Classificazione e teoria della tecnologia di rivestimento PVD

Classificazione e teoria della tecnologia di rivestimento PVD

Come una specie di materiale di forma speciale, il film sottile può essere amorfo, policristallino e monocristallino. Può essere costituito da elementi o composti semplici, materiali inorganici o materiali organici.

La tecnologia a film sottile include la deposizione fisica in fase vapore (evaporazione, sputtering, placcatura ionica, placcatura ad arco, placcatura al plasma) e deposizione chimica da fase vapore. La tecnologia utilizzata nel nostro stabilimento è Physical Vapor Deposition (PVD).

One.Vacuum rivestimento per evaporazione

Evaporazione del riscaldamento a resistenza e evaporazione del riscaldamento a fascio di elettroni:

1. Principi di base:

Un processo in cui il substrato o il pezzo da rivestire viene posto in una camera ad alto vuoto e riscaldato per vaporizzare (o sublimare) il materiale filmogeno e depositato sulla superficie del substrato o del pezzo in lavorazione per formare un film sottile.

2. Tipo di fonte di evaporazione:

(a) (b) (c) (d)

3. Fattori che influenzano la qualità del film:

A. La posizione del substrato

Il corretto posizionamento del substrato è la condizione preliminare per ottenere un film uniforme.

B. Al fine di garantire la massa della membrana, la pressione deve essere pari a Pr (Pa).

L rappresenta la distanza dalla sorgente di evaporazione al substrato come L (cm).

C. Tasso di evaporazione. Quando la velocità di evaporazione è piccola, le molecole di gas vengono immediatamente adsorbite sugli atomi (o molecole) della membrana depositati, con conseguente struttura della membrana libera, particelle grossolane e molti difetti. Al contrario, la struttura della membrana è uniforme e compatta, la resistenza meccanica è elevata e lo stress all'interno della membrana è elevato.

D. In circostanze normali, quando la temperatura del substrato è elevata, l'energia cinetica degli atomi adsorbiti aumenta di conseguenza, e il film formato è facile da cristallizzare e riduce i difetti del reticolo. Quando la temperatura del substrato è bassa, non c'è abbastanza energia per fornire gli atomi adsorbiti, quindi è facile formare un film amorfo.

Due.Magnetron sputtering coating

Lo sputtering del magnetron è un nuovo tipo di metodo di sputtering coating sviluppato sulla base dello sputtering catodico negli anni '70. Poiché supera efficacemente la debolezza fatale della bassa velocità di sputtering del catodo e l'aumento della temperatura del substrato causato dagli elettroni, ha ottenuto uno sviluppo rapido e un'ampia applicazione.

1. Sputtering del magnetron:

Il fenomeno che gli atomi sulla superficie bersaglio sono colpiti da ioni che bombardano il materiale bersaglio è chiamato sputtering. Il film sputtering si realizza quando gli atomi generati dallo sputtering si depositano sulla superficie del substrato (pezzo).

Principi di base dello sputtering del magnetron:

Lo sputtering del magnetron era nella zona splash e un campo magnetico perpendicolare alla direzione del campo elettrico, nell'intensità elettrica ortogonale e nell'equazione del moto del campo magnetico BE, l'elettronica sotto forma di ruota cicloidale lungo la superficie del bersaglio verso la direzione perpendicolare alla direzione di E e B è parallelo, così notevolmente esteso l'itinerario elettronico, aumentato le collisioni di elettroni con le molecole di gas, migliorare l'efficienza di ionizzazione. Quindi il campo magnetico dell'elettrone secondario sotto il controllo della pista, può essere tutto usato per l'energia di ionizzazione, quando l'energia esaurita, viene assorbita solo dall'anodo (chassis). La seguente figura:

Questi elettroni sono accelerati dal campo elettrico e guadagnano energia, per poi entrare in collisione con gli atomi o le molecole del gas, anche se ionizzano, in modo che il plasma possa essere mantenuto.

