技術與服務

Technology and Services
  • PVD技術
  • 電弧蒸發
  • 濺射技術
  • PMAII
  • HIPIMS
  • PN+PVD
  • 類金剛石DLC涂層
  • PACVD技術
PVD技術

PVD 是物理氣相沉積的縮寫,PVD是在真空狀態下材料蒸發沉積的技術,真空腔室是必備的條件,以避免蒸發出的材料和空氣反應,PVD涂層用來制備新的、具有額外價值和特點的產品,如絢麗的色彩、耐磨損能力和降低摩擦。利用物理氣相沉積 (PVD) 工藝,通過冷凝大部分金屬材料并與氣體結合,如氮,形成涂層。 基體材料是從固態轉化為氣態,并如在電弧工藝中一樣被接受到的熱能電離,或者如在濺射工藝中一樣由動能電離。PVD技術是環保無污染的,總體來講,匯成真空專注于PVD鍍膜。

電弧蒸發

電弧蒸發是物理氣相沉積的一種方式,PVD應用于硬質涂層方面就是從電弧技術開始的,電弧技術最早起源于電焊,將被蒸發的固體金屬(靶材)置于真空腔室內,產生輝光放電后,在靶材表面運行,靶材在很小的范圍內蒸發,大概是幾個微米大小。電弧的運動是由磁場所控制的,蒸發出的金屬離子形成的等離子體將沉積于工件表面,這些工件是在真空腔內旋轉運動,電弧制備的涂層通常被用于工具和零部件的表面涂層,例如,TiN, AlTiN, AlCrN, TiSiN, TiCN, CrCN 和 CrN。蒸發的金屬被電離同時加速進入電場,電弧工藝中實現蒸發材料的高度電離,沉積涂層具有優異的附著力。


電弧工藝示意圖
電弧工藝的示意圖


電弧技術的優點:
+ 高沉積速率(~1-3 μm/h) 
+ 高離化率,形成結合力好,致密的涂層 
+ 靶材冷卻,涂層工件受熱較少,這樣可以在低于100°C以下沉積 
+ 可以蒸發多種成分的金屬,剩余固態靶材成分不變 
+ 陰極可以放置在任何位置(水平、垂直、上部和下部),設備設計靈活

電弧技術的主要缺點:
- 靶材材料受限
- 只能使用金屬(不包含氧化物),導致蒸發溫度不會低 
- 由于很高的電流密度,一些靶材材料以小液滴的形式被蒸發濺出

濺射技術

濺射是物理氣相沉積技術的另一種方式,濺射的過程是由離子轟擊靶材表面,使靶材材料被轟擊出來的技術。惰性氣體,如氬氣,被充入真空腔內,通過使用高電壓,產生輝光放電,加速離子到靶材表面,氬離子將靶材材料從表面轟擊(濺射)出來,在靶材前的工件上沉積下來,通常還需要用到其它氣體,如氮氣和乙炔,和被濺射出來的靶材材料發生反應,形成化合物薄膜。濺射技術可以制備多種涂層,在裝飾涂層上具有很多優點(如Ti、Cr、Zr和碳氮化物),因為其制備的涂層非常光滑,這個優點使濺射技術也廣泛應用于汽車市場的摩擦學領域(例如,CrN、Cr2N及多種類金剛石(DLC)涂層)。高能量離子轟擊靶材,提取原子并將它們轉化為氣態,利用磁控濺射技術,可以對大量材料進行濺射。


濺射工藝示意圖
濺射工藝的示意圖


濺射技術的優點:
+ 靶材采用水冷,減少熱輻射
+ 不需要分解的情況下,幾乎任何金屬材料都可以作為靶材濺射
+ 絕緣材料也可以通過使用射頻或中頻電源濺射
+ 制備氧化物成為可能(反應濺射)
+ 良好的涂層均勻性
+ 涂層非常光滑(沒有液滴)
+ 陰極(最大2m長)可以放置在任何位置,提高了設備設計的靈活性

濺射技術的缺點:
- 與電弧技術比較,較低的沉積速率
- 與電弧相比,等離子體密度較低(~5%),涂層結合力和涂層致密度較低

濺射技術有多種形式,這里我們將解釋其中的一些,這些濺射技術都能在匯成真空生產的真空鍍膜設備上實現。
+ 磁控濺射 使用磁場保持靶材前面等離子體,強化離子的轟擊,提高等離子體密度。
+ UBM 濺射是非平衡磁控濺射的縮寫。使用增強的磁場線圈加強工件附近的等離子密度。可以得到更加致密的涂層。在UBM過程中使用了更高的能量,所以溫度也會相應升高。
+ 閉合場濺射 運用磁場分布限制等離子體于閉合場內。降低靶材材料對真空腔室的損失并使等離子體更加靠近工件。可以得到致密涂層,并且使真空腔室保持相對清潔。
+ 孿生靶濺射(DMS)是用來沉積絕緣體涂層的技術。交流電(AC)作用在兩個陰極上,而不是在陰極和真空腔室之間采用直流(DC)。這樣使靶材具有自我清理功能。孿生靶磁控濺射用來高速沉積如氧化物涂層。
+ HIPIMS+ (高功率脈沖磁控濺射)采用高脈沖電源提高濺射材料的離化率。運用HIPIMS+ 制備的涂層兼具了電弧技術和濺射技術的優點。HIPIMS+ 形成致密涂層,具有良好涂層結合力,同時也是原子級的光滑和無缺陷的涂層。

