Công nghệ phủ chân không, viết tắt là PVD, là một kỹ thuật sử dụng các phương pháp vật lý để bốc hơi bề mặt của nguồn vật liệu thành các nguyên tử, phân tử hoặc ion trong điều kiện chân không và lắng đọng một lớp màng mỏng có chức năng đặc biệt nhất định trên bề mặt chất nền. Công nghệ phủ của thiết bị phủ chân không chủ yếu được chia thành ba loại: lắng đọng hơi, phun và mạ ion. Có ba loại công nghệ phủ bay hơi: bốc hơi điện trở, bốc hơi chùm electron và bốc hơi gia nhiệt cảm ứng.
Có ba hướng chính cho công nghệ phủ trong thiết bị phủ chân không: công nghệ phủ bay hơi, công nghệ phủ ion và thiết bị phủ phun magnetron. Mỗi công nghệ phủ đều có ưu và nhược điểm riêng, và các chất nền và mục tiêu khác nhau được phủ bằng các công nghệ phủ khác nhau.
Công nghệ phủ bay hơi điện trở áp dụng công nghệ phủ bay hơi của nguồn bốc hơi gia nhiệt điện trở, thường được sử dụng để bốc hơi các vật liệu có điểm nóng chảy thấp như nhôm, vàng, bạc, kẽm sunfua, magiê florua, crom trioxide, v.v.; Điện trở gia nhiệt thường được làm bằng vonfram, molypden, tantal, v.v. Ưu điểm độc đáo, cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Nhược điểm: Vật liệu dễ phản ứng với nồi nấu, ảnh hưởng đến độ tinh khiết của màng mỏng và không thể bốc hơi màng mỏng điện môi có điểm nóng chảy cao; Tốc độ bay hơi thấp.
Mạ điện trở bốc hơi bốc hơi chùm tia điện tử là công nghệ sử dụng chùm tia điện tử gia nhiệt tốc độ cao để bốc hơi và bốc hơi vật liệu, sau đó ngưng tụ thành màng trên bề mặt của chất nền. Mật độ năng lượng của nguồn nhiệt chùm tia điện tử có thể đạt tới 104-109w/cm2 và có thể đạt tới hơn 3000 độ. Nó có thể bốc hơi các kim loại có điểm nóng chảy cao hoặc vật liệu điện môi như vonfram, molypden, germani, SiO2, AL2O3, v.v.
Nguyên lý chính của quá trình bốc hơi chùm electron là trong môi trường chân không cao, các electron năng lượng cao phát ra từ súng electron bắn phá bề mặt vật liệu mục tiêu dưới tác động của trường điện và từ, chuyển đổi động năng thành năng lượng nhiệt. Vật liệu mục tiêu nóng lên, nóng chảy hoặc bốc hơi trực tiếp, lắng đọng một lớp màng mỏng trên bề mặt chất nền.
Có hai loại nguồn lắng đọng hơi để gia nhiệt chùm tia điện tử: súng điện tử thẳng và súng điện tử loại e (cũng là loại tròn). Chùm tia điện tử được phát ra từ nguồn và được hội tụ và làm lệch hướng bởi một cuộn dây từ trường để bắn phá và làm nóng vật liệu màng. Ưu điểm của nó bao gồm khả năng làm bay hơi bất kỳ vật liệu nào, độ tinh khiết cao của màng, tác động trực tiếp lên bề mặt vật liệu và hiệu suất nhiệt cao. Nhược điểm của súng điện tử bao gồm cấu trúc phức tạp, chi phí cao, dễ phân hủy hợp chất trong quá trình lắng đọng và mất cân bằng hóa học.