Lo sputtering del magnetron consiste nel controllare il movimento degli elettroni aggiungendo il campo magnetico della pista alla superficie target, estendere il loro viaggio intorno alla superficie target e migliorare la densità del plasma, in modo che la velocità del rivestimento dello sputtering sia notevolmente migliorata.

Rendimento dell'elettrone secondario:

La resa dell'elettrone secondario si riferisce al numero di elettroni secondari per ione che bombardano il bersaglio. L'analisi teorica mostra che la resa dell'elettrone secondario dell'obiettivo metallico è indipendente dall'energia ionica quando l'energia dello ione è inferiore a 500eV (in realtà meno di 1000eV).

Resa sputtering:

Lo sputtering del magnetron ha una tensione di funzionamento di 200 ~ 500V, che determina che l'energia di ioni massima del bersaglio è di 500eV e che lo ione di argon accelerato è perpendicolare al bersaglio.

Interazione tra ioni e materiali incidenti:

L'interazione tra gli ioni che trasportano energia e la superficie bersaglio si traduce in:

A. Particelle di superficie: atomi sputtering, atomi di retrodiffusione, atomi di impurità di desorbimento e elettroni secondari.
B. Fenomeni fisico-chimici superficiali: pulizia, incisione e reazioni chimiche.
C. Difetti puntiformi, difetti di linea, borchie a caldo, cascate di collisione, impianto di ioni, stati amorfi e composti nello strato superficiale del materiale.

Tecniche di sputtering:

La tecnologia Sputtering può essere suddivisa in:

A. sputtering diodo per scarica bagliore cc;

B. Sputtering della tripola mediante scarica ad arco di filo caldo;

C. Rf sputtering usando la scarica rf;

D. Controllo sputtering Magnetron della scarica bagliore utilizzando il campo magnetico della pista racchiuso.

2 strutture catodiche sputtering di magnetron:

Attualmente, i dispositivi di sputtering di magnetron per uso industriale utilizzano principalmente catodo di sputtering planare di magnetron planare (figura a). Generalmente, le dimensioni del materiale utilizzato hanno due specifiche: macchina VT: lunghezza larghezza spessore (450,5 120 6) mm; Macchina ZCK: 460 100 6. Anche il catodo sputtering di magnetron cilindrico viene utilizzato gradualmente nella produzione (figura b). Rispetto ad essi, il tasso di utilizzo del materiale bersaglio piano è solo del 20-30%, cioè il tasso di utilizzo è basso.

Figura una figura b

La figura a è un tipo di campo magnetico prodotto dal catodo di sputtering del magnetron piano rettangolare a pista magnetica permanente, il materiale bersaglio a contatto con la scarpa polare. Al di fuori del materiale del bersaglio lungo la scarpa ad asta N, al centro di una scarpa polare S, una scarpa polare N e S rispettivamente sottoposta a polarità inversa di ferrite di stronzio o magneti permanenti ndfeb. Metti una permeabilità di ferro puro indietro collega l'altra estremità del magnete permanente, cioè per produrre il campo magnetico del circuito magnetico della pista.

La figura b è un catodo cavo magnetron cavo, che è un bersaglio catodico con un magnete posto in un bersaglio cilindrico, con i poli N e S ben disposti, raffreddamento ad acqua e tenuta dinamica.
La funzione della scarpa polare: formare un circuito magnetico chiuso con una resistenza magnetica molto piccola.

Allo stato attuale, abbiamo comunemente usato materiali magnetici permanenti: ferrite di bario (BaO · 6F1e2O3), ferrite di stronzio (SrO · 6F1e2O3), magnete permanente ndfeb.
Elettrodo sputtering Magnetron:
Pratici elettrodi per sputtering di magnetron hanno le seguenti quattro strutture di base:

(a) cilindro coassiale; (b) tipo piatto; (c) tipo cono (S gun); (d) tipo cavo piano o cilindrico
1 - il substrato; 2 - materiale bersaglio; 3 - scudo

3 processi di sputtering:
Schema del sistema di disegno della macchina di rivestimento sputtering di magnetron:

Parametri di processo sputtering:

La relazione tra la tensione target u di sputtering e la densità di corrente target J è la seguente: uJ = K1
Dove K1 è il valore ammissibile della densità di potenza bersaglio, una costante.

