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PVD技术的发展及工作原理

浏览:57 发表时间:2020-11-16 09:30:29

    一、真空涂层技术起步时间不长,国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于 该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000ºC),涂层种类单一,局限性很大,因此,其发展初期未免差强人意。 

 二、到了上世纪七十年代末,开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术,为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地,之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展,究其原因,是因为其在真空密封的腔体内成膜,几乎无任何环境污染问题,有利于环保;因为其能得到光亮、华贵的表面,在颜色上,成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、灰黑色、玫瑰金色、古铜色、蓝色等各种颜色,可谓五彩缤纷,能够满足装饰性的各种需要;又由于 PVD 技术,可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层,应用在工装、模具上面,可以使寿命成倍提高,较好地实现了低成本、高收益的效果;此外, PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点,几乎可以在任何基材上成膜,因此,应用范围十分广阔,其发展神速也就不足为奇。真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术,各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷,如今在这一领域中,已呈现出百花齐放,百家争鸣的喜人景象。

  三、PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理气相沉积,分为:真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。我们通常所说的PVD镀膜 ,指的就是真空离子镀膜;通常说的NCVM镀膜,就是指真空蒸发镀膜和真空溅射镀。

  四、真空蒸镀基本原理:在真空条件下,使金属、金属合金等蒸发,然后沉积在基体表面上,蒸发的方法常用电阻加热,电子束轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体表面,历史上,真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。

    五、溅射镀膜基本原理:充氩(Ar)气的真空条件下,使氩气进行辉光放电,这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar ),氩离子在电场力的作用下,加速轰击以镀料制作的阴极靶材,靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。 溅射镀膜中的入射离子,一般采用辉光放电获得,在l0-2Pa~10Pa范围,所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中,易和真空室中的气体分子发生碰撞,使运动方向随机,沉积的膜易于均匀。

  六、离子镀基本原理:在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。

 七、离子镀的工艺过程:蒸发料的粒子作为带正电荷的高能离子在高压阴极(即工件)的吸引下,以很高的速度注入到工件表面。

 八、离子镀的作用过程如下:

蒸发源接阳极,工件接阴极,当通以三至五千伏高压直流电以后,蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气,在放电电场作用下部分氩气被电离,从而在阴极工件周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引,猛烈地轰击工件表面,致使工件表层粒子和脏物被轰溅抛出,从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后,接通蒸发源交流电源,蒸发料粒子熔化蒸发,进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子,在阴极吸引下,随同氩离子一同冲向工件,当抛镀于工件表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时,则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表面的镀层。这就是离子镀的简单作用过程。


PVD技术四个工艺步骤

(1)清洗工件:接通直流电源,氩气进行辉光放电为氩离子,氩离子轰击工件表面,工件表层粒子和脏物被轰溅抛出;

(2)镀料的气化:即通入交流电后,使镀料蒸发气化。 

(3)镀料离子的迁移:由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞以及高压电场后,高速冲向工件; 

(4)镀料原子、分子或离子在基体上沉积:工件表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时,则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表面的镀层。

离子镀时,蒸发料粒子电离后具有三千到五千电子伏特的动能,高速轰击工件时,不但沉积速度快,而且能够穿透工件表面,形成一种注入基体很深的扩散层,离子镀的界面扩散深度可达四至五微米,也就是说比普通真空镀膜的扩散深度要深几十倍,甚至上百倍,因而彼此粘附得特别牢。

 九、PVD 涂层的基本概念及其特点 PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式,意思是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。 

较为成熟的PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单,容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作,其引弧的过程也与电焊类似,具体地说,在一定工艺气压下,引弧针与蒸发离子源短暂接触,断开,使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑,在蒸发源表面上连续形成熔池,使金属蒸发后,沉积在基体上而得到薄膜层的,与磁控溅射相比,它不但有靶材利用率高,更具有金属离子离化率高,薄膜与基体之间结合力强的优点。此外,多弧镀涂层颜色较为稳定,尤其是在做 TiN 涂层时,每一批次均容易得到相同稳定的金黄色,令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是,在用传统的 DC电源做低温涂层条件下,当涂层厚度达到0.3μm时,沉积率与反射率接近,成膜变得非常困难,薄膜表面会渐渐变朦,而且膜层结构也会变差、表面变得粗糙,所以多弧镀的膜层太厚也不好。



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