Bốc hơi gia nhiệt cảm ứng là công nghệ sử dụng gia nhiệt cảm ứng từ trường tần số cao để bốc hơi và bốc hơi vật liệu, ngưng tụ chúng thành màng trên bề mặt của chất nền. Ưu điểm của nó bao gồm tốc độ bốc hơi cao, có thể cao hơn khoảng 10 lần so với nguồn bốc hơi điện trở. Nhiệt độ của nguồn bốc hơi ổn định, khiến nó ít bị bắn tung tóe. Nhiệt độ của nồi nấu thấp và vật liệu nồi nấu ít bị bám bẩn màng hơn. Nhược điểm của nó bao gồm cần phải che chắn thiết bị bốc hơi, chi phí cao và thiết bị phức tạp.
Mặc dù nguyên lý của ba công nghệ phủ bay hơi này cho thiết bị phủ chân không là giống nhau, nhưng tất cả đều sử dụng phương pháp bay hơi nhiệt độ cao để làm bay hơi vật liệu để phủ. Tuy nhiên, môi trường áp dụng chúng lại khác nhau, vật liệu phủ và chất nền cũng có yêu cầu khác nhau.
Bốc hơi gia nhiệt cảm ứng tần số cao là quá trình đặt một nồi nấu chứa vật liệu phủ ở tâm của một cuộn xoắn ốc tần số cao, khiến vật liệu phủ tạo ra dòng điện xoáy mạnh và hiệu ứng trễ dưới sự cảm ứng của trường điện từ tần số cao, dẫn đến việc làm nóng lớp màng cho đến khi nó bốc hơi và bốc hơi. Nguồn bốc hơi thường bao gồm một cuộn dây tần số cao làm mát bằng nước và một nồi nấu bằng than chì hoặc gốm (magiê oxit, nhôm oxit, bo oxit, v.v.). Nguồn điện tần số cao sử dụng tần số từ 10000 đến vài trăm nghìn hertz, với công suất đầu vào từ vài đến vài trăm kilowatt. Thể tích vật liệu màng càng nhỏ thì tần số cảm ứng càng cao. Tần số cuộn cảm ứng thường được sản xuất bằng ống đồng làm mát bằng nước. Nhược điểm của phương pháp bốc hơi gia nhiệt cảm ứng tần số cao là không dễ để tinh chỉnh công suất đầu vào. Nó có những ưu điểm sau:
1. Tốc độ bốc hơi cao:
2. Nhiệt độ của nguồn bốc hơi đồng đều và ổn định, không dễ tạo ra hiện tượng bắn tung tóe các giọt mạ
3. Nạp nguồn bốc hơi một lần, kiểm soát nhiệt độ tương đối dễ dàng, vận hành đơn giản.
Ưu điểm của công nghệ phủ phủ bằng phương pháp phún xạ magnetron như sau:
1. Tỷ lệ lắng đọng cao. Do sử dụng điện cực magnetron tốc độ cao, có thể thu được dòng ion lớn, cải thiện hiệu quả tỷ lệ lắng đọng và tỷ lệ phun của quy trình phủ này. So với các quy trình phủ phun khác, phun magnetron có năng suất và sản lượng cao, được sử dụng rộng rãi trong các sản xuất công nghiệp khác nhau.
2. Hiệu suất công suất cao. Các mục tiêu phun magnetron thường chọn điện áp trong phạm vi 200V-1000V, thường là 600V, vì điện áp 600V nằm trong phạm vi hiệu suất công suất cao nhất.
Năng lượng phun thấp. Điện áp thấp được áp dụng cho mục tiêu magnetron và từ trường giới hạn plasma gần cực âm, có thể ngăn các hạt tích điện năng lượng cao chiếu vào chất nền.
3. Nhiệt độ của đế thấp. Các electron được tạo ra trong quá trình xả anot có thể được sử dụng mà không cần phải nối đất hỗ trợ đế, có thể làm giảm hiệu quả sự bắn phá electron trên đế. Do đó, nhiệt độ của đế tương đối thấp, rất phù hợp để phủ một số đế nhựa không chịu được nhiệt độ cao.
