotsing te gebruiken; ② Met behulp van een versnellingsspanning variërend van 0V tot enkele honderden volt, werken ionisatie en ionenversnelling onafhankelijk Kan reactieve ionenplating goed uitvoeren; ④ De temperatuurstijging van het substraat is klein en het substraat moet nog steeds worden verwarmd tijdens het coaten; ⑤ Hoge ionisatie-efficiëntie, grote elektronenbundelvlek en kan op verschillende films worden afgezet.
(2) Kathodische boogionplating
Kathodische boogionplating is het hoogtepunt van de gangbare ioncoatingtechnologie, die gebruikmaakt van koudeboogontlading en de hoogste deeltjesionisatiegraad heeft van veel PVD-coatingtechnologieën.
