O mais recente desenvolvimento e tendência da tecnologia de revestimento por pulverização catódica

O mais recente desenvolvimento e tendência da tecnologia de revestimento por pulverização catódica

O processo básico de pulverização por plasma é que sob a ação de íons portadores de energia no plasma incandescente do eletrodo negativo, os átomos alvo são expelidos do alvo e então condensados no substrato para formar um filme fino. Nesse processo, os elétrons secundários são emitidos simultaneamente da superfície alvo, que desempenham um papel fundamental na manutenção da existência estável do plasma. A aparência e a aplicação da tecnologia de sputtering passaram por vários estágios. Após mais de 30 anos de desenvolvimento, a tecnologia de pulverização catódica se tornou um método insubstituível para a preparação de filmes funcionais ultra-duros, resistentes ao desgaste, de baixo atrito, resistentes à corrosão, decorativos, óticos, elétricos e outros. é outro desenvolvimento importante neste campo. É quase impossível obter filmes isolantes densos e isentos de defeitos, especialmente filmes cerâmicos, por deposição de pulverização catódica com CC, devido à baixa taxa de deposição, à fácil ocorrência de descarga de arco de materiais alvo e à mudança de estrutura, composição e desempenho. A tecnologia de pulverização de magnetron sputtering pode ser usada para superar essas deficiências. A frequência pulsada é de 10 ~ 200kHz, o que pode efetivamente impedir que o material alvo seja descarregado e estabilizar o processo de deposição por pulverização reativa, para obter alta velocidade de deposição de filmes reativos de alta qualidade. Os autores discutem principalmente a tecnologia de sputtering em desbalanceamento magnetron sputtering, pulsed magnetron sputtering progresso, bem como a deposição de sputtering de controle magnético, sputtering, alta velocidade de alta pureza na preparação de membrana de baixa pressão e melhorar a qualidade do progresso da tecnologia de filme sputtering reação realizada na análise completa, a última chamada para a China indústria petroquímica deve vigorosamente o desenvolvimento e aplicação da tecnologia de sputtering magnetron.

Tecnologia de pulverização não magnetron sputtering

Em comparação com a pulverização catódica convencional, a tecnologia de pulverização magnetron não equilibrada tem pouca diferença no design, mas leva a uma enorme diferença nas características de deposição. FIG. 1 diagrama esquemico das caracterticas da regi do plasma da tecnologia de pulverizao magnetron de n equilrio e tecnologia convencional de pulverizao com magnetron

Na magnetron sputtering convencional, o plasma está completamente confinado à área alvo e o valor típico é de cerca de 6 cm na superfície alvo. Figura 1 c (chamado invasivo) sputtering desequilibrado magnetron, a intensidade do campo magnético exterior, a intensidade do campo magnético é maior do que as linhas centrais da força magnética não formar um circuito fechado entre o centro e a periferia, parte da superfície externa do magnético linhas de campo estendidas ao substrato, fazendo parte do elétron secundário pode atingir a superfície do substrato ao longo das linhas de força magnética, o plasma não está mais confinado à área do alvo, mas para poder atingir a superfície do substrato, o aumento da densidade do feixe de íons substrato, geralmente pode chegar a mais de 5 ma / cm2. Desta forma, a fonte de sputtering é também uma fonte de íons bombardeando o substrato. A densidade do feixe de íons do substrato é proporcional à densidade de corrente do material alvo. A densidade de corrente do material alvo aumenta, a taxa de deposição aumenta e a densidade do feixe de íons do substrato aumenta. A Figura 1b (chamada coesão) é outro campo magnético de não-equilíbrio, que é caracterizado por uma intensidade de campo magnético central maior do que a periferia, linhas de campo magnético não fechadas, mas direcionadas para a parede do dispositivo, e baixa densidade de plasma na superfície do substrato. Devido à baixa densidade do feixe de íons substrato, este método é raramente usado. No entanto, estudos mostraram que este método pode obter filmes com alta superfície específica e alta atividade, e a porosidade do filme obtido pode ser mais de 1000 vezes a da superfície densa, e a porosidade pode ser controlada ao mesmo tempo. Filmes porosos têm importantes aplicações como catalisadores, dispositivos de ignição e corpos negros. O desenvolvimento adicional de sputtering de magnetron de não-equilíbrio (CFUBMS) é caracterizado pelo uso de múltiplas fontes de sputtering de não-equilíbrio magnetron instaladas de uma certa maneira, que é usada para superar a grande dificuldade de usar um único alvo para depositar uniformemente filmes finos. superfície de substratos complexos.No sistema multi-alvo, a relação entre dois alvos adjacentes pode ser colocado em paralelo ou relativo. Existem também dois modos de campo magnético em alvos adjacentes, como mostrado na FIG. 2. Quando pólos magnéticos adjacentes são opostos, eles são chamados de modos de campo magnético fechados. Quando pólos magnéticos adjacentes são os mesmos, é chamado de modo de campo magnético de espelho. No caminho do campo magnético fechado, linhas de campo magnético entre diferentes materiais-alvo fechados, pela perda de parede menos eletrônica, a densidade de plasma na superfície do substrato é alta, é a proporção de íons e átomos atingir a superfície do espelho de substrato campo magnético ou alvo único mais de 2 ~ 3 vezes de campo magnético desequilibrado, quando o substrato e espaçamento alvo aumenta, o campo magnético fechado na superfície do ião substrato e a influência da relação atômica é mais significativa. No modo espelho, a linha do campo magnético é direcionada para a parede, e os elétrons secundários são consumidos pela parede ao longo da linha do campo magnético, resultando na diminuição da densidade do plasma na superfície do substrato.

