PVD (Physical Vapor Deposition) технология - это передовой метод вакуумного напыления, используемый для создания высококачественных покрытий на различных материалах, таких как металлы, пластик и стекло. Процесс физического осаждения из паровой фазы протекает без каких-либо химических реакций в отличие от CVD технологии, где формирование пленки происходит в результате химической реакции прекурсоров на подложке. В этой статье мы предоставим всесторонний обзор PVD технологии, ее применение, преимущества и роль, которую она играет в различных отраслях.

 

PVD технология включает нанесение тонких пленок на подложку путем физического испарения твердого материала. Процесс обычно происходит в вакуумной камере, где материал испаряется с использованием методов распыления или испарения. Испаренный материал затем конденсируется на подложке, образуя тонкое пленочное покрытие.

При физическом осаждении из паровой фазы материал, из которого формируется пленка, переходит в газовую фазу из твердого состояния
- в результате испарения под воздействием тепловой энергии (термическое испарение)
или
- посредством распыления атомов мишени за счет кинетической энергии столкновения частиц материала с пучком высокоэнергетических частиц. 

 

В процессе испарения переход из твердой в паровую фазу осуществляется путем нагрева за счет:
- резистивного сопротивления,
- индукционного нагрева,
- электронным лучом,
- лазерным лучом,
- низковольтной дугой,
- полым катодом, катодной дугой,
- анодной дугой,
- др.
Все эти процессы испарения могут проходить с дополнительной ионизацией или без нее, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него.

 

Распыление заключается в выбивании атомов с поверхности мишени.
Распыление бывает:
- катодное или магнетронное,
- с постоянным током или током высокой частоты,
- в среде активного газа или без него,
- с напряжением смещения или без него,
- с дополнительной модификацией магнитного поля (несбалансированной или с замкнутым полем) или без нее.

 

Одним из ключевых преимуществ PVD технологии является ее способность улучшать механические свойства обработанных поверхностей. Нанесенные покрытия могут значительно повысить твердость, износостойкость и защиту от коррозии базовых материалов. Это делает PVD покрытия очень востребованными в отраслях, таких как автомобильная промышленность, где компоненты должны выдерживать суровые рабочие условия.

Помимо функциональных преимуществ, PVD покрытия также обладают эстетическими преимуществами. Технология позволяет создавать декоративные эффекты и уникальные поверхностные отделки, что делает ее популярной в отраслях, таких как ювелирное дело и потребительская электроника. PVD покрытия могут быть настроены для достижения определенных цветов, текстур и визуальных эффектов, улучшая общий внешний вид продуктов.

 

Процесс PVD осаждения тщательно контролируется, обеспечивая равномерное распределение материала покрытия и точный контроль его толщины. Этот уровень контроля позволяет производителям соответствовать строгим стандартам качества и получать последовательные результаты. Более того, системы PVD могут быть настроены для удовлетворения конкретных требований, что позволяет покрывать различные формы и размеры подложек.

 

PVD технология находит применение в широком спектре отраслей. В автомобильном секторе она используется для покрытия деталей двигателя, декоративных элементов и износостойких покрытий на различных частях. В медицинской сфере PVD покрытия применяются на хирургических инструментах, имплантатах и медицинских устройствах для улучшения биосовместимости и снижения трения. Электронная промышленность получает преимущества от PVD покрытий для защиты от коррозии и улучшения электропроводности. В ювелирной промышленности PVD технология позволяет создавать уникальные и прочные покрытия на драгоценных металлах.

 

К группе методов вакуумного напыления относятся перечисленные ниже технологии, а также реактивные варианты этих процессов.

- Методы термического напыления:
   · Электронно-лучевое испарение (EBPVD);
   · Испарение лазерным лучом.

- Испарение вакуумной дугой (Arc-PVD): материал испаряется в катодном пятне электрической дуги.

