Tehnologija vakuumskog premaza, skraćeno PVD, je tehnika koja koristi fizičke metode za isparavanje površine izvora materijala u atome, molekule ili ione u vakuumskim uvjetima i nanošenje tankog filma s određenom posebnom funkcijom na površinu supstrata. Tehnologija prevlačenja opreme za vakuumsko premazivanje uglavnom je podijeljena u tri kategorije: taloženje parom, raspršivanje i ionsko nanošenje. Postoje tri vrste tehnologije premaza evaporacijom: isparavanje otporom, isparavanje elektronskim snopom i isparavanje indukcijskim grijanjem.
Postoje tri glavna pravca za tehnologiju prevlačenja u opremi za vakuumsko premazivanje: tehnologija prevlačenja evaporacijom, tehnologija ionskog premaza i oprema za nanošenje magnetronskog raspršivanja. Svaka tehnologija premaza ima svoje prednosti i nedostatke, a različite podloge i mete se premazuju različitim tehnologijama premaza.
Tehnologija premaza otpornosti na isparavanje usvaja tehnologiju premaza evaporacijom izvora isparavanja otpornog grijanja, koji se općenito koristi za isparavanje materijala niske točke topljenja kao što su aluminij, zlato, srebro, cink sulfid, magnezijev fluorid, krom trioksid, itd.; Otpornici za grijanje su uglavnom napravljeni od volframa, molibdena, tantala, itd. Jedinstvene prednosti, jednostavna struktura i niska cijena. Nedostatak: Materijal je sklon reakciji s loncem, što utječe na čistoću tankog filma i ne može ispariti tanke dielektrične filmove visoke točke topljenja; Niska stopa isparavanja.
Isparavanje elektronskim snopom pomoću otpornog isparavanja je tehnologija koja koristi zagrijavanje elektronskim snopom velike brzine za isparavanje i isparavanje materijala, a zatim se kondenzira u film na površini supstrata. Gustina energije izvora toplote elektronskog snopa može doseći 104-109w/cm2, a može dostići i preko 3000 stepeni. Može da ispari metale visoke tačke topljenja ili dielektrične materijale kao što su volfram, molibden, germanijum, SiO2, AL2O3, itd.
Glavni princip isparavanja elektronskih zraka je da u okruženju visokog vakuuma, visokoenergetski elektroni koje emituje elektronski top bombarduju površinu ciljanog materijala pod dejstvom električnog i magnetskog polja, pretvarajući kinetičku energiju u toplotnu energiju. Ciljni materijal se zagrijava, topi ili direktno isparava, nanoseći tanki film na površinu podloge.
Postoje dvije vrste izvora taloženja pare za zagrijavanje elektronskim snopom: elektronski topovi s ravnim topovima i elektronski topovi e-tipa (također kružni). Elektronski snop se emituje iz izvora i fokusira i odbija pomoću zavojnice magnetnog polja da bombarduje i zagreva filmski materijal. Njegove prednosti uključuju mogućnost isparavanja bilo kojeg materijala, visoku čistoću filma, direktno djelovanje na površinu materijala i visoku toplinsku učinkovitost. Nedostaci elektronskih topova uključuju složenu strukturu, visoku cijenu, lako razlaganje jedinjenja tokom taloženja i hemijsku neravnotežu.
Indukcijsko grijanje evaporacija je tehnologija koja koristi visokofrekventno elektromagnetsko polje indukcijsko grijanje za isparavanje i isparavanje materijala, kondenzirajući ih u film na površini podloge. Njegove prednosti uključuju visoku brzinu isparavanja, koja može biti oko 10 puta veća od otpornog izvora isparavanja. Temperatura izvora isparavanja je stabilna, što ga čini manje sklonim prskanju. Temperatura lončića je niska, a materijal lončića ima manje zaprljanja membrane. Njegovi nedostaci uključuju potrebu za zaštitom uređaja za isparavanje, visoku cijenu i složenu opremu.
Iako su principi ove tri tehnologije nanošenja premaza evaporacijom za opremu za vakuumsko premazivanje isti, sve one koriste visokotemperaturno isparavanje za isparavanje materijala za premazivanje. Međutim, okruženja u kojima se primjenjuju su različita, a materijali za premaze i podloge također imaju različite zahtjeve.
