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      CVD真空鍍膜技術和系統介紹
      標簽: 真空鍍膜
      2022-11-03  閱讀

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        【康沃真空網真空鍍膜是真空應用領域的一個重要方面,它是以真空技術為基礎,利用物理或化學方法,并吸收電子束、分子束、離子束、等離子束、射頻和磁控等一系列新技術,為科學研究和實際生產提供薄膜制備的一種新工藝。簡單地說,在真空中把金屬、合金或化合物進行蒸發或濺射,使其在被涂覆的物體(稱基板、基片或基體)上凝固并沉積的方法,稱為真空鍍膜。

        眾所周知,在某些材料的表面上,只要鍍上一層薄膜,就能使材料具有許多新的、良好的物理和化學性能。20世紀70年代,在物體表面上鍍膜的方法主要有電鍍法和化學鍍法。前者是通過通電,使電解液電解,被電解的離子鍍到作為另一個電極的基體表面上,因此這種鍍膜的條件,基體必須是電的良導體,而且薄膜厚度也難以控制。后者是采用化學還原法,必須把膜材配制成溶液,并能迅速參加還原反應,這種鍍膜方法不僅薄膜的結合強度差,而且鍍膜既不均勻也不易控制,同時還會產生大量的廢液,造成嚴重的污染。因此,這兩種被人們稱之為濕式鍍膜法的鍍膜工藝受到了很大的限制。

        真空鍍膜則是相對于上述的濕式鍍膜方法而發展起來的一種新型鍍膜技術,通常稱為干式鍍膜技術。

        分類

        真空鍍膜技術一般分為兩大類,即物理氣相沉積(PVD)技術和化學氣相沉積(CVD)技術。

        物理氣相沉積技術是指在真空條件下,利用各種物理方法,將鍍料氣化成原子、分子或使其離化為離子,直接沉積到基體表面上的方法。制備硬質反應膜大多以物理氣相沉積方法制得,它利用某種物理過程,如物質的熱蒸發,或受到離子轟擊時物質表面原子的濺射等現象,實現物質原子從源物質到薄膜的可控轉移過程。物理氣相沉積技術具有膜/基結合力好、薄膜均勻致密、薄膜厚度可控性好、應用的靶材廣泛、濺射范圍寬、可沉積厚膜、可制取成分穩定的合金膜和重復性好等優點。同時,物理氣相沉積技術由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下,因此可作為最終的處理工藝用于高速鋼和硬質合金類的薄膜刀具上。由于采用物理氣相沉積工藝可大幅度提高刀具的切削性能,人們在競相開發高性能、高可靠性設備的同時,也對其應用領域的擴展,尤其是在高速鋼、硬質合金和陶瓷類刀具中的應用進行了更加深入的研究。

        化學氣相沉積技術是把含有構成薄膜元素的單質氣體或化合物供給基體,借助氣相作用或基體表面上的化學反應,在基體上制出金屬或化合物薄膜的方法,主要包括常壓化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積和兼有CVD和PVD兩者特點的等離子化學氣相沉積等。 

        特點

        真空鍍膜技術與濕式鍍膜技術相比較,具有下列優點:

        (1)薄膜和基體選材廣泛,薄膜厚度可進行控制,以制備具有各種不同功能的功能性薄膜。

        (2)在真空條件下制備薄膜,環境清潔,薄膜不易受到污染,因此可獲得致密性好、純度高和涂層均勻的薄膜。

        (3)薄膜與基體結合強度好,薄膜牢固。

        (4)干式鍍膜既不產生廢液,也無環境污染。

        真空鍍膜技術主要有真空蒸發鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍、真空束流沉積、化學氣相沉積等多種方法。除化學氣相沉積法外,其他幾種方法均具有以下的共同特點:

        (1)各種鍍膜技術都需要一個特定的真空環境,以保證制膜材料在加熱蒸發或濺射過程中所形成蒸氣分子的運動,不致受到大氣中大量氣體分子的碰撞、阻擋和干擾,并消除大氣中雜質的不良影響。

        (2)各種鍍膜技術都需要有一個蒸發源或靶子,以便把蒸發制膜的材料轉化成氣體。由于源或靶的不斷改進,大大擴大了制膜材料的選用范圍,無論是金屬、金屬合金、金屬間化合物、陶瓷或有機物質,都可以蒸鍍各種金屬膜和介質膜,而且還可以同時蒸鍍不同材料而得到多層膜。

        (3)蒸發或濺射出來的制膜材料,在與待鍍的工件生成薄膜的過程中,對其膜厚可進行比較精確的測量和控制,從而保證膜厚的均勻性。

        (4)每種薄膜都可以通過微調閥精確地控制鍍膜室中殘余氣體的成分和質量分數,從而防止蒸鍍材料的氧化,把氧的質量分數降低到最小的程度,還可以充入惰性氣體等,這對于濕式鍍膜而言是無法實現的。