Khắc không đều trên bề mặt của mục tiêu phun magnetron. Khắc không đều bề mặt của mục tiêu phun magnetron là do từ trường của mục tiêu không đồng đều, dẫn đến tốc độ khắc cao hơn tại các vị trí cục bộ của mục tiêu và tỷ lệ sử dụng hiệu quả của vật liệu mục tiêu thấp hơn (chỉ đạt tỷ lệ sử dụng 20% -30%). Do đó, để cải thiện tỷ lệ sử dụng của vật liệu mục tiêu, cần phải thay đổi phân bố từ trường thông qua một số phương tiện nhất định hoặc sử dụng nam châm để di chuyển trong catốt, điều này cũng có thể cải thiện tỷ lệ sử dụng của vật liệu mục tiêu.
4. Mục tiêu tổng hợp. Có thể sản xuất màng hợp kim phủ mục tiêu tổng hợp. Hiện nay, màng hợp kim Ta Ti, (Tb Dy) - Fe và Gb Co đã được lắng đọng thành công bằng công nghệ phun magnetron tổng hợp. Có bốn loại cấu trúc cho mục tiêu tổng hợp, cụ thể là mục tiêu nhúng hình tròn, mục tiêu nhúng hình vuông, mục tiêu nhúng hình vuông nhỏ và mục tiêu nhúng hình quạt. Trong số đó, cấu trúc mục tiêu nhúng hình quạt có hiệu quả sử dụng tốt nhất.
5. Phạm vi ứng dụng rộng. Quá trình phun magnetron có thể lắng đọng nhiều nguyên tố, bao gồm 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, v.v.
Công nghệ phủ ion chân không
Công nghệ mạ ion chân không(viết tắt là mạ ion) được phát triển lần đầu tiên bởi D M. Mattox được đề xuất và đưa vào thực hành vào năm 1963 như một công nghệ phủ kết hợp giữa bay hơi và phun. Nó dựa trên sự bắn phá ion, làm nóng vật liệu phủ hoặc phôi đến trạng thái nóng chảy và sử dụng sự bắn phá ion năng lượng cao để lắng đọng các màng mỏng kim loại hoặc bán dẫn lắng đọng hóa học lên bề mặt chất nền, do đó thu được các màng mỏng có cấu trúc và tính chất cụ thể.
Quá trình mạ ion là kết nối nguồn bốc hơi với anot và phôi với catot. Khi dòng điện một chiều cao áp từ ba đến năm nghìn vôn được áp dụng, phóng điện hồ quang được tạo ra giữa nguồn bốc hơi và phôi. Do khí argon trơ được chứa trong tủ hút chân không, một số khí argon bị ion hóa dưới tác động của trường điện phóng điện, tạo thành vùng tối plasma xung quanh phôi catot. Các ion argon tích điện dương bị thu hút bởi điện áp cao âm của catot và bắn phá dữ dội bề mặt phôi, khiến các hạt và bụi bẩn trên bề mặt phôi bị bắn tung ra ngoài, do đó cho phép bề mặt phôi được làm sạch hoàn toàn bằng cách bắn phá ion. Sau đó, nguồn điện xoay chiều của nguồn bốc hơi được kết nối và các hạt vật liệu bay hơi tan chảy và bay hơi, đi vào vùng phóng điện phát sáng và bị ion hóa. Các ion vật liệu bay hơi tích điện dương, bị catot thu hút, lao về phía phôi cùng với các ion argon. Khi lượng ion vật liệu bay hơi lắng đọng trên bề mặt phôi vượt quá lượng ion bắn ra, chúng sẽ dần tích tụ lại tạo thành lớp phủ bám chặt trên bề mặt phôi.
