Tecnología de recubrimiento al vacíoLa tecnología de recubrimiento por evaporación, abreviada como PVD, es una técnica que utiliza métodos físicos para vaporizar la superficie de una fuente de material en átomos, moléculas o iones en condiciones de vacío y depositar una película delgada con una determinada función especial sobre la superficie del sustrato. La tecnología de recubrimiento de los equipos de recubrimiento al vacío se divide principalmente en tres categorías: deposición de vapor, pulverización catódica y recubrimiento iónico. Existen tres tipos de tecnología de recubrimiento por evaporación: evaporación por resistencia, evaporación por haz de electrones y evaporación por calentamiento por inducción.
Existen tres direcciones principales para la tecnología de recubrimiento en equipos de recubrimiento al vacío: tecnología de recubrimiento por evaporación, tecnología de recubrimiento iónico y equipo de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón. Cada tecnología de recubrimiento tiene sus propias ventajas y desventajas, y diferentes sustratos y objetivos se recubren con diferentes tecnologías de recubrimiento.
La tecnología de recubrimiento por evaporación por resistencia adopta la tecnología de recubrimiento por evaporación de la fuente de evaporación de calentamiento por resistencia, que generalmente se utiliza para evaporar materiales de bajo punto de fusión como aluminio, oro, plata, sulfuro de zinc, fluoruro de magnesio, trióxido de cromo, etc. Las resistencias de calentamiento generalmente están hechas de tungsteno, molibdeno, tantalio, etc. Ventajas únicas, estructura simple y bajo costo. Desventaja: El material es propenso a reaccionar con el crisol, lo que afecta la pureza de la película delgada y no puede evaporar películas delgadas dieléctricas de alto punto de fusión; Baja tasa de evaporación.
La evaporación por haz de electrones mediante recubrimiento por resistencia es una tecnología que utiliza un calentamiento por haz de electrones de alta velocidad para vaporizar y evaporar materiales, y luego se condensa en una película sobre la superficie de un sustrato. La densidad de energía de la fuente de calor del haz de electrones puede alcanzar 104-109w/cm2 y puede alcanzar más de 3000 grados. Puede evaporar metales con un alto punto de fusión o materiales dieléctricos como tungsteno, molibdeno, germanio, SiO2, AL2O3, etc.
El principio fundamental de la evaporación por haz de electrones es que, en un entorno de alto vacío, los electrones de alta energía emitidos por un cañón de electrones bombardean la superficie de un material objetivo bajo la acción de campos eléctricos y magnéticos, convirtiendo la energía cinética en energía térmica. El material objetivo se calienta, se funde o se evapora directamente, depositando una película delgada sobre la superficie del sustrato.
Existen dos tipos de fuentes de deposición de vapor para el calentamiento por haz de electrones: cañones de electrones de cañón recto y cañones de electrones de tipo e (también circulares). El haz de electrones se emite desde la fuente y se enfoca y desvía mediante una bobina de campo magnético para bombardear y calentar el material de la película. Sus ventajas incluyen la capacidad de evaporar cualquier material, alta pureza de la película, acción directa sobre la superficie del material y alta eficiencia térmica. Las desventajas de los cañones de electrones incluyen una estructura compleja, un alto costo, una fácil descomposición de los compuestos durante la deposición y un desequilibrio químico.
La evaporación por calentamiento por inducción es una tecnología que utiliza un calentamiento por inducción de campo electromagnético de alta frecuencia para vaporizar y evaporar materiales, condensándolos en una película sobre la superficie de un sustrato. Sus ventajas incluyen una alta tasa de evaporación, que puede ser aproximadamente 10 veces mayor que la de una fuente de evaporación resistiva. La temperatura de la fuente de evaporación es estable, lo que la hace menos propensa a las salpicaduras. La temperatura del crisol es baja y el material del crisol tiene menos suciedad en la membrana. Sus desventajas incluyen la necesidad de proteger el dispositivo de evaporación, el alto costo y el equipo complejo.
Aunque los principios de estas tres tecnologías de recubrimiento por evaporación para equipos de recubrimiento al vacío son los mismos, todas utilizan la evaporación a alta temperatura para vaporizar los materiales para el recubrimiento. Sin embargo, los entornos en los que se aplican son diferentes y los materiales y sustratos de recubrimiento también tienen diferentes requisitos.