- Эпитаксия молекулярным лучом

- Ионное распыление: исходный материал распыляется бомбардировкой ионным потоком и поступает на подложку.
   · Магнетронное распыление
   · Напыление с ионным ассистированием (IBAD)

- Ионно-лучевое напыление

- Сфокусированный ионный пучок

 

Электронно-лучевое испарение

 

Электронно-лучевое испарение (ЭЛИ) - это процесс удаления материала с поверхности твердого тела путем облучения его электронным лучом высокой энергии. Этот метод используется в различных областях, таких как микроэлектроника, нанотехнологии, металлургия и другие.

 

Рисунок 1. Схема электронно-лучевого испарителя

 

Процесс ЭЛИ основан на использовании электронов с высокой кинетической энергией, которые могут проникать в поверхностные слои материала и вызывать его испарение. Электроны создаются в электронно-лучевой пушке, где электроны ускоряются до высоких скоростей с помощью электрического поля. Затем электронный луч направляется на поверхность обрабатываемого материала.

Когда электронный луч попадает на поверхность материала, его энергия передается атомам или молекулам, вызывая их возбуждение и последующее испарение. Таким образом, происходит удаление материала с поверхности. Важно отметить, что этот процесс происходит без использования химических реакций, что позволяет сохранить чистоту и состав материала.

 

Преимущества электронно-лучевого испарения включают высокую точность и контролируемость процесса, возможность обработки различных материалов, а также минимальное воздействие на окружающую среду. ЭЛИ может использоваться для создания микросхем, наноструктур, тонкопленочных покрытий и других элементов, требующих высокой точности и микромасштабных размеров.

Однако, следует отметить, что электронно-лучевое испарение является относительно медленным процессом и может быть затратным в использовании. Также требуется специальное оборудование для создания и управления электронным лучом.

 

Испарение лазерным лучом

 

Испарение лазерным лучом (ЛИЛ) - это процесс удаления материала с поверхности твердого тела с помощью облучения его лазерным лучом высокой энергии. 

 

 

Рисунок 2. Схема работы испарения лазерным лучом

 

Процесс ЛИЛ основан на использовании мощного лазерного излучения, которое может проникать в поверхностные слои материала и вызывать его испарение. Лазерный луч создается в специальном устройстве, где энергия излучения концентрируется и направляется на поверхность обрабатываемого материала.

При попадании лазерного луча на поверхность материала его энергия поглощается атомами или молекулами, вызывая их возбуждение и последующее испарение. Таким образом, материал удаляется с поверхности. Важно отметить, что этот процесс также происходит без использования химических реакций, что позволяет сохранить чистоту и состав материала.

 

Основное преимущество испарения лазерным лучом заключается в его высокой скорости и точности. Лазерный луч может быть узконаправленным и фокусированным, что позволяет контролировать глубину и размеры обрабатываемой области. Кроме того, лазерный луч может использоваться для обработки различных материалов, включая металлы, полимеры и стекло.

Однако, следует отметить, что использование лазерного луча может быть затратным и требовать специального оборудования. Также некоторые материалы могут быть сложными для обработки лазером из-за их оптических свойств или тепловой чувствительности.

 

 

Испарение вакуумной дугой

 

Испарение вакуумной дугой - это физический процесс, при котором вещество испаряется под воздействием высокотемпературной плазмы, образованной в результате электрического разряда в вакууме.

Вакуумная дуга возникает, когда между двумя электродами создается разряд высокого напряжения. При этом воздух или другое вещество вокруг электродов исчезает, образуя вакуум. Затем высокая энергия разряда приводит к нагреванию электродов и окружающей среды до очень высоких температур, что приводит к образованию плазмы.

Плазма - это четвертое состояние вещества, когда атомы и молекулы разрушаются на заряженные частицы (электроны и ионы). В плазме электрические заряды свободно перемещаются и создают электрический ток. Высокая температура плазмы вакуумной дуги позволяет ей испарять окружающие материалы.