Cấu trúc lớp phủ của mạ ion dày đặc, không có lỗ kim, bong bóng và độ dày đồng đều. Phương pháp này rất phù hợp để phủ các chi tiết có lỗ bên trong, rãnh và khe hở hẹp mà các phương pháp khác khó phủ và không tạo thành các nốt kim loại. Do khả năng sửa chữa các vết nứt và khuyết tật nhỏ như rỗ trên bề mặt phôi, quy trình này có thể cải thiện hiệu quả chất lượng bề mặt và các tính chất vật lý và cơ học của các chi tiết được phủ. Các thử nghiệm về độ bền mỏi đã chỉ ra rằng nếu xử lý đúng cách, tuổi thọ chịu mỏi của phôi có thể tăng từ 20% đến 30% so với trước khi mạ.
Đặc điểm của lớp phủ ion chân không
So với phương pháp bốc hơi và phun, mạ ion có những đặc điểm sau:
(1) Hiệu suất bám dính tốt của lớp phủ
Trong quá trình phủ chân không thông thường, hầu như không có lớp chuyển tiếp nào kết nối bề mặt phôi và lớp phủ. Trong quá trình mạ ion, khi các ion bắn phá phôi ở tốc độ cao, chúng có thể xuyên qua bề mặt phôi và tạo thành lớp khuếch tán được cấy sâu vào chất nền. Độ sâu khuếch tán giao diện của lớp mạ ion có thể đạt tới bốn đến năm micrômet. Trong giai đoạn đầu của quá trình phủ, quá trình phun và lắng đọng cùng tồn tại và một lớp chuyển tiếp hoặc một lớp hỗn hợp của các thành phần màng và chất nền có thể được hình thành tại giao diện giữa màng và chất nền, được gọi là lớp khuếch tán giả, có thể cải thiện hiệu quả hiệu suất bám dính của lớp màng.
(2) Khả năng mạ mạnh
Trong quá trình mạ ion, các hạt vật liệu bay hơi di chuyển theo hướng của trường điện dưới dạng các ion tích điện. Do đó, bất cứ nơi nào có trường điện, có thể thu được lớp phủ tốt, vượt trội hơn nhiều so với lớp phủ chân không thông thường chỉ có thể thu được lớp phủ theo hướng trực tiếp. Do đó, phương pháp này rất phù hợp với các khu vực trên các bộ phận mạ khó mạ bằng các phương pháp khác, chẳng hạn như lỗ bên trong, rãnh và khe hở hẹp.
(3) Chất lượng lớp phủ tốt
Lớp phủ mạ ion có cấu trúc dày đặc, không có lỗ kim, không có bọt khí, độ dày đồng đều. Ngay cả các cạnh và rãnh cũng có thể được phủ đồng đều, và các bộ phận như ren cũng có thể được phủ với độ cứng cao, khả năng chống mài mòn cao (hệ số ma sát thấp), khả năng chống ăn mòn tốt và độ ổn định hóa học, dẫn đến tuổi thọ của lớp màng dài hơn; Đồng thời, lớp màng có thể cải thiện đáng kể diện mạo và hiệu suất trang trí của phôi.
(4) Đơn giản hóa quá trình vệ sinh
Hầu hết các quy trình phủ hiện tại đều yêu cầu phải vệ sinh nghiêm ngặt phôi trước, và quy trình này tương đối có trách nhiệm. Trong quá trình mạ ion, một số lượng lớn các hạt năng lượng cao được tạo ra bởi quá trình phóng điện phát sáng được sử dụng để tạo ra hiệu ứng phun catốt trên bề mặt, làm sạch khí và dầu hấp thụ trên bề mặt chất nền bằng cách phun, làm sạch bề mặt chất nền cho đến khi toàn bộ quá trình phủ hoàn tất, đơn giản hóa rất nhiều công việc vệ sinh trước khi mạ.