La evaporación por calentamiento por inducción de alta frecuencia es el proceso de colocar un crisol que contiene material de revestimiento en el centro de una bobina espiral de alta frecuencia, lo que hace que el material de revestimiento genere fuertes corrientes parásitas y efectos de histéresis bajo la inducción de un campo electromagnético de alta frecuencia, lo que da como resultado el calentamiento de la capa de película hasta que se vaporiza y se evapora. La fuente de evaporación generalmente consiste en una bobina de alta frecuencia enfriada por agua y un crisol de grafito o cerámica (óxido de magnesio, óxido de aluminio, óxido de boro, etc.). La fuente de alimentación de alta frecuencia utiliza una frecuencia de 10000 a varios cientos de miles de hercios, con una potencia de entrada de varios a varios cientos de kilovatios. Cuanto menor sea el volumen del material de la membrana, mayor será la frecuencia de inducción. La frecuencia de la bobina de inducción generalmente se fabrica utilizando tubos de cobre enfriados por agua. La desventaja del método de evaporación por calentamiento por inducción de alta frecuencia es que no es fácil ajustar la potencia de entrada. Tiene las siguientes ventajas:
1. Alta tasa de evaporación:
2. La temperatura de la fuente de evaporación es uniforme y estable, y no es fácil que se produzcan salpicaduras de gotas de recubrimiento.
3. Se carga una sola vez la fuente de evaporación, el control de temperatura es relativamente fácil y la operación es simple.
Las ventajas de la tecnología de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón son las siguientes:
1. Alta tasa de sedimentación. Debido al uso de electrodos de magnetrón de alta velocidad, se puede obtener una gran corriente de iones, lo que mejora de manera efectiva la tasa de deposición y la tasa de pulverización catódica de este proceso de recubrimiento. En comparación con otros procesos de recubrimiento por pulverización catódica, la pulverización catódica con magnetrón tiene una alta capacidad de producción y rendimiento, y se usa ampliamente en diversas producciones industriales.
2. Alta eficiencia energética. Los objetivos de pulverización catódica con magnetrón generalmente eligen voltajes dentro del rango de 200 V-1000 V, generalmente 600 V, porque el voltaje de 600 V está justo dentro del rango efectivo más alto de eficiencia energética.
Baja energía de pulverización. El bajo voltaje aplicado al objetivo del magnetrón y el campo magnético confinan el plasma cerca del cátodo, lo que puede evitar que partículas cargadas de alta energía incidan sobre el sustrato.
3. La temperatura del sustrato es baja. Los electrones generados durante la descarga anódica se pueden utilizar sin necesidad de una conexión a tierra del sustrato, lo que puede reducir eficazmente el bombardeo de electrones sobre el sustrato. Por lo tanto, la temperatura del sustrato es relativamente baja, lo que lo hace muy adecuado para recubrir algunos sustratos plásticos que no son muy resistentes a las altas temperaturas.
Grabado desigual en la superficie de los objetivos de pulverización catódica con magnetrón. El grabado desigual de la superficie de los objetivos de pulverización catódica con magnetrón se debe a campos magnéticos desiguales en el objetivo, lo que da como resultado una mayor tasa de grabado en ubicaciones locales del objetivo y una menor tasa de utilización efectiva del material del objetivo (solo un 20 % -30 % de tasa de utilización). Por lo tanto, para mejorar la tasa de utilización de los materiales del objetivo, es necesario cambiar la distribución del campo magnético a través de ciertos medios o utilizar imanes para moverse en el cátodo, lo que también puede mejorar la tasa de utilización de los materiales del objetivo.
4. Objetivo compuesto. Se pueden producir películas de aleación recubiertas de objetivos compuestos. Actualmente, las películas de aleación Ta Ti, (Tb Dy) - Fe y Gb Co se han depositado con éxito utilizando la tecnología de pulverización catódica con magnetrón compuesto. Hay cuatro tipos de estructuras para objetivos compuestos, a saber, objetivos incrustados circulares, objetivos incrustados cuadrados, objetivos incrustados cuadrados pequeños y objetivos incrustados en forma de abanico. Entre ellos, la estructura de objetivo incrustado en forma de abanico tiene el mejor efecto de uso.
5. Amplia gama de aplicaciones. El proceso de pulverización catódica con magnetrón permite depositar muchos elementos, entre ellos 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.
Tecnología de recubrimiento iónico al vacío
Tecnología de recubrimiento iónico al vacío(abreviado como recubrimiento iónico) fue desarrollado por primera vez por D. M. Mattox y fue propuesto y puesto en práctica en 1963 como una tecnología de recubrimiento que combina la evaporación y la pulverización catódica. Se basa en el bombardeo iónico, que calienta el material o la pieza de trabajo recubiertos hasta un estado fundido y utiliza el bombardeo iónico de alta energía para depositar películas delgadas de metal o semiconductores depositados químicamente sobre la superficie del sustrato, obteniendo así películas delgadas con estructuras y propiedades específicas.