Com base na tecnologia de sputtering de magnetron de não equilíbrio, surgiu recentemente a tecnologia variável de sputtering de magnetron com intensidade de campo magnético, que é caracterizada pela posição do pólo magnético ajustável. Alterando a distância entre dois pólos magnéticos e a superfície do alvo, a intensidade do campo magnético na superfície do alvo pode ser alterada. Design de campo magnético variável fornece um novo parâmetros técnicos, implementação de íons sedimentares, átomos de ajuste fino, tais como fase sedimentar começar a esperar feixe de íons mais elevado, a fim de melhorar a adesão do filme, mas depósito adicional de feixe de íons pode levar a alta tensão de filme fino e defeito, a qualquer momento alterar o campo magnético pode mudar o feixe de íons e eliminar este problema. Ao depositar filme gradiente e filme multicamadas, esta técnica pode alcançar a melhor combinação de várias propriedades de filme. Essa tecnologia também pode controlar as características de corrosão catódica do alvo e atingir a pulverização uniforme do alvo.

Sputtering magnetron pulsado (PMS)

O sputtering pulsado do magnétron é formado substituindo a fonte de energia dc tradicional com a fonte de energia dc pulsada. Esta tecnologia possui uma série de vantagens notáveis, como baixa temperatura de deposição, alta velocidade e deposição de filme cerâmico livre de defeitos. Por exemplo, quando se depositam filmes de óxido, podem ser utilizados tradicionalmente alvos metálicos, deposição de pulverização catódica numa atmosfera de oxigénio apropriadamente controlada, ou deposição de alvo de óxido de pulverização RF (geralmente 13156MHz). No entanto, ambos os métodos têm limitações. Filmes de alta qualidade podem ser obtidos por pulverização de RF com taxa de deposição muito baixa (nível m / h) e sistemas complexos. O problema na pulverização catódica reativa é que o alvo está envenenado. Durante a pulverização catódica reativa, a área de brilho não principal na superfície do alvo é coberta por sedimentos isolantes, levando ao acúmulo de carga na camada isolante e isolante do alvo até a ocorrência de descarga de arco. A descarga de ARC faz com que os componentes de o material alvo evapora sob a forma de gotículas e causa vários defeitos de película quando depositado na superfície do substrato, tais como estrutura solta do filme, granulação grossa, composição ou segregação da estrutura, etc., o que tem um impacto muito adverso no desempenho de gotículas. o filme, especialmente a resistência óptica e à corrosão. A tecnologia de pulverização de magnetron sputtering pode efetivamente inibir a geração de arco e eliminar os defeitos do filme, além de melhorar muito a taxa de deposição de sputtering para atingir a taxa de deposição de metal puro, ou seja, 10 m / h. No processo de pulverização catódica, a voltagem de pulso adicionada ao alvo é a mesma que a do sputtering de magnétron geral (400 ~ 500V), e o tempo de descarga com voltagem adicionada no alvo é controlado para assegurar que o alvo não seja envenenado. e descarga de arco ocorre. Em seguida, a tensão alvo é desligada, fazendo com que o alvo seja carregado