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技术与服务

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  • PVD技术
  • 电弧蒸发
  • 溅射技术
  • PMAII
  • HIPIMS
  • PN+PVD
  • 类金刚石DLC涂层
  • PACVD技术
PVD技术

PVD 是物理气相沉积的缩写,PVD是在真空状态下材料蒸发沉积的技术,真空腔室是必备的条件,以避免蒸发出的材料和空气反应,PVD涂层用来制备新的、具有额外价值和特点的产品,如绚丽的色彩、耐磨损能力和降低摩擦。利用物理气相沉积 (PVD) 工艺,通过冷凝大部分金属材料并与气体结合,如氮,形成涂层。 基体材料是从固态转化为气态,并如在电弧工艺中一样被接受到的热能电离,或者如在溅射工艺中一样由动能电离。PVD技术是环保无污染的,总体来讲,汇成真空专注于PVD镀膜。

电弧蒸发

电弧蒸发是物理气相沉积的一种方式,PVD应用于硬质涂层方面就是从电弧技术开始的,电弧技术最早起源于电焊,将被蒸发的固体金属(靶材)置于真空腔室内,产生辉光放电后,在靶材表面运行,靶材在很小的范围内蒸发,大概是几个微米大小。电弧的运动是由磁场所控制的,蒸发出的金属离子形成的等离子体将沉积于工件表面,这些工件是在真空腔内旋转运动,电弧制备的涂层通常被用于工具和零部件的表面涂层,例如,TiN, AlTiN, AlCrN, TiSiN, TiCN, CrCN 和 CrN。蒸发的金属被电离同时加速进入电场,电弧工艺中实现蒸发材料的高度电离,沉积涂层具有优异的附着力。


电弧工艺示意图
电弧工艺的示意图


电弧技术的优点:
+ 高沉积速率(~1-3 µm/h) 
+ 高离化率,形成结合力好,致密的涂层 
+ 靶材冷却,涂层工件受热较少,这样可以在低于100°C以下沉积 
+ 可以蒸发多种成分的金属,剩余固态靶材成分不变 
+ 阴极可以放置在任何位置(水平、垂直、上部和下部),设备设计灵活

电弧技术的主要缺点:
- 靶材材料受限
- 只能使用金属(不包含氧化物),导致蒸发温度不会低 
6号彩票网 - 由于很高的电流密度,一些靶材材料以小液滴的形式被蒸发溅出

溅射技术

溅射是物理气相沉积技术的另一种方式,溅射的过程是由离子轰击靶材表面,使靶材材料被轰击出来的技术。惰性气体,如氩气,被充入真空腔内,通过使用高电压,产生辉光放电,加速离子到靶材表面,氩离子将靶材材料从表面轰击(溅射)出来,在靶材前的工件上沉积下来,通常还需要用到其它气体,如氮气和乙炔,和被溅射出来的靶材材料发生反应,形成化合物薄膜。溅射技术可以制备多种涂层,在装饰涂层上具有很多优点(如Ti、Cr、Zr和碳氮化物),因为其制备的涂层非常光滑,这个优点使溅射技术也广泛应用于汽车市场的摩擦学领域(例如,CrN、Cr2N及多种类金刚石(DLC)涂层)。高能量离子轰击靶材,提取原子并将它们转化为气态,利用磁控溅射技术,可以对大量材料进行溅射。


溅射工艺示意图
溅射工艺的示意图


溅射技术的优点:
+ 靶材采用水冷,减少热辐射
+ 不需要分解的情况下,几乎任何金属材料都可以作为靶材溅射
+ 绝缘材料也可以通过使用射频或中频电源溅射
+ 制备氧化物成为可能(反应溅射)
+ 良好的涂层均匀性
+ 涂层非常光滑(没有液滴)
+ 阴极(最大2m长)可以放置在任何位置,提高了设备设计的灵活性

溅射技术的缺点:
- 与电弧技术比较,较低的沉积速率
- 与电弧相比,等离子体密度较低(~5%),涂层结合力和涂层致密度较低

溅射技术有多种形式,这里我们将解释其中的一些,这些溅射技术都能在汇成真空生产的真空镀膜设备上实现。
+ 磁控溅射 使用磁场保持靶材前面等离子体,强化离子的轰击,提高等离子体密度。
+ UBM 溅射是非平衡磁控溅射的缩写。使用增强的磁场线圈加强工件附近的等离子密度。可以得到更加致密的涂层。在UBM过程中使用了更高的能量,所以温度也会相应升高。
+ 闭合场溅射 运用磁场分布限制等离子体于闭合场内。降低靶材材料对真空腔室的损失并使等离子体更加靠近工件。可以得到致密涂层,并且使真空腔室保持相对清洁。
+ 孪生靶溅射(DMS)是用来沉积绝缘体涂层的技术。交流电(AC)作用在两个阴极上,而不是在阴极和真空腔室之间采用直流(DC)。这样使靶材具有自我清理功能。孪生靶磁控溅射用来高速沉积如氧化物涂层。
+ HIPIMS+ (高功率脉冲磁控溅射)采用高脉冲电源提高溅射材料的离化率。运用HIPIMS+ 制备的涂层兼具了电弧技术和溅射技术的优点。HIPIMS+ 形成致密涂层,具有良好涂层结合力,同时也是原子级的光滑和无缺陷的涂层。