El proceso de recubrimiento iónico consiste en conectar la fuente de evaporación al ánodo y la pieza de trabajo al cátodo. Cuando se aplica una corriente continua de alto voltaje de tres a cinco mil voltios, se genera una descarga de arco entre la fuente de evaporación y la pieza de trabajo. Debido al gas argón inerte que se llena en la campana de vacío, parte del gas argón se ioniza bajo la acción del campo eléctrico de descarga, formando una zona oscura de plasma alrededor de la pieza de trabajo del cátodo. Los iones de argón con carga positiva son atraídos por el alto voltaje negativo del cátodo y bombardean violentamente la superficie de la pieza de trabajo, lo que hace que las partículas y la suciedad de la superficie de la pieza de trabajo se salpiquen y se arrojen, lo que permite que la superficie de la pieza de trabajo se limpie por completo mediante el bombardeo de iones. Posteriormente, se conecta la fuente de alimentación de CA de la fuente de evaporación y las partículas de material evaporado se funden y se evaporan, ingresando a la zona de descarga luminiscente y ionizándose. Los iones de material evaporado con carga positiva, atraídos por el cátodo, se precipitan hacia la pieza de trabajo junto con los iones de argón. Cuando la cantidad de iones de material evaporado depositados en la superficie de la pieza de trabajo excede la cantidad de iones salpicados, se acumulan gradualmente para formar una capa firmemente adherida en la superficie de la pieza de trabajo.
La estructura de recubrimiento del recubrimiento iónico es densa, sin poros ni burbujas y con un espesor uniforme. Este método es muy adecuado para recubrir piezas con orificios internos, ranuras y espacios estrechos que son difíciles de recubrir con otros métodos y no forma nódulos metálicos. Debido a su capacidad para reparar pequeñas grietas y defectos como picaduras en la superficie de la pieza de trabajo, este proceso puede mejorar eficazmente la calidad de la superficie y las propiedades físicas y mecánicas de las piezas recubiertas. Las pruebas de fatiga han demostrado que, si se maneja correctamente, la vida útil por fatiga de la pieza de trabajo se puede aumentar entre un 20% y un 30% en comparación con antes del recubrimiento.
Características del recubrimiento iónico al vacío
En comparación con la evaporación y la pulverización catódica, el recubrimiento iónico tiene las siguientes características:
(1) Buen rendimiento de adhesión del recubrimiento.
Durante el recubrimiento al vacío ordinario, casi no hay una capa de transición que conecte la superficie de la pieza de trabajo y el recubrimiento. Durante el recubrimiento iónico, cuando los iones bombardean la pieza de trabajo a alta velocidad, pueden penetrar la superficie de la pieza de trabajo y formar una capa de difusión profundamente implantada en el sustrato. La profundidad de difusión de la interfaz del recubrimiento iónico puede alcanzar de cuatro a cinco micrómetros. En la etapa inicial del recubrimiento, coexisten la pulverización catódica y la deposición, y se puede formar una capa de transición o una capa mixta de componentes de película y sustrato en la interfaz entre la película y el sustrato, llamada capa de pseudodifusión, que puede mejorar eficazmente el rendimiento de adhesión de la capa de película.
(2) Fuerte capacidad de enchapado.
Durante el recubrimiento iónico, las partículas de material evaporado se mueven a lo largo de la dirección del campo eléctrico en forma de iones cargados. Por lo tanto, dondequiera que haya un campo eléctrico presente, se puede obtener un buen recubrimiento, que es muy superior al recubrimiento al vacío ordinario que solo puede obtener un recubrimiento en la dirección directa. Por lo tanto, este método es muy adecuado para áreas en piezas revestidas que son difíciles de revestir con otros métodos, como orificios internos, ranuras y espacios estrechos.
(3) Buena calidad del recubrimiento
El recubrimiento de enchapado iónico tiene una estructura densa, sin poros, sin burbujas y un espesor uniforme. Incluso los bordes y las ranuras se pueden recubrir de manera uniforme, y las piezas como las roscas también se pueden recubrir con alta dureza, alta resistencia al desgaste (bajo coeficiente de fricción), buena resistencia a la corrosión y estabilidad química, lo que da como resultado una vida útil más larga de la capa de película; Al mismo tiempo, la capa de película puede mejorar significativamente la apariencia y el rendimiento decorativo de la pieza de trabajo.
