Физическое осаждение из паровой фазы

Внутри камеры плазменно -распылительного физического осаждения из паровой фазы (PS-PVD) керамический порошок вводится в плазменное пламя, которое испаряет его, а затем конденсирует на (более холодной) заготовке с образованием керамического покрытия.

процесса PVD Технологическая схема

Физическое осаждение из паровой фазы ( PVD ), иногда называемое физическим переносом паров ( PVT ), описывает различные методы вакуумного осаждения , которые можно использовать для производства тонких пленок и покрытий на подложках, включая металлы, керамику, стекло и полимеры. PVD характеризуется процессом, при котором материал переходит из конденсированной фазы в паровую фазу, а затем обратно в тонкопленочную конденсированную фазу. Наиболее распространенными процессами PVD являются напыление и испарение . PVD используется при производстве изделий, для которых требуются тонкие пленки для оптических, механических, электрических, акустических или химических функций. Примеры включают полупроводниковые устройства, такие как тонкопленочные солнечные элементы , микроэлектромеханические устройства, такие как тонкопленочный объемный акустический резонатор, алюминизированная ПЭТ- пленка для упаковки пищевых продуктов и воздушных шаров , и режущие инструменты с покрытием из нитрида титана для металлообработки. Помимо инструментов PVD для изготовления, были разработаны специальные инструменты меньшего размера, используемые в основном в научных целях.

Исходный материал неизбежно также осаждается на большинстве других поверхностей внутри вакуумной камеры, включая приспособления, используемые для удержания деталей. Это называется перерегулированием.

Примеры

• Катодно-дуговое осаждение : мощная электрическая дуга, разряжающаяся в целевом (исходном) материале, превращает часть материала в сильно ионизированный пар, который осаждается на заготовку.
• Электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы : осаждаемый материал нагревается до высокого давления пара путем бомбардировки электронами в «высоком» вакууме и транспортируется путем диффузии для осаждения путем конденсации на (более холодной) детали.
• Испарительное осаждение : осаждаемый материал нагревается до высокого давления пара за счет электрического сопротивления в «высоком» вакууме.
• Сублимация в закрытом пространстве : материал и подложка располагаются близко друг к другу и нагреваются радиационным способом.
• Импульсное лазерное осаждение : мощный лазер удаляет материал из мишени в пар.
• Термическая лазерная эпитаксия непрерывного действия : лазер испаряет отдельные, отдельно стоящие источники элементов, которые затем конденсируются на подложке.
• Напыление : тлеющий плазменный разряд (обычно локализованный вокруг «мишени» с помощью магнита) бомбардирует материал, распыляя его часть в виде пара для последующего осаждения.
• Импульсное осаждение электронов : высокоэнергетический импульсный электронный луч удаляет материал из мишени, создавая плазменный поток в неравновесных условиях.
• Сублимационный сэндвич-метод : используется для выращивания искусственных кристаллов ( карбид кремния , SiC).

Метрики и тестирование

Для измерения физических свойств PVD-покрытий можно использовать различные методы определения характеристик тонких пленок, такие как:

• Кало-тестер : проверка толщины покрытия
• Наноиндентирование : испытание на твердость тонкопленочных покрытий
• Прибор для испытания пальца на диске : проверка коэффициента износа и трения
• Тестер царапин : тест на адгезию покрытия
• Рентгеновский микроанализатор: исследование структурных особенностей и неоднородности элементного состава ростовых поверхностей

Сравнение с другими методами осаждения

Преимущества

• Покрытия PVD иногда более твердые и устойчивые к коррозии , чем покрытия, нанесенные гальваническим способом. Большинство покрытий обладают высокой температурой и хорошей ударной вязкостью, отличной стойкостью к истиранию и настолько долговечны, что необходимость в нанесении защитных верхних слоев возникает редко.
• В покрытиях PVD можно использовать практически любой тип неорганических и некоторых органических материалов покрытия на одинаково разнообразной группе подложек и поверхностей с использованием самых разных отделок.
• Процессы PVD часто более экологичны, чем традиционные процессы нанесения покрытий, такие как гальваника и покраска.
• Для нанесения данной пленки можно использовать более одной технологии.
• PVD может выполняться при более низких температурах по сравнению с химическим осаждением из паровой фазы (CVD) и другими термическими процессами. Это делает его пригодным для покрытия чувствительных к температуре поверхностей, таких как пластмассы и некоторые металлы, не вызывая повреждений или деформации.
• Технологии PVD можно масштабировать от небольших лабораторных установок до крупных промышленных систем, обеспечивая гибкость для различных объемов и размеров производства. Такая масштабируемость делает его доступным как для исследовательских, так и для коммерческих приложений.