 

Испарение вакуумной дугой имеет множество применений. Оно используется в промышленности для обработки поверхностей, например, для нанесения покрытий и пайки металлов. Также вакуумная дуга применяется в электротехнике и электронике для создания вакуумных труб, газоразрядных ламп и других устройств.

Однако испарение вакуумной дугой также имеет некоторые негативные аспекты. Высокая температура плазмы может вызывать повреждения окружающих материалов и поверхностей. Кроме того, образование плазмы может вызывать выбросы опасных веществ и газов, поэтому необходимы соответствующие меры безопасности при работе с вакуумной дугой.

В целом, испарение вакуумной дугой - это важный процесс, который находит широкое применение в различных отраслях промышленности и науки. Его понимание и контроль позволяют эффективно использовать его преимущества и минимизировать возможные риски.

 

Эпитаксия молекулярным лучом

 

Эпитаксия молекулярным лучом (МБЕ) - это метод создания тонких пленок кристаллического материала на поверхности подложки. Он основан на испарении и конденсации атомов или молекул в вакууме.

 

Рисунок 3. Молекулярно-лучевая эпитаксия

 

Процесс МБЕ начинается с загрузки подложки в вакуумную камеру. Подложка обычно состоит из кристаллического материала, на который требуется нанести пленку. Затем в вакуумной камере создается высокий вакуум, чтобы предотвратить взаимодействие пленки с воздухом.

Далее, источник материала, который может быть представлен в виде твердого материала или газа, нагревается до высокой температуры, чтобы атомы или молекулы испарились. Испаренные частицы перемещаются внутри вакуумной камеры и оседают на поверхности подложки.

Важной особенностью МБЕ является возможность контролировать толщину и состав пленки путем изменения температуры и давления испарения материала. Это позволяет создавать сложные структуры и точно контролировать их свойства.

 

МБЕ широко используется в полупроводниковой промышленности для создания тонких пленок, которые используются в электронике и оптоэлектронике. Он также применяется в научных исследованиях для изучения физических и электронных свойств различных материалов.

Однако, как и в случае с испарением вакуумной дугой, МБЕ также имеет некоторые ограничения и риски. Высокая температура испарения может вызывать дефекты в пленке, а загрязнения в вакуумной камере могут влиять на качество пленки. Поэтому необходимы строгие контрольные меры и чистота окружающей среды при использовании метода МБЕ.

В целом, эпитаксия молекулярным лучом является мощным инструментом для создания тонких пленок с высокой степенью контроля и точности. Его применение продолжает развиваться и находить новые области применения в различных областях науки и технологий.

 

Магнетронное распыление

Магнетронное распыление (Magnetron sputtering) - это техника нанесения тонких пленок на поверхность материала путем испарения и осаждения атомов или молекул с помощью плазмы, сформированной в магнетронном разряде. Этот процесс широко используется в промышленности для создания покрытий с желаемыми свойствами, такими как защита от коррозии, улучшение электрической проводимости или оптические свойства.

 

Рисунок 4. Магнетронное распыление

 

Процесс магнетронного распыления основан на использовании магнитного поля для управления движением заряженных частиц в плазме. В основе магнетрона находится катод, обычно состоящий из цели материала, который требуется нанести на поверхность. Катод подвергается воздействию магнитного поля, создаваемого с помощью постоянных магнитов или электромагнитов, что приводит к формированию плазмы вблизи поверхности катода.

Под действием магнитного поля в плазме происходит ускорение заряженных частиц (ионов) в направлении катода. При столкновении с поверхностью катода, эти ионы выбивают атомы или молекулы материала, которые осаждается на поверхность обрабатываемого материала. Этот процесс называется распылением.

 

Основным преимуществом магнетронного распыления является его способность создавать пленки с высокой плотностью и хорошей адгезией к поверхности. Также этот метод позволяет контролировать толщину пленки, состав и микроструктуру, что делает его полезным для различных приложений.

Однако, следует отметить, что процесс магнетронного распыления может быть затратным и требовать специального оборудования, включая вакуумные камеры и источники питания. Кроме того, выбор подходящего катода и оптимизация процесса могут быть сложными задачами, особенно при работе с различными материалами или требованиями к пленке.

