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離子鍍膜技術(shù)原理及工藝3

離子鍍膜技術(shù)原理及工藝

(5)等離子體鍍膜技術(shù)簡介

王福貞



等離子體鍍膜技術(shù)簡介

5.1 離子鍍技術(shù)類型

技術(shù)類型

離 子 鍍 技 術(shù)

放 電 類 型

偏 壓

V

真空度(Pa)

離子能量

eV

 

 

離子鍍

活性反應離子鍍

空心陰極離子鍍

熱絲陰極離子鍍

陰極電弧離子鍍

磁控濺射離子鍍

輝 光 放 電

熱弧光放電

熱弧光放電

冷場致弧光放電

輝 光 放 電

103

50 100

100 120

50 200

100 200

10-1

10-1

10-1

10-1

10-1

5 - 15

20 40

20 40

60 90

10 20

 

5.2 活性反應離子鍍

e形電子槍:槍接負電壓10kV (0.3~1)A SHAPE * MERGEFORMAT

負偏壓:真空室接地,(1000~3000)V(2~10)A

活化電極:活化極接電源正極,坩堝接負極,接地,70V (10~30)A

活化電極吸引坩堝上方的電子,提高碰撞幾率、離化率

高能電子束加熱蒸發(fā),活化電極提高離化率


5.3空心陰極離子鍍

空心陰極槍:槍接負電壓(50~70)V(50~200)A

空心陰極槍產(chǎn)生高密度熱電子弧流

負偏壓:真空室接地,(100~200)V (5~20)A

SHAPE * MERGEFORMAT

 

空心陰極低能高密度電子流加熱蒸發(fā),同時與加大碰撞幾率,金屬離化了率提高。偏壓低。

空心陰極槍既是加熱源、蒸發(fā)源、又是離化源。是點狀蒸發(fā)源。

 

5.4 熱絲弧離子鍍

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熱絲弧槍:熱絲並聯(lián)接加熱電源和弧電源負極,真空室接地。

(50~70)V(50~200)A

熱絲弧槍產(chǎn)生高密度熱電子弧流

熱絲弧槍既是加熱源、蒸發(fā)源、又是離化源。是點狀蒸發(fā)源。


5.5 陰極電弧源離子鍍

陰極電弧源靶面前的電場強度流和金達到106~108V/cm,擊穿產(chǎn)生大量場致電子,形成冷場致弧光放電。每個微小的弧斑發(fā)射高密度的電子屬蒸汽流。在弧斑附近產(chǎn)生激烈的碰撞,產(chǎn)生大量的金屬離子。每個弧斑是一個蒸發(fā)源、離化源、加熱源。電弧離子鍍是金屬離化率最高的鍍膜技術(shù),更有利於形成化合物塗層。採用磁場控制弧斑運動。


 

1)小弧源的直徑一般為(60—100)mm。在鍍膜室壁上從上到下呈螺旋線分佈。小弧源本身結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但每個小弧源都必須匹配一弧電源、一套引弧針系統(tǒng),而且必須逐個引動每個引弧針,才能點燃所有的小弧源。故鍍膜機的結(jié)構(gòu)複雜、操作煩瑣。膜層組織粗,有較大的液滴,沿工件轉(zhuǎn)架的膜層均勻性差。


電弧離子鍍膜層組織較粗,有大熔滴存在,工件表面粗糙,亮度降低。採用磁過濾方法使之細化。


1)柱弧源和矩形平面大弧源

矩形平面大弧源和柱弧源都和工件轉(zhuǎn)架等長,只需一次引弧操作便可以引燃整個大弧源或柱弧源,實現(xiàn)整個工件轉(zhuǎn)架的鍍膜,鍍膜的均勻區(qū)大。設備結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便。由於靶材較薄,膜層中的熔滴少,組織細密。 

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 平面弧與柱弧          直條弧斑      螺條弧斑         外設磁場

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           平面大弧源鍍膜機           大弧源放電

 

2)電弧離子鍍膜層組織

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               柱弧源    大弧源    小弧源

電弧離子鍍膜層組織中有大熔滴,小弧源的組織比柱弧源和大弧源的粗。

電弧離子鍍是蒸發(fā)源、離化源、加熱源,又是大面積鍍膜源。

磁控濺射離子鍍

磁控濺射技術(shù)中,氬離子以高能轟擊靶面,產(chǎn)生的陰極濺射作用把靶材原子濺射下來,成為膜層原子,沉積到工件上。由於靶材後面的磁場作用,電子在靶面做迴旋運動,提高了氬氣的電離幾率,有更多的氬離子轟擊靶面,提高了沉積速率。