La densità di corrente target può essere determinata in base alla tensione target selezionata e alla densità di potenza target consentita.

Ridurre la pressione Ar è utile per migliorare la velocità di deposizione e migliorare l'adesione del rivestimento e la densità del film. Spruzzatura del magnetron La pressione ar viene generalmente scelta come 0,5 Pa, l'impedenza della scarica del gas con la diminuzione della pressione Ar aumenta. Sputtering del magnetron, è in grado di regolare la pressione Ar in modo appropriato, rendendo la densità di potenza target e la tensione, rispettivamente, allo stesso tempo vicino al valore target e al valore migliore. Pertanto, migliorare il principio di processo del tasso di deposizione è: il più vicino possibile al valore di densità di potenza target; La tensione target è il più vicino possibile al valore ottimale.

A. Sputtering di film di metallo puro:
Nella deposizione fisica in fase vapore, sia l'evaporazione che lo sputtering sono adatti per film di metallo puro, ma il tasso di evaporazione è più alto.
Allo stato attuale, i materiali target utilizzati sono: Al, Ti, Cu, Cr, ecc

B. Sputtering di film in lega:
Tra le tecniche di deposizione fisica in fase vapore, lo sputtering è il più adatto per la deposizione di film in lega. I metodi di sputtering includono lo sputtering multi-target, lo sputtering del target Mosaico e lo sputtering del target in lega.
I materiali target attualmente utilizzati includono AlTi, ZrTi, CuTi e così via.

C. Sputtering di film composto:
Il film composto di solito si riferisce allo strato di pellicola formato dalla combinazione reciproca di elementi metallici con C, N, B, S e altri elementi non metallici. I metodi di placcatura comprendono lo sputtering in corrente continua, lo sputtering in RF e lo sputtering reattivo.

1. È necessario utilizzare un film composto di polverizzazione a corrente continua, ad esempio, i bersagli composti conduttivi come SnO2, TiC, MoB e MoSi2 sono generalmente realizzati con la metallurgia delle polveri, che è molto costosa. La placcatura del film conduttivo trasparente ITO è un'applicazione industriale di dc film composto sputtering.

2. Lo sputtering Rf non è limitato dal fatto che il target sia o meno conduttivo. Può essere un bersaglio ceramico metallico o coibentato.

3. Lo sputtering reattivo si ha quando il bersaglio metallico sputa, contemporaneamente alla camera di rivestimento nel gas contenente gli elementi non-xin richiesti. TiC (nero) UTILIZZO Ti target e il gas di lavoro è Ar + C2H2 o Ar + CH4.

Nello sputtering reattivo, il gas di reazione iniettato reagisce non solo con gli atomi di film depositati sul pezzo in lavorazione per formare un film composto, ma reagisce anche con il materiale target per formare un composto sulla superficie bersaglio, che può rendere il tasso di stripping del target materiale e ridurre corrispondentemente il tasso di rivestimento anche di un ordine di grandezza, che è facile da causare avvelenamento bersaglio.

All'inizio dei composti nel processo di sputtering, solo nella pura Ar, quindi aumentare gradualmente il gas di reazione (C2H2 o N2, ecc.), All'inizio del gas di reazione appena passato, la variazione della velocità di sputtering non è grande , quando il gas di reazione raggiunge un certo limite, la velocità di polverizzazione presenta il cambiamento evidente, e quindi continua ad aumentare il gas di reazione, la velocità di sputtering ha mostrato una tendenza di nuovo stabile. È stato trovato che la direzione del processo inverso in un certo intervallo tra la curva del disallineamento, appare l'immagine della "curva di isteresi". Questo è chiamato "curva di avvelenamento bersaglio". Vedi sotto:

Curva di avvelenamento bersaglio
Misure per prevenire l'avvelenamento da bersaglio:
. Migliora il tasso di estrazione del sistema del vuoto;
Ridurre il gas di reazione.
Isolare il gas di reazione dall'obiettivo.