positivamente. Como a velocidade do elétron no plasma é muito maior que a velocidade do íon, a tensão positiva do material alvo transformado geralmente precisa apenas de 10% ~ 20% da tensão de polarização negativa, o que pode impedir a descarga do arco (esse tipo de fonte de alimentação é chamado de fonte de alimentação dip bipolar assimétrica). Estudos mostraram que quando a frequência de pulso é menor que 20kHz, a ocorrência de descarga de arco não pode ser inibida. Quando a freqüência de pulsos é maior que 20kHz, a descarga do arco pode ser completamente suprimida. Ao mesmo tempo, a largura de pulso (a relação de tensão positiva e negativa para o tempo) desempenha um papel fundamental. A tensão positiva não tem influência óbvia sobre se a descarga do arco é gerada ou não, mas tem uma grande influência na taxa de deposição. Quando a tensão positiva aumenta de 10% para 20% (em comparação com a tensão negativa), a taxa de deposição pode ser aumentada em 50%. Acredita-se que esse efeito seja aumentado por uma alta tensão positiva para a limpeza do alvo. A tecnologia PMS pode ser usada para pulverização bipolar de magnétrons, e dois alvos de pulverização magnética são, respectivamente, pólos positivos e negativos. No processo de trabalho, um alvo é sputtering enquanto o outro está limpando, e o ciclo se repete. Esta tecnologia tem muitas vantagens, como operação estável de longo tempo (300h), e tem uma aplicação importante na deposição de filmes finos ópticos usados em materiais de construção, automóveis e polímeros. Outro desenvolvimento recente é a aplicação de polarização de pulso a substratos. A polarização de pulso pode melhorar muito o feixe de íons no substrato. Na pulverização catódica, quando a polarização dc negativa é geralmente adicionada a -100v, o feixe de íons substrato atingirá a saturação. Aumentar o viés negativo não aumentará o feixe de íons de substrato. Geralmente, considera-se que a corrente de saturação é um feixe de íons e os elétrons não podem se aproximar da superfície do substrato. Os resultados mostram que a polarização de pulso não apenas aumenta a corrente de saturação do substrato, mas também aumenta com o viés negativo. Quando a frequência de pulso aumenta, o efeito é mais significativo. O mecanismo ainda não está claro, o que pode estar relacionado à taxa de ionização do plasma e à maior temperatura do elétron produzida pelo campo elétrico oscilante. A polarização negativa do pulso de substrato fornece um novo método para controlar efetivamente a densidade de corrente do substrato, e esse efeito pode ser aplicado para otimizar a estrutura da membrana, adesão e encurtar a limpeza de pulverização e o tempo de aquecimento do substrato. Com o progresso das tecnologias mecânicas, de energia, controle e outras tecnologias relacionadas, a tecnologia de pulverização catódica por magnetron continuará a ser desenvolvida. Por exemplo, recentemente, devido à aplicação do ímã permanente de terras raras, a intensidade do campo magnético na superfície do alvo costumava ser de apenas 300 ~ 500Gs, mas agora melhorou para 1kGs, o que melhora ainda mais a eficiência e capacidade de pulverização catódica. .