如果工件也施加負偏壓,即為磁控濺射離子鍍。具有離子鍍技具術(shù)的優(yōu)點,而且膜層組織細密。

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磁控濺射膜層組織

通常主要使用平衡磁控濺射技術(shù)。平衡磁控濺射技術(shù)的磁場主要分佈在靶面附近,鍍膜室空間的等離子體密度低,膜層粒子能量低。新的磁控濺射技是採用非平衡磁控濺射靶、中頻電源、孿生靶、氣體離子源。

 

1 平衡-非平衡磁控濺射靶

平衡磁控濺射技術(shù)主要分佈在靶面附近,鍍膜室空間的等離子體密度低,膜層粒子能量低。新的磁控濺射技是採用非平衡磁控濺射靶。非平衡磁控濺射技術(shù)中的磁場不但分佈在靶面附近,而且向鍍膜室空間延伸,等離子體作用範圍大,增加了金屬原子的離化率和整體能量,有利於提高膜層的附著力和沉積化合物塗層。

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磁控濺射靶磁場結(jié)構(gòu) 平衡-非平衡磁控濺射靶磁場分佈

 

2 中頻電源

兩個非平衡靶分別與中頻磁控濺射電源的兩個電極相連,兩個靶即互為陰陽極。鍍膜室空間的等離子體可以在中頻電場的作用下高速震盪,提高等離子體密度。更有利於反應沉積氮化鈦等化合物塗層;中頻電源還可以隨時消除靶中毒現(xiàn)象,有利於沉積AlN、Al2O3、SiO2 等絕緣膜,避免了使用射頻電源的弊病。

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     中頻-直流               中頻-磁控-AlN

 

3 孿生靶

兩個非平衡靶分別與中頻磁控濺射電源的兩個電極相連,兩個靶空間的等離子體可以在中頻電場的作用下高速震盪,進一步提高等離子體密度。

 

4 氣體離子源

氣體離子源產(chǎn)生的氣體離子可以歸工件進行與轟擊清洗、離子輔助沉積,提高膜基結(jié)合力、改善膜層組織、提高反應沉積能力。

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           平面孿生磁控濺射靶      氣體離子源

 

 

5.7  複合型鍍膜源

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                        封閉磁場結(jié)構(gòu)

 

1)  封閉磁場磁控濺射靶

磁控濺射靶之間設輔助磁場,使鍍膜室內(nèi)的磁場相互交聯(lián),形成封閉磁場。

2)  ABS 源—磁控和電弧連用

    通過調(diào)整磁控濺射靶外圈磁鋼的前後位置來改變靶面的磁場強度。外圈磁鋼向前推時靶面的磁場強度高,成為磁控濺射靶。外圈磁鋼向後放時,靶面的磁場強度低,成為電弧源。首先以電弧的模式進行主弧轟擊,然後以磁控濺射模式鍍氮化鋯等化合物膜。

 

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     ABS 源放電特點               ABS 源結(jié)構(gòu)

 

3)  柱狀孿生靶

    柱狀磁控濺射靶結(jié)構(gòu)簡單,靶材利用率高。兩個靶相鄰安放或相對安放,接中頻電源。使靶間的磁場相互交聯(lián)。靶間的等離子體密度大大提高。此時的柱狀磁控濺射靶內(nèi)的磁場不旋轉(zhuǎn),而是旋轉(zhuǎn)靶管,進行定向鍍膜。

4)  柱靶—柱弧並用

由於柱弧源的金屬離化率高可以先用柱弧源進行“主弧轟擊”,然後用磁控濺射靶進行鍍膜,與此同時柱弧源還起到離子源的作用和輔助鍍膜的作用。

 

 

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5)    柱靶—柱弧一體化                

    一個柱狀源通過更換磁鋼和電源,使得一個柱狀的結(jié)構(gòu)可以既是磁控濺射靶又是柱狀靶。適用於研發(fā)新膜系。

    工模具、手機殼、錶殼、錶帶衛(wèi)生潔具等的產(chǎn)業(yè)化鍍膜生產(chǎn)過程中需要鍍膜厚度的均勻性和色澤的均勻性。所以長條形鍍膜源的利用和技術(shù)發(fā)展意義重大。

 

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