Visokofrekventno indukcijsko zagrijavanje isparavanjem je proces postavljanja lonca koji sadrži materijal za oblaganje u centar visokofrekventne spiralne zavojnice, uzrokujući da materijal za oblaganje stvara jake vrtložne struje i efekte histereze pod indukcijom visokofrekventnog elektromagnetnog polja, što rezultira u zagrijavanju sloja filma dok ne ispari i ispari. Izvor isparavanja se uglavnom sastoji od vodeno hlađenog visokofrekventnog namotaja i grafitnog ili keramičkog (magnezijum oksid, aluminijum oksid, bor oksid, itd.) lončića. Visokofrekventno napajanje koristi frekvenciju od 10000 do nekoliko stotina hiljada herca, sa ulaznom snagom od nekoliko do nekoliko stotina kilovata. Što je manji volumen materijala membrane, to je veća frekvencija indukcije. Frekvencija indukcijske zavojnice se obično proizvodi pomoću bakrenih cijevi hlađenih vodom. Nedostatak metode visokofrekventnog indukcijskog grijanja isparavanjem je što nije lako fino podesiti ulaznu snagu. Ima sljedeće prednosti:
1. Visoka stopa isparavanja:
2. Temperatura izvora isparavanja je ujednačena i stabilna i nije lako proizvesti prskanje kapljica oplate
3. Jednokratno punjenje izvora isparavanja, kontrola temperature je relativno laka, a rad je jednostavan.
Prednosti tehnologije magnetronskog raspršivanja su sljedeće
1. Visoka brzina sedimentacije. Zbog upotrebe magnetronskih elektroda velike brzine, može se dobiti velika jonska struja, efektivno poboljšavajući brzinu taloženja i brzinu raspršivanja ovog procesa premaza. U poređenju sa drugim procesima nanošenja premaza raspršivanjem, magnetronsko raspršivanje ima visok proizvodni kapacitet i izlaz, i široko se koristi u raznim industrijskim proizvodnjama.
2. Visoka energetska efikasnost. Magnetronske mete za raspršivanje općenito biraju napone u rasponu od 200V-1000V, obično 600V, jer je napon od 600V upravo unutar najvećeg efektivnog raspona energetske efikasnosti.
Niska energija prskanja. Nizak napon primijenjen na metu magnetrona i magnetsko polje ograničavaju plazmu u blizini katode, što može spriječiti visokoenergetske nabijene čestice da padnu na podlogu.
3. Temperatura podloge je niska. Elektroni nastali tokom anodnog pražnjenja mogu se iskoristiti bez potrebe za uzemljenjem podloge, što može efikasno smanjiti bombardovanje elektrona na podlogu. Zbog toga je temperatura podloge relativno niska, što je čini vrlo pogodnom za premazivanje nekih plastičnih podloga koje nisu previše otporne na visoke temperature.
Neravnomjerno nagrizanje na površini meta magnetronskog raspršivanja. Neujednačeno površinsko nagrizanje meta magnetronskog raspršivanja uzrokovano je neujednačenim magnetnim poljima cilja, što rezultira većom stopom jetkanja na lokalnim lokacijama mete i nižom efektivnom stopom iskorištenja ciljnog materijala (samo 20% -30% stope iskorištenja) . Stoga, kako bi se poboljšala stopa iskorištenja ciljnih materijala, potrebno je određenim sredstvima promijeniti distribuciju magnetnog polja ili koristiti magnete za kretanje u katodi, što također može poboljšati stopu iskorištenja ciljnih materijala.
4. Kompozitna meta. Mogu se proizvoditi kompozitne folije od legure obložene metom. Trenutno su filmovi od legure Ta Ti, (Tb Dy) - Fe i Gb Co uspješno naneseni korištenjem kompozitne tehnologije magnetronskog raspršivanja. Postoje četiri vrste struktura za kompozitne mete, a to su kružne ugrađene mete, kvadratne ugrađene mete, male kvadratne mete i ugrađene mete u obliku lepeze. Među njima, ugrađena ciljna struktura u obliku lepeze ima najbolji učinak upotrebe.
5. Širok spektar primjena. Proces magnetronskog raspršivanja može deponovati mnoge elemente, uključujući 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, itd.
Tehnologija vakuumskog jonskog premaza
Tehnologija vakuumske ionske prevlake(skraćeno kao ion plating) je prvi razvio D M. Mattox je predložen i stavljen u praksu 1963. godine kao tehnologija premaza koja kombinuje isparavanje i raspršivanje. Zasnovan je na ionskom bombardiranju, koje zagrijava obloženi materijal ili radni komad do rastaljenog stanja, i koristi visokoenergetsko ionsko bombardiranje za taloženje kemijski nanesenih metalnih ili poluvodičkih tankih filmova na površinu supstrata, čime se dobivaju tanki filmovi sa specifičnim strukturama i svojstvima.