Недостатки

• Конкретные технологии могут налагать ограничения; например, перенос на линии прямой видимости типичен для большинства методов нанесения PVD-покрытия, однако некоторые методы позволяют полностью охватить сложные геометрические формы.
• Некоторые технологии PVD работают при высоких температурах и вакууме, что требует особого внимания со стороны обслуживающего персонала, а иногда и системы водяного охлаждения для рассеивания больших тепловых нагрузок.

Приложения

Анизотропные очки

Этот рисунок дает простую иллюстрацию процесса PVD, когда желаемые осажденные молекулы газа попадают в камеру после конденсации, а затем снова конденсируются на тонкой пленке, такой как анизотропное стекло.

PVD может быть использовано для изготовления анизотропных низкомолекулярных стекол для органических полупроводников . Параметром, необходимым для образования этого типа стекла, является молекулярная подвижность и анизотропная структура на свободной поверхности стекла. Конфигурация полимера важна там, где его необходимо перевести в более низкоэнергетическое состояние, прежде чем добавленные молекулы похоронят материал в результате осаждения. Этот процесс добавления молекул в структуру начинает уравновешиваться, набирать массу и увеличиваться в размерах, обеспечивая большую кинетическую стабильность. Упаковка молекул здесь через PVD является лицевой, то есть не на длинном хвостовом конце, что также допускает дальнейшее перекрытие пи-орбиталей, что также увеличивает стабильность добавленных молекул и связей. Ориентация этих добавленных материалов зависит главным образом от температуры, когда молекулы будут осаждаться или извлекаться из молекулы. Равновесие молекул – это то, что придает стеклу анизотропные характеристики. Анизотропия этих стекол ценна, поскольку она обеспечивает более высокую подвижность носителей заряда. Этот процесс анизотропной упаковки в стекло ценен своей универсальностью и тем фактом, что стекло дает дополнительные преимущества помимо кристаллов, такие как однородность и гибкость состава.

Декоративные аппликации

Варьируя состав и продолжительность процесса, методом PVD на нержавеющей стали можно получить различные цвета. Полученное цветное изделие из нержавеющей стали может выглядеть как латунь, бронза и другие металлы или сплавы. Эту нержавеющую сталь с PVD-покрытием можно использовать в качестве внешней облицовки зданий и сооружений, таких как скульптура «Сосуд» в Нью-Йорке и «Бунд» в Шанхае. Он также используется для внутреннего оборудования, панелей и светильников и даже используется в некоторой бытовой электронике, например, в цветах «серый космос» и «золотой» на iPhone и Apple Watch.

Режущие инструменты

PVD используется для повышения износостойкости поверхностей стальных режущих инструментов и снижения риска слипания и слипания между инструментами и заготовкой. Сюда входят инструменты, используемые в металлообработке или литье пластмасс под давлением . Покрытие обычно представляет собой тонкий керамический слой толщиной менее 4 мкм, обладающий очень высокой твердостью и низким коэффициентом трения. Необходимо иметь высокую твердость заготовок, чтобы обеспечить размерную стабильность покрытия и избежать хрупкости. возможно совмещение PVD с плазменным азотированием стали. Для повышения несущей способности покрытия Нитрид хрома (CrN), нитрид титана (TiN) и карбонитрид титана (TiCN) можно использовать для PVD-покрытия матриц для литья пластмасс.

Другие приложения

Покрытия PVD обычно используются для улучшения твердости, повышения износостойкости и предотвращения окисления. Их также можно использовать в эстетических целях. Таким образом, такие покрытия используются в широком спектре применений, таких как:

• Аэрокосмическая промышленность
• Архитектурные скобяные изделия, панели и листы
• Автомобильная промышленность
• Красители и формы
• Огнестрельное оружие
• Оптика
• Часы
• Ювелирные изделия
• Нанесение тонких пленок (тонировка окон, упаковка пищевых продуктов и т. д.)