Nova tecnologia de revestimento por pulverização catódica

De sputtering de metal comum, sputtering reativo, sputtering de polarização, etc., juntamente com a demanda industrial e o surgimento de nova tecnologia de sputtering de magnetron, novas tecnologias como sputtering de baixa pressão, deposição de alta velocidade, deposição de pulverização autoportante, múltiplos engenharia de superfície e pulverização catódica tornaram-se a tendência de desenvolvimento neste campo. O principal problema da pulverização de baixa pressão é que a baixa pressão (geralmente <011pa), a="" probabilidade="" de="" colisão="" entre="" elétrons="" e="" átomos="" de="" gás="" é=""> Na tecnologia convencional de pulverização de magnetron, não é suficiente manter a descarga de brilho na superfície do material alvo, resultando na incapacidade de continuar a deposição de pulverização. Ao otimizar o projeto do campo magnético, a distância de movimento do espaço de elétrons é prolongada, e a tecnologia de sputtering de equilíbrio de não-equilíbrio pode realizar a deposição de pulverização no vácuo no nível de 10-2pa.Além disso, deposição de pulverização em baixa pressão e maior intensidade ser realizado restringindo o movimento do elétron com o campo eletromagnético externo. A deposição em alta velocidade pode melhorar muito a eficiência do trabalho, reduzir o consumo de gás e obter novo filme. O principal problema a ser resolvido na deposição de alta velocidade é que a densidade de corrente do material alvo é aumentada sem descarga de arco. Com o aumento da densidade de potência, a capacidade de resfriamento do material alvo e do substrato precisa ser melhorada. Actualmente, a densidade de potência alvo é superior a 100W / cm2 e a taxa de deposição é superior a 1 m / min. A deposição em alta velocidade é uma alternativa atraente à eletrodeposição convencional. No processo de deposi�o a alta velocidade, aumentando a taxa de ioniza�o das part�ulas de pulveriza�o, o g� de trabalho pode ser cortado e a deposi�o de descarga pode ser mantida, isto � a deposi�o de pulveriza�o por pulveriza�o pode ser formada. A deposição por pulverização catódica desempenha um papel importante na melhoria da aderência entre o filme fino e o substrato, eliminando defeitos internos do filme fino e preparando um filme fino de alta pureza. A combinação da tecnologia de sputtering magnetron e outras tecnologias de engenharia de superfície é outra das principais tendências de desenvolvimento da tecnologia de pulverização catódica. Embora a tecnologia de sputtering magnetron tenha muitas vantagens, ela ainda ocupa uma pequena parcela no campo da engenharia de superfície industrial e a tecnologia de superfície tradicional ainda ocupa uma posição dominante. Uma das principais razões que afetam sua aplicação é que os materiais do substrato, como o aço de baixa liga e a liga de titânio, são muito moles para combinar com os filmes ultra-duros obtidos pela tecnologia de pulverização. O substrato é muito macio para suportar pressões de carga em oposição a revestimentos muito duros. Por outro lado, para aplicações resistentes à corrosão, os defeitos de picote podem resultar em falha do revestimento. Para superar esses problemas, foram desenvolvidas múltiplas tecnologias de engenharia de superfície, ou seja, várias tecnologias de engenharia de superfície foram usadas para modificar os materiais sucessivamente, e as camadas de modificação de superfície obtidas apresentaram vantagens incomparáveis sobre a tecnologia de superfície única. Um exemplo típico disso é o depósito de n seguido de deposição por pulverização, que fornece uma subsuperfície de 500 m de espessura e uma dureza de 10 GPa, seguida pela deposição de 3 a 5 m de TiN. O TiN oferece alta resistência ao desgaste e a camada n proporciona alta resistência à carga e à fadiga.

Status de desenvolvimento interno e aplicação na indústria petroquímica

A tecnologia de pulverização magnética da Magnetron tem sido amplamente utilizada nas áreas de materiais de construção, decoração, ótica, prevenção contra corrosão e reforço de ferramentas de moagem na China. Atualmente, a preparação de filmes funcionais como fotoeletricidade, fototérmica, magnetismo, supercondutividade, dielétrica e catálise pela tecnologia de sputtering magnetron é um centro de pesquisa. No entanto, quanto à tecnologia de não-equilíbrio do magnetron sputtering, especialmente o novo processo de deposição, poucas unidades foram compreendidas e estudadas na China. Após a pesquisa, descobriu-se que existem apenas menos de 20 artigos de pesquisa científica em chinês até o momento, e o número de unidades de autor é ainda menor. O filme anti-corrosão e de alta dureza pode desempenhar um papel importante na melhoria do desempenho e da vida útil. máquinas de petróleo, baixo coeficiente de atrito, lubrificação, saco anti-lama, catálise, óptica e outro filme funcional quando aplicado à indústria petroquímica é esperado para melhorar significativamente a eficiência do trabalho, qualidade do produto e proteção ambiental, segurança e assim por diante. Com o desenvolvimento e aplicação da nova tecnologia e processo de pulverização catódica, e a crescente demanda por melhorar a eficiência da produção, proteção ambiental e segurança na indústria petrolífera e química, a importância da tecnologia de pulverização catódica para a indústria petrolífera e química continuará a aumentar. No entanto, atualmente, a indústria petroquímica na China carece de compreensão e aplicação suficientes da tecnologia de sputtering do magnetron, e não há instituições especializadas envolvidas nesse campo. Portanto, o autor pede o fortalecimento do suporte da tecnologia de pulverização catódica.

IKS PVD, fabricação de equipamentos de revestimento a vácuo da China, contato: iks.pvd@foxmail.com