(4) Simplifica el proceso de limpieza
La mayoría de los procesos de recubrimiento existentes requieren una limpieza estricta de la pieza de trabajo por adelantado, y el proceso es relativamente responsable. Durante el proceso de recubrimiento iónico, se utiliza una gran cantidad de partículas de alta energía generadas por descarga luminiscente para crear un efecto de pulverización catódica en la superficie, que limpia el gas y el aceite adsorbidos en la superficie del sustrato mediante pulverización catódica, purificando la superficie del sustrato hasta que se completa todo el proceso de recubrimiento, simplificando una gran cantidad de trabajo de limpieza previo al recubrimiento.
(5) Materiales chapados ampliamente disponibles
El recubrimiento iónico es un proceso que consiste en bombardear la superficie de una pieza de trabajo con iones de alta energía, convirtiendo una gran cantidad de energía eléctrica en energía térmica en la superficie de la pieza de trabajo, promoviendo así la difusión y las reacciones químicas en el tejido de la superficie, y la pieza de trabajo no se ve afectada por las altas temperaturas. Por lo tanto, este proceso de recubrimiento tiene una amplia gama de aplicaciones y es menos limitado. Por lo general, se pueden recubrir diversos metales, aleaciones, así como ciertos materiales sintéticos, materiales aislantes, materiales termosensibles y materiales de alto punto de fusión. Las piezas de trabajo de metal se pueden recubrir con no metales o metales, así como con metales o no metales, e incluso plásticos, caucho, cuarzo, cerámica, etc.
Clasificación del recubrimiento iónico al vacío
Existen varias combinaciones de métodos de ionización y excitación para diferentes fuentes de evaporación y átomos, lo que ha dado lugar a la aparición de muchos métodos de deposición iónica con fuentes de evaporación. Los métodos más comunes incluyen la deposición iónica por pulverización catódica y la deposición iónica por evaporación basada en la adquisición de partículas de membrana.
1. Recubrimiento iónico por pulverización catódica
Al utilizar iones de alta energía para pulverizar la superficie del material de la membrana, se generan partículas metálicas. Las partículas metálicas se ionizan en iones metálicos en el espacio de descarga de gas y llegan al sustrato bajo polarización negativa para depositarse y formar una película.
Recubrimiento iónico por evaporación
Calentar el material de revestimiento mediante diversos métodos de calentamiento para evaporarlo y producir vapor de metal, que luego se introduce en el espacio de descarga de gas y se excita de diversas maneras para ionizarlo en iones metálicos. Estos iones llegan al sustrato con polarización negativa y se depositan en una película.
Entre ellos, el recubrimiento iónico evaporativo se puede dividir en recubrimiento iónico de dos etapas de CC, recubrimiento iónico de cátodo hueco, recubrimiento iónico de arco de alambre caliente y recubrimiento iónico de arco de cátodo según diferentes principios de descarga. El recubrimiento iónico secundario de CC es una descarga luminiscente estable; el recubrimiento iónico de cátodo hueco y el recubrimiento iónico de arco de alambre caliente son ambos descargas de arco térmico, y la razón para la generación de electrones se puede resumir simplemente como la emisión térmica de electrones fuera del núcleo debido al calentamiento de materiales metálicos a altas temperaturas; El tipo de descarga del recubrimiento iónico de arco catódico es diferente de los tipos anteriores de recubrimiento iónico, y utiliza una descarga de arco frío.
(1) Recubrimiento iónico de cátodo hueco (HCD)
Utilizando descarga de cátodo hueco caliente para generar haz de electrones de plasma. Características del recubrimiento iónico de cátodo hueco: ① La pistola de cátodo hueco HCD es tanto una fuente de calor para la gasificación del material de la membrana como una fuente de ionización para partículas evaporadas, y el método de ionización es utilizar la colisión de haz de electrones de baja presión; ② Usando un voltaje de aceleración que varía de 0V a varios cientos de voltios, la ionización y la aceleración de iones funcionan de forma independiente Puede realizar bien el recubrimiento iónico reactivo; ④ El aumento de temperatura del sustrato es pequeño y el sustrato aún necesita calentarse durante el recubrimiento; ⑤ Alta eficiencia de ionización, gran punto de haz de electrones y se puede depositar en varias películas.
(2) Recubrimiento iónico por arco catódico
El recubrimiento iónico de arco catódico es la culminación de la tecnología de recubrimiento iónico convencional, que adopta la descarga de arco frío y tiene la tasa de ionización de partículas más alta entre muchas tecnologías de recubrimiento PVD.
