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物理氣相沉積
一種鍍膜技術(shù)
基本信息
| 中文名 | 物理氣相沉積 |
| 外文名 | Physical Vapour Deposition |
| 別名 | PVD |
| 所屬領(lǐng)域 | 物理 |
| 所屬學(xué)科 | 物理、材料學(xué) |
簡介
物理氣相沉積（PVD）是通過蒸發(fā)，電離或?yàn)R射等，產(chǎn)生氣態(tài)粒子并在工件表面形成化合物沉積層的一種工藝。該項(xiàng)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于鍍膜行業(yè)。
真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍和真空離子鍍膜是三種典型的PVD鍍膜技術(shù)，其中，離子鍍應(yīng)用最廣。對應(yīng)于上述三類PVD技術(shù)，相應(yīng)的真空鍍膜設(shè)備也就有真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)、真空濺射鍍膜機(jī)和真空離子鍍膜機(jī)這三種。
物理氣相沉積
離子鍍是借助于惰性氣體輝光放電，使鍍料（如金屬鈦）氣化蒸發(fā)離子化，離子經(jīng)電場加速，以較高能量轟擊工件表面，此時(shí)如通入
等反應(yīng)氣體，便可在工件表面獲得TiC,TiN覆蓋層，硬度高達(dá)2000HV。離子鍍的重要特點(diǎn)是沉積溫度只有500℃左右，且覆蓋層附著力強(qiáng)，適用于高速鋼工具，熱鍛模等。
近十多年來，真空離子鍍膜技術(shù)的發(fā)展是最快的，它已經(jīng)成為當(dāng)今最先進(jìn)的表面處理方式之一。我們通常所說的PVD鍍膜，指的就是真空離子鍍膜；通常所說的PVD鍍膜機(jī)，指的也就是真空離子鍍膜機(jī)。
早在20世紀(jì)初，物理氣相沉積技術(shù)就已有應(yīng)用，但30年迅速發(fā)展，成為一門極具廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)，并向著環(huán)保型、清潔型趨勢發(fā)展。20世紀(jì)90年代初至今，在鐘表行業(yè)，尤其是高檔手表金屬外觀件的表面處理方面達(dá)到越來越為廣泛的應(yīng)用。
物理氣相沉積技術(shù)的基本原理可分為三個(gè)工藝步驟：
1) 鍍料的氣化
即使鍍料蒸發(fā)，升華或被濺射，也就是通過鍍料的氣化源。
2) 鍍料原子、分子或離子的遷移
由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過碰撞后，產(chǎn)生多種反應(yīng)。
3) 鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。
物理氣相沉積技術(shù)工藝過程簡單，對環(huán)境改善，無污染，耗材少，成膜均勻致密，與基體的結(jié)合力強(qiáng)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、光學(xué)、機(jī)械、建筑、輕工、冶金、材料等領(lǐng)域，可制備具有耐磨、耐腐蝕、裝飾、導(dǎo)電、絕緣、光導(dǎo)、壓電、磁性、潤滑、超導(dǎo)等特性的膜層。
詳述
真空蒸鍍
(一) 真空蒸鍍原理
真空蒸鍍是在真空條件下，將鍍料加熱并蒸發(fā)，使大量的原子、分子氣化并離開液體鍍料或離開固體鍍料表面(升華)。氣態(tài)的原子、分子在真空中經(jīng)過很少的碰撞遷移到基體。鍍料原子、分子沉積在基體表面形成薄膜。
(二) 蒸發(fā)源
將鍍料加熱到蒸發(fā)溫度并使之氣化，這種加熱裝置稱為蒸發(fā)源。最常用的蒸發(fā)源是電阻蒸發(fā)源和電子束蒸發(fā)源，特殊用途的蒸發(fā)源有高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱、輻射加熱、激光加熱蒸發(fā)源等。
(三) 真空蒸鍍工藝實(shí)例
以塑料金屬化為例，真空蒸鍍工藝包括：鍍前處理、鍍膜及后處理。
真空蒸鍍的基本工藝過程如下：
1) 鍍前處理，包括清洗鍍件和預(yù)處理。具體清洗方法有清洗劑清洗、化學(xué)溶劑清洗、超聲波清洗和離子轟擊清洗等。具體預(yù)處理有除靜電，涂底漆等。
2) 裝爐，包括真空室清理及鍍件掛具的清洗，蒸發(fā)源安裝、調(diào)試、鍍件褂卡。
4) 烘烤，將鍍件烘烤加熱到所需溫度。
5) 離子轟擊，真空度一般在10Pa～0.1Pa，離子轟擊電壓200V～1kV負(fù)高壓，離擊時(shí)間為5min～30min。
6) 預(yù)熔，調(diào)整電流使鍍料預(yù)熔，除氣1min～2min。
