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物理氣相沉積
一種鍍膜技術
基本信息
| 中文名 | 物理氣相沉積 |
| 外文名 | Physical Vapour Deposition |
| 別名 | PVD |
| 所屬領域 | 物理 |
| 所屬學科 | 物理、材料學 |
簡介
物理氣相沉積（PVD）是通過蒸發(fā)，電離或濺射等，產生氣態(tài)粒子并在工件表面形成化合物沉積層的一種工藝。該項技術目前已廣泛應用于鍍膜行業(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，其中，離子鍍應用最廣。對應于上述三類PVD技術，相應的真空鍍膜設備也就有真空蒸發(fā)鍍膜機、真空濺射鍍膜機和真空離子鍍膜機這三種。
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，離子經電場加速，以較高能量轟擊工件表面，此時如通入
等反應氣體，便可在工件表面獲得TiC,TiN覆蓋層，硬度高達2000HV。離子鍍的重要特點是沉積溫度只有500℃左右，且覆蓋層附著力強，適用于高速鋼工具，熱鍛模等。
近十多年來，真空離子鍍膜技術的發(fā)展是最快的，它已經成為當今最先進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，指的也就是真空離子鍍膜機。
早在20世紀初，物理氣相沉積技術就已有應用，但30年迅速發(fā)展，成為一門極具廣闊應用前景的新技術，并向著環(huán)保型、清潔型趨勢發(fā)展。20世紀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到越來越為廣泛的應用。
物理氣相沉積技術的基本原理可分為三個工藝步驟：
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、分子或離子經過碰撞后，產生多種反應。
3) 鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。
物理氣相沉積技術工藝過程簡單，對環(huán)境改善，無污染，耗材少，成膜均勻致密，與基體的結合力強。該技術廣泛應用于航空航天、電子、光學、機械、建筑、輕工、冶金、材料等領域，可制備具有耐磨、耐腐蝕、裝飾、導電、絕緣、光導、壓電、磁性、潤滑、超導等特性的膜層。
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，包括清洗鍍件和預處理。具體清洗方法有清洗劑清洗、化學溶劑清洗、超聲波清洗和離子轟擊清洗等。具體預處理有除靜電，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負高壓，離擊時間為5min～30min。
6) 預熔，調整電流使鍍料預熔，除氣1min～2min。
7) 蒸發(fā)沉積，根據要求調整蒸發(fā)電流，直到所需沉積時間結束。
8) 冷卻，鍍件在真空室內冷卻到一定溫度。
10) 后處理，涂面漆。
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，使鍍料原子部分電離成離子，同時產生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。
PVD領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，估計約為1μm～100μm，電流密度高達
A/平方厘米～
A/平方厘米。每個弧斑存在極短時間，爆發(fā)性地蒸發(fā)離化陰極改正點處的鍍料，蒸發(fā)離化后的金屬離子，在陰極表面也會產生新的弧斑，許多弧斑不斷產生和消失，所以又稱多弧蒸發(fā)。最早設計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，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蒸發(fā)離子鍍(AREIP)技術，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。
(一)離子鍍
離子鍍的基本特點是采用電子束蒸發(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偏壓，從而使離子對基體產生轟擊，適當降低負偏壓后，使離子進而沉積于基體成膜。
離子鍍的優(yōu)點如下：①膜層和基體結合力強。②膜層均勻，致密。③在負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。在真空室中導入反應性氣體。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，從而獲得氧化物(如
、
、
等)。其特點是沉積率高，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弧斑持續(xù)呈現，故稱作“多弧”。多弧離子鍍的主要特點如下： 1) 陰極電弧蒸發(fā)離化源可從固體陰極直接產生等離子體，而不產生熔池，所以可以任意方位布置，也可采用多個蒸發(fā)離化源。
2)鍍料的離化率高，一般達60%～90%，顯著提高與基體的結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 : 冶金工業(yè)出版社 ，2009-09
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