 

Ионно-лучевое напыление

Ионно-лучевое распыление применяется для нанесения тонких пленок в вакууме, а также для модификации и легирования поверхностных слоев металлов имплантацией ионов из сепарированных пучков. 

Ионно-лучевое распыление рассматривают как медленное распыление поверхности мишени под действием бомбардировки потоком ионов с высокой энергией и осаждение на поверхности подложки. Этот процесс имеет физическую, а не химическую природу. Атомам поверхности от падающего иона передается импульс:
— направленный от поверхности,
— достаточно сильный, чтобы атомы покинули поверхность.

При ионной имплантации происходит легирование поверхности металлов атомами отдачи, которые получают высокую энергию от ускоренных ионов и перемещаются вглубь на несколько нанометров. Это позволяет получать сверхтонкие легированные слои. Низкая температура ионной имплантации, возможность достаточно точного контроля глубины и профиля распределения примеси создают предпосылки автоматизации технологического процесса.
Ионная имплантация также используется для модифицирования поверхностных свойств металлов: повышения твердости, увеличения износостойкости, коррозионной и радиационной стойкости, повышения сопротивления усталостному разрушению, снижения коэффициента трения. Ионную имплантацию используют для получения антифрикционных износостойких поверхностей. Для деталей машин износостойкость материала,
как правило, является более важной характеристикой, чем его твердость или коэффициент трения.

 

Перечислим достоинства:
1. Процесс протекает при относительно низкой температуре, подложка не перегревается.
2. Можно получить равномерные по толщине покрытия.
3. Точно воспроизводится химический состав осаждаемых покрытий.
4. Процесс протекает быстро.
5. Процесс рекомендуется использовать для легирования примесями с низкими растворимостями в твердой фазе или с низкими коэффициентами диффузии.
Неравновесный процесс при ионной имплантации вызывает образование таких сплавов в поверхностных слоях, которые невозможно получить в обычных условиях из-за диффузии компонентов или ограниченной 
растворимости.
Ионная имплантация позволяет получить в поверхностном слое сплавы определенного состава. Свойства поверхности можно оптимизировать без связи с объемными свойствами материала. Имплантация возможна при низких температурах без заметного изменения размеров изделия

 

Необходимо отметить недостатки ионной имплантации:
1. Имплантация является процессом обработки поверхности только в зоне прямого действия пучка ионов из-за расфокусировки луча при больших отклонениях. Поэтому с ее помощью невозможно обрабатывать подложки со сложной геометрией поверхности.
2. Малая глубина проникновения пучка ионов не позволяет наносить покрытия достаточной толщины (>1 мкм) на детали пар трения и режущий инструмент.
3. Используется довольно сложное оборудование

 

Как ведущая компания в разработке и производстве оборудования с технологией PVD, мы предлагаем широкий спектр систем PVD, чтобы удовлетворить разнообразные потребности наших клиентов. Наши системы обеспечивают точный контроль процесса осаждения, гарантируя покрытия высокого качества с исключительными характеристиками производительности. Мы тесно сотрудничаем с нашими клиентами, чтобы понять их конкретные требования и предоставить индивидуальные решения, отвечающие их потребностям.

В дополнение к предлагаемому оборудованию, мы также предоставляем консультационные и обучающие услуги, чтобы помочь нашим клиентам оптимизировать свои процессы нанесения покрытий и достичь максимальных результатов. Наша команда экспертов доступна для консультаций по эксплуатации системы, параметрам процесса и устранению неполадок, обеспечивая гладкую реализацию и эксплуатацию PVD технологии.

Чтобы узнать больше о PVD технологии и о том, как ее можно применить в вашей отрасли, пожалуйста, свяжитесь с нами сегодня. Мы стремимся помочь вам достичь новых высот в обработке поверхности и достичь превосходного качества и производительности продукции.