Esempi di film composti sputtering sono i seguenti:

Materiale a membrana
artefatti
funzione
Lattina,
Punta e fresa in acciaio ad alta velocità
Resistente all'usura
Cassa e cinturino in acciaio inossidabile
La decorazione in oro
Ceramiche e piastrelle
La decorazione in oro
ITO
Vetro conduttivo trasparente
Conduttivo trasparente
SiO2
Vetro conduttivo trasparente
Prevenire la diffusione degli ioni di sodio
Al2O3
Chip di silicio a circuito integrato
Passivazione dell'isolamento
MgF2
Lenti ottiche
Meno l'anti-riflesso
Tic
Cassa e parti del telefono in acciaio inossidabile
decorazione

Tecnologia di placcatura dello ione sputtering del magnetron:

Dopo gli anni 80, collegare la polarizzazione dello sputtering del magnetron viene chiamata placcatura ionica con sputtering del magnetron, di seguito denominata Sputtering Ion Plating (Sputtreing Ion Plating, abbreviazione SIP). La nostra fabbrica attualmente include l'uso di attrezzature fatte di film placcante, vale a dire l'uso della tecnologia.

1. Processo di fabbricazione di rivestimento decorativo (TiN o TiC) mediante tecnologia di placcatura ionica con sputtering di magnetron:

2. Processo di rivestimento PVD:

Abstract: in base alle esigenze del film, il livello del vuoto gioca un ruolo cruciale nella qualità del film. Per i prodotti prodotti dalla nostra fabbrica, il grado di vuoto prima della formazione del film è necessario per raggiungere 5,0 10-3pa (il tempo di pompaggio è di circa 30-60 minuti).

Riscaldamento del pompaggio: quando viene raggiunto il grado di vuoto (ad es. 2.0 10-2pa), avviare il riscaldamento e aprire il telaio rotante.

Obiettivo: ridurre o eliminare il gas adsorbito sulla superficie dei prodotti e la camera del vuoto mediante cottura al forno, in modo da migliorare la qualità e le prestazioni del film per soddisfare i requisiti, ma occorre notare che:

A. Nella gamma reale, è possibile attivare il riscaldamento, che può impedire l'ossidazione della superficie delle merci.
B. Il giradischi deve essere aperto all'avviamento del riscaldamento.

Pulizia target (noto anche come target point): l'obiettivo può essere aperto e pulito solo quando il grado di vuoto raggiunge un determinato intervallo (la gamma richiesta dei prodotti prodotti dalla nostra fabbrica è 7.0 10-3 ~ 5.0 10-3pa).

Obiettivo: rimuovere il gas adsorbito e pulire il rivestimento sulla superficie del bersaglio.

Pulizia degli ioni: artefatti dopo il trattamento di preriscaldamento, la superficie sarà ancora lì è un po 'di sporcizia, può anche avere un leggero strato di ossido, la pulizia dello ione è di rimuovere lo sporco e lo strato di ossidazione superficiale è uno dei metodi efficaci. Per il gas Ar che riempie l'alta pressione nella camera a vuoto, artefatti e bias negativi causati dallo scarico bagliore allo stesso tempo, dalla ionizzazione di Ar ion sotto l'azione del campo elettrico, dai manufatti bombardanti ad alta energia, e raggiungere lo sporco sul la superficie del pezzo in lavorazione schizza fuori, pulita e lo scopo dell'attivazione sulla superficie del carico.

Formazione del film: quando la pressione del gas di lavoro argon raggiunge un certo livello, il bersaglio viene aperto e viene aggiunta una quantità appropriata di gas reattivo per lo sputtering, ed infine si ottiene il film richiesto. Allo stato attuale, film di nitruro, film di ossido e film di carburo sono ottenuti attraverso azoto (N2), ossigeno (O2), metano (CH4), acetilene (C2H2), monossido di carbonio (CO) e altri gas.