Proces ionskog oblaganja je povezivanje izvora isparavanja na anodu, a obratka na katodu. Kada se primeni jednosmerna struja visokog napona od tri do pet hiljada volti, stvara se lučno pražnjenje između izvora isparavanja i radnog komada. Zbog inertnog plina argona napunjenog u vakuumskom poklopcu, dio plina argona se ionizira pod djelovanjem električnog polja pražnjenja, formirajući tamnu zonu plazme oko katode. Pozitivno nabijeni joni argona privlače se negativnim visokim naponom katode i nasilno bombardiraju površinu obratka, uzrokujući prskanje i izbacivanje čestica i prljavštine na površini izratka, čime se omogućava da se površina obratka odbije. potpuno očišćena jonskim bombardovanjem. Nakon toga se priključuje naizmjenična struja izvora isparavanja, a čestice isparenog materijala se tope i isparavaju, ulazeći u zonu užarenog pražnjenja i ionizirajući se. Pozitivno nabijeni ioni isparenog materijala, privučeni katodom, jure prema radnom komadu zajedno s jonima argona. Kada količina isparenih iona materijala nanesenih na površinu obratka premašuje količinu raspršenih jona, oni se postupno akumuliraju i formiraju čvrsto prianjajući premaz na površini obratka.
Struktura prevlake jonske prevlake je gusta, bez rupica, mjehurića i ujednačene debljine. Ova metoda je vrlo pogodna za premazivanje dijelova sa unutrašnjim rupama, žljebovima i uskim prazninama koje je teško premazati drugim metodama i ne stvaraju metalne nodule. Zbog svoje sposobnosti da popravi male pukotine i defekte kao što je udubljenje na površini radnog komada, ovaj proces može efikasno poboljšati kvalitet površine i fizička i mehanička svojstva obloženih dijelova. Ispitivanja zamora su pokazala da se, ako se s njim pravilno rukuje, vijek trajanja radnog predmeta može povećati za 20% do 30% u odnosu na prije nanošenja ploče.
Karakteristike vakuumskog jonskog premaza
U poređenju sa isparavanjem i raspršivanjem, ionsko prevlačenje ima sljedeće karakteristike:
(1) Dobra prionjivost premaza
Prilikom običnog vakuumskog premaza gotovo da nema prijelaznog sloja koji povezuje površinu obratka i premaz. Tokom jonskog oblaganja, kada joni bombarduju radni predmet velikom brzinom, oni mogu prodrijeti u površinu obratka i formirati difuzijski sloj duboko implantiran u podlogu. Dubina difuzije međupovršine jonske prevlake može doseći četiri do pet mikrometara. U ranoj fazi nanošenja premaza, raspršivanje i taloženje koegzistiraju, a prelazni sloj ili mješoviti sloj komponenti filma i supstrata može se formirati na međuprostoru između filma i podloge, nazvan pseudo difuzijski sloj, koji može učinkovito poboljšati performanse prianjanja. sloja filma.
(2) Jaka sposobnost oblaganja
Tokom ionskog oblaganja, čestice isparenog materijala kreću se duž smjera električnog polja u obliku nabijenih jona. Stoga, gdje god je prisutno električno polje, može se dobiti dobar premaz, koji je mnogo bolji od običnog vakuumskog premaza koji može dobiti premaz samo u direktnom smjeru. Stoga je ova metoda vrlo prikladna za područja na pločastim dijelovima koje je teško obrađivati drugim metodama, kao što su unutrašnje rupe, žljebovi i uski zazori.
(3) Dobar kvalitet premaza
Premaz od jonske prevlake ima gustu strukturu, bez rupica, bez mjehurića i ujednačene debljine. Čak se i rubovi i žljebovi mogu ravnomjerno premazati, a dijelovi kao što su navoji također mogu biti premazani visokom tvrdoćom, visokom otpornošću na habanje (nizak koeficijent trenja), dobrom otpornošću na koroziju i kemijskom stabilnošću, što rezultira dužim vijekom trajanja sloja filma; Istovremeno, sloj filma može značajno poboljšati izgled i dekorativne performanse obratka.