7) 蒸發(fā)沉積，根據(jù)要求調(diào)整蒸發(fā)電流，直到所需沉積時(shí)間結(jié)束。
8) 冷卻，鍍件在真空室內(nèi)冷卻到一定溫度。
10) 后處理，涂面漆。
濺射鍍膜
濺射鍍膜是指在真空條件下，利用獲得功能的粒子轟擊靶材料表面，使靶材表面原子獲得足夠的能量而逃逸的過程稱為濺射。被濺射的靶材沉積到基材表面，就稱作濺射鍍膜。濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在l0.01Pa～10Pa范圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中，易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞，使運(yùn)動方向隨機(jī)，沉積的膜易于均勻。發(fā)展起來的規(guī)模性磁控濺射鍍膜，沉積速率較高，工藝重復(fù)性好，便于自動化，已適當(dāng)于進(jìn)行大型建筑裝飾鍍膜，及工業(yè)材料的功能性鍍膜，及TGN-JR型用多弧或磁控濺射在卷材的泡沫塑料及纖維織物表面鍍鎳Ni及銀Ag。
等離子體鍍膜
基本原理是在真空條件下，采用某種等離子體電離技術(shù)，使鍍料原子部分電離成離子，同時(shí)產(chǎn)生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負(fù)偏壓。這樣在深度負(fù)偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。
PVD領(lǐng)域通常采用的冷陰極電弧蒸發(fā)，以固體鍍料作為陰極，采用水冷、使冷陰極表面形成許多亮斑，即陰極弧斑。弧斑就是電弧在陰極附近的弧根。在極小空間的電流密度極高，弧斑尺寸極小，估計(jì)約為1μm～100μm，電流密度高達(dá)
A/平方厘米～
A/平方厘米。每個(gè)弧斑存在極短時(shí)間，爆發(fā)性地蒸發(fā)離化陰極改正點(diǎn)處的鍍料，蒸發(fā)離化后的金屬離子，在陰極表面也會產(chǎn)生新的弧斑，許多弧斑不斷產(chǎn)生和消失，所以又稱多弧蒸發(fā)。最早設(shè)計(jì)的等離子體加速器型多弧蒸發(fā)離化源，是在陰極背后配置磁場，使蒸發(fā)后的離子獲得霍爾(hall)加速效應(yīng)，有利于離子增大能量轟擊量體，采用這種電弧蒸發(fā)離化源鍍膜，離化率較高，所以又稱為電弧等離子體鍍膜。由于鍍料的蒸發(fā)離化靠電弧，所以屬于區(qū)別于其他蒸發(fā)手段。
離子鍍
離子鍍技術(shù)最早在1963年由D．M．Mattox提出.1972年，Bunshah和Juntz等人推出了活性反應(yīng)蒸發(fā)離子鍍(AREIP)技術(shù)，成功沉積了TiN、TiC等超硬膜。1972年，Moley和Smith等人發(fā)展完善了空心熱陰極離子鍍。l973年又發(fā)展出射頻離子鍍(RFIP)。20世紀(jì)80年代，再發(fā)展出磁控濺射離子鍍(MSIP)和多弧離子鍍(MAIP)技術(shù)。
(一)離子鍍
離子鍍的基本特點(diǎn)是采用電子束蒸發(fā)磁控濺射或多弧蒸發(fā)離化等方法，使中性粒子電離成離子和電子，在基體上必須施加負(fù)偏壓，從而使離子對基體產(chǎn)生轟擊，適當(dāng)降低負(fù)偏壓后，使離子進(jìn)而沉積于基體成膜。
離子鍍的優(yōu)點(diǎn)如下：①膜層和基體結(jié)合力強(qiáng)。②膜層均勻，致密。③在負(fù)偏壓作用下繞鍍性好。④無污染。⑤多種基體材料均適合于離子鍍。
(二) 反應(yīng)性離子鍍
如果采用電子束蒸發(fā)源蒸發(fā)，在坩堝上方加20V～100V的正偏壓。在真空室中導(dǎo)入反應(yīng)性氣體。如
等代替Ar，或混入Ar，電子束中的高能電子(幾千至幾萬電子伏特)，不僅使鍍料熔化蒸發(fā)，而且能在熔化的鍍料表面激勵出二次電子，這些二次電子在上方正偏壓作用下加速，與鍍料蒸發(fā)中性粒子發(fā)生碰撞而電離成離子，在工件表面發(fā)生離化反應(yīng)，從而獲得氧化物(如
、
、
等)。其特點(diǎn)是沉積率高，工藝溫度低。
(三)多弧離子鍍
多弧離子鍍又稱作電弧離子鍍，由于在陰極上有多個(gè)弧斑持續(xù)呈現(xiàn)，故稱作“多弧”。多弧離子鍍的主要特點(diǎn)如下： 1) 陰極電弧蒸發(fā)離化源可從固體陰極直接產(chǎn)生等離子體，而不產(chǎn)生熔池，所以可以任意方位布置，也可采用多個(gè)蒸發(fā)離化源。
2)鍍料的離化率高，一般達(dá)60%～90%，顯著提高與基體的結(jié)合力改善膜層的性能。
3)沉積速率高，改善鍍膜的效率。
參考資料
[1]
張以忱 . 真空鍍膜技術(shù) : 冶金工業(yè)出版社 ，2009-09
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