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

5 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(yīng)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(yīng)離子鍍

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

負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)偏壓：真空室接地，（100～200）V （5～20）A

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空心陰極低能高密度電子流加熱蒸發(fā)，同時(shí)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(diǎn)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(fù)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(diǎn)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(qiáng)度流和金達(dá)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(gè)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(gè)弧斑是一個(gè)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(yùn)動(dòng)。

 

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(gè)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(gè)引動(dòng)每個(gè)引弧針，才能點(diǎn)燃所有的小弧源。故鍍膜機(jī)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(xì)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(gè)大弧源或柱弧源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工件轉(zhuǎn)架的鍍膜，鍍膜的均勻區(qū)大。設(shè)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(xì)密。 

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 平面弧與柱弧          直條弧斑      螺條弧斑         外設(shè)磁場

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           平面大弧源鍍膜機(jī)           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(yùn)動(dòng)，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(fù)偏壓，即為磁控濺射離子鍍。具有離子鍍技具術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且膜層組織細(xì)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(fàn)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(gè)非平衡靶分別與中頻磁控濺射電源的兩個(gè)電極相連，兩個(gè)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(yīng)沉積氮化鈦等化合物塗層；中頻電源還可以隨時(shí)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(gè)非平衡靶分別與中頻磁控濺射電源的兩個(gè)電極相連，兩個(gè)靶空間的等離子體可以在中頻電場的作用下高速震盪，進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(shè)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(qiáng)度。外圈磁鋼向前推時(shí)靶面的磁場強(qiáng)度高，成為磁控濺射靶。外圈磁鋼向後放時(shí)，靶面的磁場強(qiáng)度低，成為電弧源。首先以電弧的模式進(jìn)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(diǎn)               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(gè)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(shí)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(jìn)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(jìn)行“主弧轟擊”，然後用磁控濺射靶進(jìn)行鍍膜，與此同時(shí)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(gè)柱狀源通過更換磁鋼和電源，使得一個(gè)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(jī)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。