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物理气相沉积分类、原理及应用这里全都有!

发布时间:

2024-05-15 17:23

物理气相沉积(PVD)是一种新型薄膜沉积技术,在真空下以物理方式将靶材(靶材)转变为气体或等离子体,然后沉积在基材表面。目前是主要方法。表面制造技术之一。

PVD早在20世纪初就已发展起来,并随着其发展而具有广泛的应用前景。其工艺更加环保,成本容易控制,耗材用量少,制备的薄膜比较均匀致密,且膜基结合力强,广泛应用于各种增材制造领域。可根据加工者的需要制备各种性能的样品,如:耐磨、耐腐蚀、导电、绝缘、压电、磁性、亲水、疏水等。

物理气相沉积技术的基本原理可分为三个工艺步骤: 

(1)镀层材料的汽化:即使镀层材料蒸发、升华或溅射,也是通过镀层材料的汽化源;

 (2)电镀材料原子、分子或离子的迁移:气化源供给的原子、分子或离子碰撞后,发生各种反应;

 (3)镀层原子、分子或离子沉积在基板上

 

PVD是一种在目标基材表面物理制备目标材料的表面处理技术。这一切都是在真空中进行的。PVD技术主要包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空电弧离子镀膜三大类。

 

近年来,薄膜技术和薄膜材料的发展迅速而引人注目。在原有的基础上,离子束增强沉积技术、电火花沉积技术、电子束物理气相沉积技术和多层喷射沉积技术相继出现。

 

1、真空蒸发

真空蒸发镀膜的原理比较简单,包括电子束蒸发镀膜、电阻蒸发镀膜、电弧蒸发镀膜、激光蒸发镀膜等方法。

 

主要方法是在真空中将靶材加热成气体蒸发或汽化。通常加热源位于靶材下方,靶基体位于靶材上方。目标分子在热能的作用下会上升,从而沉积在目标基板上,越来越多的目标气体分子聚集在目标基板上,它们会生长成致密的薄膜。

 

不同蒸发镀膜方法的区别仅在于加热方式的不同。

 

电阻蒸发镀膜利用焦耳定律向电阻器提供热能。当电阻器的温度变高时,它会加热目标材料并将其转变为气体分子。

 

电子束蒸发镀膜方法略有不同。它利用电子束蒸发源发射电子束并将其投射到目标表面上。靶材一般放置在坩埚内,加热面积也较小。电子束可以加热到1000K以上,可以熔化所有常见的材料。

 

2、真空溅射镀膜

溅射镀膜是指在真空条件下用功能粒子轰击靶材表面,使靶材表面原子获得足够能量逸出的过程,称为溅射。将溅射靶材沉积到基材表面上的过程称为溅射镀膜。

 

磁控溅射原理如图所示,其中M代表金属颗粒。自由电子被电场加速并飞向阳极。在此过程中,它们与 Ar 原子碰撞,导致它们失去外层电子并释放 Ar+ 和自由电子。Ar+在电场作用下飞向阴极,击中目标,将目标原子击落。和二次电子。自由电子在飞行过程中也可能与 Ar+ 碰撞,使其恢复到中性。然而,在此过程中,电子从激发态返回到基态并释放能量。这部分能量会以光子的形式释放出来,因为大量的光子被释放,所以等离子体会出现“发光”。

 

入射离子(Ar+)的能量不同,达到的效果也不同。当入射离子能量较低时,主要采用入射离子沉积(离子束沉积)方法;当能量适中时,靶原子被溅射;当入射离子能量过高时,它们会被注入或扩散到目标中。

 

3、电弧离子镀

电弧离子镀(AIP)的基本原理是电弧放电。将炉子抽至较低的真空,然后对电弧针施加一定的强度。电流被吸引到目标表面,最后强电流使目标表面蒸发或气化。目标原子获得动能并扩散到基底表面,在那里它们被吸附、成核并最终生长成薄膜。