(4) Pojednostavite proces čišćenja
Većina postojećih postupaka premazivanja zahtijevaju striktno čišćenje radnog komada unaprijed, a proces je relativno odgovoran. Tokom procesa ionskog nanošenja, veliki broj visokoenergetskih čestica generiranih usijanim pražnjenjem se koristi za stvaranje efekta katodnog raspršivanja na površini, koji čisti plin i ulje adsorbiran na površini supstrata raspršivanjem, pročišćavajući površinu podloge do kompletan proces nanošenja premaza je završen, što pojednostavljuje mnoge radove na čišćenju pre oblaganja.
(5) Široko dostupni obloženi materijali
Ionsko oblaganje je proces korištenja visokoenergetskih jona za bombardiranje površine obratka, pretvarajući veliku količinu električne energije u toplinsku energiju na površini obratka, čime se promiče difuzija i kemijske reakcije u površinskom tkivu i radnom komadu. na njega ne utiču visoke temperature. Stoga ovaj proces premazivanja ima širok spektar primjena i manje je ograničen. Obično se mogu prekriti različiti metali, legure, kao i određeni sintetički materijali, izolacijski materijali, termoosjetljivi materijali i materijali visoke točke topljenja. Metalni radni predmeti mogu biti obloženi nemetalima ili metalima, kao i metalima ili nemetalima, pa čak i plastikom, gumom, kvarcom, keramikom itd.
Klasifikacija vakuumskih jonskih premaza
Postoje različite kombinacije metoda ionizacije i ekscitacije za različite izvore isparavanja i atome, što dovodi do pojave mnogih metoda ionskog prekrivanja izvora isparavanja. Uobičajene metode uključuju ionsko raspršivanje i ionsko evaporaciju na bazi uzimanja čestica membrane.
1. ionsko prevlačenje
Korištenjem visokoenergetskih jona za raspršivanje površine materijala membrane nastaju metalne čestice. Čestice metala ioniziraju se u metalne ione u prostoru za pražnjenje plina, i one dolaze do supstrata pod negativnim nagibom da se talože i formiraju film.
Evaporativno jonsko polaganje
Zagrijavanje materijala za oblaganje različitim metodama zagrijavanja kako bi se isparila i proizvela metalna para, koja se zatim uvodi u prostor za pražnjenje plina pobuđena na različite načine da se ionizira u metalne ione. Ovi ioni dospijevaju do supstrata pod negativnim nagibom i talože se u film.
Među njima, evaporativno ionsko prevlačenje može se podijeliti na DC dvostepeno ionsko oblaganje, ionsko prevlačenje sa šupljom katodom, ionsko ionsko oblaganje vrućom žicom i ionsko ionsko oblaganje katodnog luka prema različitim principima pražnjenja. DC sekundarno jonsko prevlačenje je stabilno usijano pražnjenje; Pokrivanje sa šupljom katodom i ionsko ionsko oblaganje vrućom žicom su toplotno lučno pražnjenje, a razlog za generiranje elektrona može se jednostavno sažeti kao toplinska emisija elektrona izvan jezgra zbog zagrijavanja metalnih materijala na visoke temperature; Tip pražnjenja katodnog lučnog ionskog oblaganja razlikuje se od prethodnih tipova ionskog oblaganja i koristi hladno lučno pražnjenje.
(1) ionsko polaganje šuplje katode (HCD)
Korištenje pražnjenja šuplje vruće katode za generiranje plazma snopa elektrona. Karakteristike ionske ploče sa šupljom katodom: ① HCD pištolj sa šupljom katodom je i izvor toplote za gasifikaciju membranskog materijala i izvor jonizacije za isparene čestice, a metoda jonizacije je upotreba sudara elektronskih zraka niskog pritiska; ② Koristeći napon ubrzanja u rasponu od 0V do nekoliko stotina volti, jonizacija i ubrzanje jona rade nezavisno. Može dobro izvršiti reaktivno ionsko nanošenje; ④ Porast temperature podloge je mali, a podloga i dalje treba da se zagreje tokom nanošenja premaza; ⑤ Visoka efikasnost ionizacije, velika tačka elektronskog snopa i može se nanijeti na različite filmove.
(2) Katodna ionska obrada
Katodno lučno ionsko polaganje je kulminacija glavne tehnologije ionskog premaza, koja usvaja hladno lučno pražnjenje i ima najveću stopu jonizacije čestica među mnogim tehnologijama PVD premaza.