PMAII

     第二代增強磁控電弧涂層技術獨有的磁場控制技術使電弧在靶材整個表面做快速的移動,靶材表面被均勻刻蝕,涂層表面光滑致密,優化了涂層結合力。



技術特點:

   (1)電磁和永磁復合磁場驅動。

   (2)提高靶材利用率。

   (3)增強等離子體密度。

   (4)有效抑制“大液體”。

   (5)增大有效鍍區。


HIPIMS

       HIPIMS是高功率脈沖磁控濺射技術(High power impulse magnetron sputtering)的簡稱,其原理是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術,HIPIMS的峰值功率可以達到MW級別,但由于脈沖作用時間短,其平均功率與普通磁控濺射一樣,這樣陰極不會因過熱贈增加靶材冷卻。HIPIMS綜合了磁控濺射低溫沉積、表面光滑、無顆粒缺陷和電弧離子鍍金屬離化率高、膜層結合力強、涂層致密的優點,且離子束流不含大顆粒,在控制涂層微結構的同時獲得優異的膜基結合力,在降低涂層內應力及提高膜層致密性、均勻性等方面具有閑著的優勢,被認為是PVD發展史上近30年來很重要的一項技術突破,特別是在硬質涂層和功能涂層的應用方面有顯著優勢。

圖1  HIPIMS峰值電壓和電流曲線圖

表1  HIPIMS與直流磁控管參數比較

參數 HIPIMS 直流磁控管
工作壓力 10-4~10-2 Torr 10-4~10-2 Torr
陰極電流密度 JMAX≤10A/cm2 JMAX≤0.1A/cm2
放電電壓 0.5 – 1.5 kV 0.3 – 0.6 kV
血漿密度 ≤ 1013 cm-3 ≤ 1011 cm-3
陰極功率密度 1 – 3 kW/cm2 < 0.1 kW/cm2
電離分數 30% – 90% < 1%

      HIPIMS中靶材上的高峰值功率脈沖導致等離子體電子密度高達1019m-3,這比DCMS濺射法高三個數量級。這些高的等離子體密度促進濺射材料的電離,形成電離的濺射材料通量,其中電離分數可達到90%。離子通量受到電磁力的作用,因此可以控制其方向和能量。通過精確控制,目標材料離子通量可用于執行基板預處理以及增強薄膜和器件性能。增強的示例包括增加的膜密度以及膜附著力的顯著改善。

PN+PVD

      對大多數中碳合金結構鋼零件, 其硬度較硬質膜低的多,僅沉積幾微米厚的PVD膜層,難以有效地提高其 耐磨性、疲勞強度以及抗塑性變形能力。鋼鐵滲氮后,在其表面形成氮的化合物和擴散層,提高了零件表層硬度。 氮化件較未滲氮件更適合作為PVD膜層的基體。

類金剛石DLC涂層

      類金剛石涂層經常適用于汽車引擎以減少發動機的摩擦,黑色的色彩使DLC涂層在作為裝飾涂層(如:手表)上受到廣泛歡迎,并且由于其較低摩擦和無粘連系數,使其很好的運用在工具涂層。DLC涂層技術非常適用于機械的加工和鑄造/鍛造,以及鋁及塑料注塑模具的涂層。

類金剛石(DLC)涂層技術:

      不同類型的類金剛石涂層,具有不同的生產技術。DLC涂層適用于極端磨損情況和高相對速度,甚至是在無潤滑運轉的條件下使用,具有卓越的耐磨蝕性、抗摩擦氧化性和附著性(防磨損),可承受在正常條件下會立刻導致磨損和冷焊的表面壓力,將摩擦損失降至最小,良好的耐腐蝕性使基體免受破壞性攻擊。

PACVD技術

      是等離子體輔助化學氣相沉積的縮寫,有時也寫作PECVD,E代表增強的意思。在PVD過程中,涂層材料是從固體形式蒸發得到;而在PACVD過程中,涂層是從氣體形式得到,氣體,如HMDSO(六甲基二甲硅醚)在等離子體作用下,大約200 oC時發生裂解,非反應氣體,如氬氣,可以使離子沉積到工件表面并形成很薄的涂層,類金剛石(DLC)涂層就是PACVD技術制備的很好的例子,通常應用于摩擦學和汽車行業。

     等離子體輔助化學氣相沉積 (PACVD) 用于沉積 DLC 涂層, 通過等離子體激發和電離,激活工藝中的化學反應,借助此工藝,我們可以在約 200 °C 的低溫下使用脈沖輝光或高頻放電進行沉積,用 PACVD 生成的類金剛石涂層具有摩擦系數低和可擴展的表面硬度特性。

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