PMAII

     第二代增强磁控电弧涂层技术独有的磁场控制技术使电弧在靶材整个表面做快速的移动,靶材表面被均匀刻蚀,涂层表面光滑致密,优化了涂层结合力。



技术特点:

   (1)电磁和永磁复合磁场驱动。

   (2)提高靶材利用率。

   (3)增强等离子体密度。

   (4)有效抑制“大液体”。

   (5)增大有效镀区。


HIPIMS

       HIPIMS是高功率脉冲磁控溅射技术(High power impulse magnetron sputtering)的简称,其原理是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术,HIPIMS的峰值功率可以达到MW级别,但由于脉冲作用时间短,其平均功率与普通磁控溅射一样,这样阴极不会因过热赠增加靶材冷却。HIPIMS综合了磁控溅射低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀金属离化率高、膜层结合力强、涂层致密的优点,且离子束流不含大颗粒,在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力,在降低涂层内应力及提高膜层致密性、均匀性等方面具有闲着的优势,被认为是PVD发展史上近30年来很重要的一项技术突破,特别是在硬质涂层和功能涂层的应用方面有显著优势。

图1  HIPIMS峰值电压和电流曲线图

表1  HIPIMS与直流磁控管参数比较

参数 HIPIMS 直流磁控管
工作压力 10-4~10-2 Torr 10-4~10-2 Torr
阴极电流密度 JMAX≤10A/cm2 JMAX≤0.1A/cm2
放电电压 0.5 – 1.5 kV 0.3 – 0.6 kV
血浆密度 ≤ 1013 cm-3 ≤ 1011 cm-3
阴极功率密度 1 – 3 kW/cm2 < 0.1 kW/cm2
电离分数 30% – 90% < 1%

      HIPIMS中靶材上的高峰值功率脉冲导致等离子体电子密度高达1019m-3,这比DCMS溅射法高三个数量级。这些高的等离子体密度促进溅射材料的电离,形成电离的溅射材料通量,其中电离分数可达到90%。离子通量受到电磁力的作用,因此可以控制其方向和能量。通过精确控制,目标材料离子通量可用于执行基板预处理以及增强薄膜和器件性能。增强的示例包括增加的膜密度以及膜附着力的显着改善。

PN+PVD

      对大多数中碳合金结构钢零件, 其硬度较硬质膜低的多,仅沉积几微米厚的PVD膜层,难以有效地提高其 耐磨性、疲劳强度以及抗塑性变形能力。钢铁渗氮后,在其表面形成氮的化合物和扩散层,提高了零件表层硬度。 氮化件较未渗氮件更适合作为PVD膜层的基体。

类金刚石DLC涂层

6号彩票网       类金刚石涂层经常适用于汽车引擎以减少发动机的摩擦,黑色的色彩使DLC涂层在作为装饰涂层(如:手表)上受到广泛欢迎,并且由于其较低摩擦和无粘连系数,使其很好的运用在工具涂层。DLC涂层技术非常适用于机械的加工和铸造/锻造,以及铝及塑料注塑模具的涂层。

类金刚石(DLC)涂层技术:

      不同类型的类金刚石涂层,具有不同的生产技术。DLC涂层适用于极端磨损情况和高相对速度,甚至是在无润滑运转的条件下使用,具有卓越的耐磨蚀性、抗摩擦氧化性和附着性(防磨损),可承受在正常条件下会立刻导致磨损和冷焊的表面压力,将摩擦损失降至最小,良好的耐腐蚀性使基体免受破坏性攻击。

PACVD技术

      是等离子体辅助化学气相沉积的缩写,有时也写作PECVD,E代表增强的意思。在PVD过程中,涂层材料是从固体形式蒸发得到;而在PACVD过程中,涂层是从气体形式得到,气体,如HMDSO(六甲基二甲硅醚)在等离子体作用下,大约200 ºC时发生裂解,非反应气体,如氩气,可以使离子沉积到工件表面并形成很薄的涂层,类金刚石(DLC)涂层就是PACVD技术制备的很好的例子,通常应用于摩擦学和汽车行业。

     等离子体辅助化学气相沉积 (PACVD) 用于沉积 DLC 涂层, 通过等离子体激发和电离,激活工艺中的化学反应,借助此工艺,我们可以在约 200 °C 的低温下使用脉冲辉光或高频放电进行沉积,用 PACVD 生成的类金刚石涂层具有摩擦系数低和可扩展的表面硬度特性。

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