См. также

• HPCVD — техника нанесения тонких пленок. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Химическое осаждение из паровой фазы - метод нанесения поверхностных покрытий.
• Ионное покрытие - метод покрытия твердых поверхностей ионами.
• Нанесение тонкой пленки – Тонкий слой материала Страницы с краткими описаниями целей перенаправления – Нанесение тонкого слоя материала
• Ионно-лучевое осаждение - Техника материаловедения

Дальнейшее чтение

• Андерс, Андре, изд. (3 октября 2000 г.). Справочник по плазменной иммерсионной ионной имплантации и осаждению . Вайли-ВЧ. ISBN  978-0471246985 .
• Бах, Ганс; Краузе, Дитер (10 июля 2003 г.). Тонкие пленки на стекле . Спрингер. ISBN  978-3540585978 .
• Буншах, Ройтан Ф (31 декабря 1994 г.). Справочник по технологиям нанесения пленок и покрытий (второе изд.). Издательство Уильяма Эндрю. ISBN  978-0815517467 .
• Глейзер, Ханс Иоахим (2000). Стеклянное покрытие большой площади . От компании Ardenne Anlagentechnik GMBH. ISBN  978-3000049538 .
• Глокер, Д; Шах, С. (17 декабря 2001 г.). Справочник по технологии производства тонких пленок . ЦРК Пресс. ISBN  978-0750308328 .
• Махан, Джон Э. (1 февраля 2000 г.). Физическое осаждение тонких пленок из паровой фазы . Уайли-Интерсайенс. ISBN  978-0471330011 .
• Мэттокс, Дональд М. (19 мая 2010 г.). Справочник по обработке физическим осаждением из паровой фазы (PVD) (второе изд.). Издательство Уильяма Эндрю. ISBN  978-0-815-52037-5 .
• Мэттокс, Дональд М. (14 января 2004 г.). Основы технологии вакуумного нанесения покрытий . Издательство Уильяма Эндрю. ISBN  978-0815514954 .
• Мэттокс, Дональд М.; Мэттокс, Вививен Харвуд (2007). 50 лет технологии вакуумного нанесения покрытий и рост общества производителей вакуумных покрытий . Общество вакуумистов. ISBN  978-1878068279 .
• Оринг, Милтон (26 октября 2001 г.). Материаловедение тонких пленок, второе издание . Академическая пресса. ISBN  978-1493301720 .
• Пауэлл, Кэрролл Ф.; Оксли, Джозеф Х.; Блохер, Джон Милтон (1966). Клерер, Дж. (ред.). «Паровое осаждение». Журнал Электрохимического общества . 113 (10). Электрохимическое общество: 226–269. ASIN   B007T4PDL6 . Бибкод : 1966JElS..113..266P . дои : 10.1149/1.2423765 .
• Снайдер, Тим (6 мая 2013 г.). «Что такое колеса с PVD-покрытием — спросите НАСА» . 4wheelonline.com . 4WheelOnline.com . Проверено 3 октября 2019 г.
• Вествуд, Уильям Д. (2003). Напыление - Серия книг Комитета по образованию AVS, Vol. 2 . Комитет по образованию, АВС. ISBN  978-0735401051 .
• Уилли, Рональд Р. (15 декабря 2007 г.). Практический мониторинг и контроль тонких оптических пленок . Willey Optical, консультанты. ISBN  978-0615181448 .
• Уилли, Рональд Р. (27 октября 2007 г.). Практическое оборудование, материалы и процессы изготовления тонких оптических пленок . Willey Optical, консультанты. ISBN  978-0615143972 .

Внешние ссылки

• «Общество вакуумистов» . svc.org . Общество вакуумистов . Проверено 3 октября 2019 г.
• Рагху, Сарил (19 апреля 2009 г.). Инструмент для физического осаждения паров . YouTube.com. Архивировано из оригинала 19 декабря 2021 года . Проверено 3 октября 2019 г.