(5) Vật liệu mạ có sẵn rộng rãi
Mạ ion là quá trình sử dụng các ion năng lượng cao để bắn phá bề mặt của phôi, chuyển đổi một lượng lớn năng lượng điện thành năng lượng nhiệt trên bề mặt phôi, do đó thúc đẩy sự khuếch tán và phản ứng hóa học trong mô bề mặt và phôi không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao. Do đó, quá trình phủ này có phạm vi ứng dụng rộng và ít bị hạn chế hơn. Thông thường, có thể mạ nhiều loại kim loại, hợp kim, cũng như một số vật liệu tổng hợp, vật liệu cách nhiệt, vật liệu nhạy nhiệt và vật liệu có điểm nóng chảy cao. Phôi kim loại có thể được mạ bằng phi kim loại hoặc kim loại, cũng như kim loại hoặc phi kim loại, và thậm chí cả nhựa, cao su, thạch anh, gốm sứ, v.v.
Phân loại lớp phủ ion chân không
Có nhiều sự kết hợp khác nhau giữa phương pháp ion hóa và phương pháp kích thích cho các nguồn bốc hơi và nguyên tử khác nhau, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều phương pháp mạ ion nguồn bốc hơi. Các phương pháp phổ biến bao gồm mạ ion phun và mạ ion bốc hơi dựa trên việc thu thập các hạt màng.
1. Mạ ion kiểu bắn phá
Bằng cách sử dụng các ion năng lượng cao để phun bề mặt vật liệu màng, các hạt kim loại được tạo ra. Các hạt kim loại ion hóa thành các ion kim loại trong không gian xả khí và chúng tiếp cận chất nền dưới độ lệch âm để lắng đọng và tạo thành màng.
Mạ ion bay hơi
Làm nóng vật liệu phủ thông qua nhiều phương pháp gia nhiệt khác nhau để bốc hơi và tạo ra hơi kim loại, sau đó được đưa vào không gian xả khí được kích thích theo nhiều cách khác nhau để ion hóa thành các ion kim loại. Các ion này tiếp cận chất nền dưới độ lệch âm và lắng đọng thành màng.
Trong số đó, mạ ion bay hơi có thể được chia thành mạ ion hai giai đoạn DC, mạ ion catốt rỗng, mạ ion hồ quang dây nóng và mạ ion hồ quang catốt theo các nguyên tắc phóng điện khác nhau. Mạ ion thứ cấp DC là phóng điện phát sáng ổn định; Mạ ion catốt rỗng và mạ ion hồ quang dây nóng đều là phóng điện hồ quang nhiệt và lý do tạo ra electron có thể được tóm tắt đơn giản là sự phát xạ nhiệt của electron bên ngoài hạt nhân do vật liệu kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ cao; Loại phóng điện của mạ ion hồ quang catốt khác với các loại mạ ion trước đó và nó sử dụng phóng điện hồ quang lạnh.
(1) Mạ ion catốt rỗng (HCD)
Sử dụng phóng điện catốt nóng rỗng để tạo ra chùm electron plasma. Đặc điểm của mạ ion catốt rỗng: ① Súng catốt rỗng HCD vừa là nguồn nhiệt để khí hóa vật liệu màng vừa là nguồn ion hóa các hạt bay hơi, phương pháp ion hóa là sử dụng va chạm chùm electron áp suất thấp; ② Sử dụng điện áp tăng tốc từ 0V đến vài trăm vôn, ion hóa và gia tốc ion hoạt động độc lập Có thể thực hiện mạ ion phản ứng tốt; ④ Nhiệt độ tăng của chất nền nhỏ và chất nền vẫn cần được làm nóng trong quá trình phủ; ⑤ Hiệu suất ion hóa cao, điểm chùm electron lớn và có thể lắng đọng trên nhiều màng khác nhau.
(2) Mạ ion hồ quang catốt
Mạ ion hồ quang catốt là đỉnh cao của công nghệ phủ ion chính thống, sử dụng phương pháp phóng điện hồ quang lạnh và có tốc độ ion hóa hạt cao nhất trong số nhiều công nghệ phủ PVD.