Aspetti che richiedono attenzione nel processo di formazione del film:

1. Il flusso e la pressione dell'Ar sono normali?
2. Prima di aprire il bersaglio, fornire una tensione di polarizzazione, avviare il telaio rotante e controllare se c'è un corto circuito nel carico.
3. Durante il processo di formazione del film, prestare attenzione alla tensione target, alla corrente target, alla pressione e alla corrente di polarizzazione.

Raffreddamento: durante il processo di formatura del film si genera una temperatura elevata, in modo da evitare che lo strato di pellicola provochi lo stress causato dalla differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno della camera del vuoto. Dopo la formazione del film, è necessario un adeguato raffreddamento prima che il film venga rilasciato.
Camera sottovuoto . Unità di carico e pulizia della camera a vuoto.

Parametri relativi della placcatura dello ione sputtering del magnetron:

Il pezzo in lavorazione di polverizzazione del magnetron ha tre tipi di collegamenti elettrici: messa a terra, sospensione e polarizzazione.
Il dispositivo di rivestimento è solitamente una massa di alloggiamento della camera a vuoto come l'anodo e le disposizioni di potenziale zero.
La sospensione è il processo di isolare il pezzo dall'anodo (alloggiamento) e dal catodo e sospenderlo nel plasma.
La polarizzazione consiste nell'aggiungere decine di volt a centinaia di volt di polarizzazione negativa sul pezzo, quando il bias è zero che è messo a terra.

1. Rapporto di arrivo degli ioni:

Nella placcatura ionica, l'effetto degli ioni incidenti sulla struttura e le proprietà del film dipende principalmente dall'energia degli ioni e dal flusso di ioni.
Nella placcatura ionica, l'energia ottenuta dallo ione incidente su ciascun atomo depositato viene chiamata valore di guadagno di energia.
Ea = Ei (ev)
Il tipo di Ei è l'energia dello ione incidente (ev), I / Φ Φ per gli ioni da raggiungere rispetto a a.

2. Bias e corrente:

I parametri di processo pratici della placcatura ionica sono la tensione di polarizzazione e la densità di corrente del pezzo. Attualmente, la nostra fabbrica nel processo di placcatura TiN o TiC, il controllo di polarizzazione aggiunto in -100 ~ -400V, corrente di polarizzazione in 2 ~ 6A o così .

3. Sputtering a impulsi:

Sputtering a impulsi generalmente usa tensioni d'onda rettangolari.

Il periodo di impulso è T, il tempo di sputtering target in ogni ciclo è t-delta T, delta T è il tempo di impulso positivo (larghezza) aggiunto all'obiettivo. V- e V + sono l'ampiezza di tensione degli impulsi negativi e positivi aggiunti al bersaglio, rispettivamente.

4. Casi anomali durante il funzionamento:

Attualmente, i principali modelli utilizzati nella produzione sono: vt-1200, SVS e COM, macchine a rivestimento continuo, zck-1500 e altri diversi tipi di apparecchiature target.

Fenomeno anormale
Le conseguenze
un.
Lo scudo dell'auto non sta bene quando l'obiettivo viene lavato
La superficie della merce è stata contaminata, provocando il film della merce dopo il rivestimento antideflagrante
B
Il cortocircuito di polarizzazione si verifica durante la pulizia ionica
Test funzionale NG dopo la formazione del film (rifiutato)
C
Durante il processo di formazione del film, la portata del gas di reazione è troppo grande (ad es. C2H2), con conseguente avvelenamento da bersaglio
Dopo che i prodotti escono dalla fornace, il rivestimento del film o il fenomeno irregolare del colore è ovvio
D
L'acqua di raffreddamento target non viene aperta durante l'apertura del bersaglio
Danni alle attrezzature, gravi vittime

IKS PVD, macchina per il rivestimento sottovuoto, contattare: iks.pvd@foxmail.com