 

电弧离子镀的主要特点是:工作真空度高、气体杂质污染低;沉积速率快,薄膜较厚;沉积粒子电离率高,离子能量高;沉积装置简单,基板温升小。

 

基于电弧离子镀的原理和特点,它也存在一定的缺点:由于电弧离子镀提供的电流强度高、能量大,容易在金属靶材表面产生金属熔滴,金属熔滴会直接沉积到基材表面会降低涂层的性能和膜基的结合力;由于电弧针必须施加强电流,因此靶材必须采用导电材料制成,选择性较差。

 

4、离子束增强沉积技术

离子束增强沉积技术是集离子注入和薄膜沉积于一体的新型材料表面改性技术。是指在气相沉积镀膜的同时,利用一定能量的离子束轰击、混合,从而形成单一物质或化合物膜层。

 

除了保留离子注入的优点外,还可以在低轰击能量下连续生长任意厚度的膜层,并可以在室温或接近室温(包括室温和常温)下合成理想化学配比的化合物薄膜。无法通过压制获得的新薄膜层)。

 

该技术工艺温度低(<200°C),对所有基材的结合力强。在室温下可以获得高温相、亚稳相和非晶态合金。化学成分可控,易于控制生长过程。主要缺点是离子束是直接的,难以加工形状复杂的表面。

 

5、电火花沉积技术

电火花沉积技术是在金属电极(阳极)和金属基材(阴极)之间,通过电极材料和基材之间的空气,瞬间、高频地释放电源中储存的高能电能。电离产生通道,在基材表面产生瞬时高温高压的微区域。同时,离子电极材料在微电场作用下熔化并渗透到基材基体中,形成冶金结合。

 

EDM沉积工艺是介于焊接和溅射或元素渗透之间的工艺。采用电火花沉积技术加工的金属沉积层具有较高的硬度和较好的耐高温、耐腐蚀、耐磨性能,且设备简单,应用广泛。沉积层与基材之间的结合非常牢固,一般不会脱落。处理后工件不会退火、变形。沉积层厚度易于控制,操作方法易于掌握。主要缺点是缺乏理论支持,操作尚未实现机械化、自动化。

 

6、电子束物理气相沉积技术

电子束物理气相沉积技术是利用高能量密度电子束直接加热蒸发材料,使蒸发材料在较低温度下沉积在基材表面。

该技术具有沉积速率高(蒸发速率10kg/h~15kg/h)、涂层致密、化学成分易于精确控制、柱状晶体结构、无污染、热效率高等优点。该技术的缺点是设备昂贵,加工成本高。目前,该技术已成为各国的研究热点。

 

7、多层喷射沉积技术

与传统喷射沉积技术相比,多层喷射沉积的一个重要特点是接收器系统和坩埚系统的运动可以调节,使沉积过程均匀且轨迹不重复,从而获得平坦的沉积表面。

 

其主要特点是:沉积过程中的冷却速率比传统喷射沉积更高,冷却效果更好;可制备大尺寸工件而不影响冷却速度;工艺操作简单,易于制备尺寸精度高、表面均匀、平整的工件;高液滴沉积率;材料微观结构均匀细密,无明显界面反应,材料性能良好。

 

目前,薄膜技术作为材料制备的新技术,已从实验室的探索性研究转向大规模工业化生产,并正在渗透到各个行业。其应用范围和作用正在不断扩大和深化。

 

这项新技术不仅涉及物理、化学、晶体学、表面科学、固体物理等基础学科,而且与真空、冶金、化工等技术领域密切相关。

 

薄膜技术作为材料科学的重要组成部分,受到了广泛的关注和研究。为了不断提高薄膜发展水平,必须重视薄膜技术的基础理论研究,努力将通用技能和经验提升为科学理论。

 

在物理气相沉积中,气体流量的精确控制对于薄膜的质量和性能至关重要

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