        (5)由于鍍膜設備的不斷改進,鍍膜過程可以實現連續化,從而大大地提高產品的產量,而且在生產過程中對環境無污染。

        (6)由于在真空條件下制膜,所以薄膜的純度高、密實性好、表面光亮不需要再加工,這就使得薄膜的力學性能和化學性能比電鍍膜和化學膜好。

        常用方法

        真空鍍膜的方法很多,計有:

        (1)真空蒸鍍:將需鍍膜的基體清洗后放到鍍膜室,抽空后將膜料加熱到高溫,使蒸氣達到約13.3Pa而使蒸氣分子飛到基體表面,凝結而成薄膜。

        (2)陰極濺射鍍:將需鍍膜的基體放在陰極對面,把惰性氣體(如氬)通入已抽空的室內,保持壓強約1.33~13.3Pa,然后將陰極接上2000V的直流電源,便激發輝光放電,帶正電的氬離子撞擊陰極,使其射出原子,濺射出的原子通過惰性氣氛沉積到基體上形成膜。

        (3)化學氣相沉積:通過熱分解所選定的金屬化合物或有機化合物,獲得沉積薄膜的過程。

        (4)離子鍍:實質上離子鍍系真空蒸鍍和陰極濺射鍍的有機結合,兼有兩者的工藝特點。表6-9列出了各種鍍膜方法的優缺點。

        系統組成

        1.真空室  

        涂層設備主要有連續涂層生產線及單室涂層機兩種形式,不銹鋼材料制造、氬弧焊接、表面進行化學拋光處理,真空室組件上焊有各種規格的法蘭接口。

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        2.真空獲得部分

        在真空技術中,真空獲得部分是重要組成部分。真空的獲得不是一種真空設備和方法所能達到的,必須將幾種聯合使用,如機械泵、羅茨泵、分子泵系統等。

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        3.真空測量部分  

        真空系統的真空測量部分,就是要對真空室內的壓強進行測量。像真空泵一樣,沒有一種真空計能測量整個真空范圍,人們于是按不同的原理和要求制成了許多種類的真空計。如熱偶計,電離計,皮拉尼計等等。

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        4.電源供給部分 

        靶電源主要有直流電源、中頻電源、脈沖電源、射頻電源(RF),常見的電源廠商有AE,ADL,霍廷格等

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        5.工藝氣體輸入系統 

        工藝氣體,如氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氮氣(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氫氣(H2)、氧氣(O2)等,一般均由氣瓶供應,經氣體減壓閥、氣體截止閥、管路、氣體流量計、電磁閥、壓電閥,然后通入真空室。這種氣體輸入系統的優點是,管路簡捷、明快,維修或更換氣瓶容易。各涂層機之間互不影響。也有多臺涂層機共用一組氣瓶的情況,這種情況在一些規模較大的涂層車間可能有機會看到。它的好處是,減少氣瓶占用量,統一規劃、統一布局。缺點是,由于接頭增多,使漏氣機會增加。而且,各涂層機之間會互相干擾,一臺涂層機的管路漏氣,有可能會影響到其他涂層機的產品質量。此外,更換氣瓶時,必須保證所有機臺都處于非用氣狀態。

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        6.機械傳動部分

        涂層要求周邊必須厚度均勻一致,因此,在涂層過程中須有三個轉動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉動(I)的同時,小的工件承載臺也轉動( II),并且工件本身還能同時自轉(III)。在機械設計上,一般是在大工件轉盤底部中央為一大的主動齒輪,周圍是一些小的星行輪與之嚙合,如果要實現產品自轉的話,一般用撥叉撥動工件自轉。

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        7.加熱及測溫部分 

        涂層設備一般有不同位置的加熱器,用熱電偶測控溫度。但是,由于熱電偶裝夾的位置與工件位置不同,溫度讀數不可能是工件的真實溫度。要想測得工件的真實溫度,有很多方法,可以在工件上裝高溫試紙或熱偶計。

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        8.離子蒸發及濺射源  

        多弧鍍的蒸發源一般為圓餅形,俗稱圓餅靶,也有長方形的多弧靶。靶座中裝有磁鐵,通過前后移動磁鐵,改變磁場強度,可調整弧斑移動速度及軌跡。為了降低靶及靶座的溫度,要給靶座不斷通入冷卻水。為了保證靶與靶座之間的高導電、導熱性,還可以在靶與靶座之間加錫墊片?! 〈趴貫R射鍍膜一般采用長方形或圓柱形濺射陰極。

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        9.水冷系統

        一般由冷水塔,冰水機,水泵等組成。

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        10.工控系統

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