Klassifikation und Theorie der PVD-Beschichtungstechnologie

Einteilung und Theorie der PVD-Beschichtungstechnik

Als eine Art spezielles Formmaterial kann ein dünner Film amorph, polykristallin und monokristallin sein. Es kann aus einfachen Elementen oder Verbindungen, anorganischen Materialien oder organischen Materialien bestehen.

Die Dünnschichttechnologie umfasst physikalische Gasphasenabscheidung (Verdampfung, Sputtern, Ionenplattieren, Lichtbogenplattieren, Plasmaplattieren) und chemische Gasphasenabscheidung. Die in unserer Fabrik verwendete Technologie ist die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).

Vakuumverdampfung beschichtung

Widerstandsheizungsverdampfung und Elektronenstrahlheizungsverdampfung:

1. Grundprinzipien:

Ein Verfahren, bei dem das zu beschichtende Substrat oder Werkstück in eine Hochvakuumkammer gegeben und erhitzt wird, um das filmbildende Material zu verdampfen (oder zu sublimieren), und auf der Oberfläche des Substrats oder Werkstücks abgeschieden wird, um einen dünnen Film zu bilden.

2. Art der Verdunstungsquelle:

(A B C D)

3. Faktoren, die die Filmqualität beeinflussen:

A. Die Position des Substrats

Die richtige Platzierung des Substrats ist die Voraussetzung, um einen gleichmäßigen Film zu erhalten.

B. Um die Masse der Membran zu gewährleisten, muss der Druck so niedrig wie Pr (Pa) sein.

L repräsentiert den Abstand von der Verdampfungsquelle zum Substrat als L (cm).

C. Verdampfungsgeschwindigkeit. Wenn die Verdampfungsrate gering ist, werden Gasmoleküle sofort an den abgelagerten Membranatomen (oder -molekülen) adsorbiert, was zu einer losen Membranstruktur, groben Partikeln und vielen Defekten führt. Im Gegensatz dazu ist die Membranstruktur gleichmäßig und kompakt, die mechanische Festigkeit ist hoch und die Beanspruchung innerhalb der Membran ist groß.

D. Unter normalen Umständen steigt die kinetische Energie der adsorbierten Atome entsprechend an, wenn die Substrattemperatur hoch ist, und der gebildete Film kann leicht kristallisiert und die Gitterdefekte verringert werden. Wenn die Substrattemperatur niedrig ist, ist nicht genug Energie vorhanden, um die adsorbierten Atome zuzuführen, so dass es leicht ist, einen amorphen Film zu bilden.

Zwei-Magnetron-Sputter-Beschichtung

Magnetron-Sputtern ist ein neuartiges Sputter-Beschichtungsverfahren, das in den 1970er Jahren auf der Basis des Kathodenzerstäubens entwickelt wurde. Da es die fatale Schwäche einer niedrigen Kathodenzerstäubungsrate und die durch Elektronen verursachte Erhöhung der Substrattemperatur wirksam überwindet, hat es eine schnelle Entwicklung und breite Anwendung erhalten.

1. Magnetron-Sputtern:

Das Phänomen, dass die Atome auf der Targetoberfläche durch Ionenbeschuss auf das Targetmaterial getroffen werden, wird als Sputtern bezeichnet. Ein Sputterfilm entsteht, wenn die durch das Sputtern erzeugten Atome auf der Oberfläche des Substrats (Werkstücks) abgeschieden werden.

Grundprinzipien des Magnetronsputterns:

Magnetronsputtern war in der Spritzzone und einem Magnetfeld senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes, in der orthogonalen elektrischen Intensität und der Magnetfeld-Elektronenbewegungsgleichung die Elektronik in Form eines Zykloidenrades entlang der Targetoberfläche senkrecht zur Richtung von E und B ist parallel, so dass die elektronische Reiseroute stark erweitert, die Elektronenkollisionen mit Gasmolekülen erhöht, die Ionisierungseffizienz verbessert. Damit das Sekundärelektronenmagnetfeld unter der Kontrolle des Gleises steht, kann alles für Ionisierungsenergie verwendet werden, wenn die verbrauchte Energie nur von der Anode (Chassis) absorbiert wird. Die folgende Abbildung:

Diese Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und gewinnen Energie und kollidieren dann mit den Atomen oder Molekülen des Gases, auch wenn sie ionisieren, so dass das Plasma aufrechterhalten werden kann.

Magnetron-Sputtern soll die Bewegung von Elektronen durch Hinzufügen eines Runway-Magnetfelds zur Targetoberfläche steuern, ihre Bewegung um die Targetoberfläche erweitern und die Plasmadichte verbessern, so dass die Sputter-Beschichtungsrate stark verbessert wird.

Sekundärelektronenausbeute:

Die Sekundärelektronenausbeute bezieht sich auf die Anzahl der Sekundärelektronen pro Ion, die das Target bombardieren. Die theoretische Analyse zeigt, dass die Sekundärelektronenausbeute des Metalltargets unabhängig von der Ionenenergie ist, wenn die Ionenenergie weniger als 500 eV (tatsächlich weniger als 1000 eV) beträgt.

Sputter-Ausbeute:

Magnetron-Sputtern hat eine Arbeitsspannung von 200 bis 500 V, was bestimmt, dass die maximale Ionenenergie des Targets 500 eV beträgt und das beschleunigte Argon-Ion senkrecht zum Target ist.

Wechselwirkung zwischen einfallenden Ionen und Materialien:

Die Wechselwirkung zwischen energietragenden Ionen und der Targetoberfläche führt zu:

A. Oberflächenteilchen: Sputteratome, Rückstreuatome, Desorptionsverunreinigungsatome und Sekundärelektronen.
B. Physikalisch-chemische Phänomene der Oberfläche: Reinigung, Ätzen und chemische Reaktionen.
C. Punktdefekte, Leitungsdefekte, heiße Stollen, Kollisionskaskaden, Ionenimplantation, amorphe Zustände und Verbindungen in der Materialoberflächenschicht.

Sputtertechniken:

Die Sputtertechnologie kann unterteilt werden in:

A. Diodenzerstäubung durch Gleichstrom-Glimmentladung;

B. Tripolezerstäubung durch Bogenentladung von heißem Draht;

C. HF-Sputtern unter Verwendung von HF-Entladung;

D. Steuerung der Glimmentladung durch Magnetron-Sputtern unter Verwendung eines Magnetfelds auf der Landebahn.

2-Magnetron-Zerstäubungskathodenstruktur:

Gegenwärtig verwenden Magnetron-Zerstäubungsvorrichtungen für industrielle Zwecke hauptsächlich rechteckige planare Magnetron-Zerstäubungskathoden (Abbildung a). Im Allgemeinen hat die verwendete Zielmaterialgröße zwei Spezifikationen: VT-Maschine: Länge, Breite, Dicke (450,5, 120, 6) mm; ZCK-Maschine: 460 100 6. Auch in der Produktion wird nach und nach eine zylindrische Magnetron-Sputterkathode eingesetzt (Abbildung b). Im Vergleich dazu beträgt die Ausnutzungsrate von planem Targetmaterial nur 20-30%, dh die Ausnutzungsrate ist gering.

Figur a Figur b

Fig. A ist eine Art Magnetfeld, das durch eine Magnetron-Zerstäubungskathode mit rechteckiger Ebene und Permanentmagnetspur erzeugt wird, wobei das Targetmaterial mit dem Polschuh in Kontakt steht. Außerhalb des Targetmaterials entlang des N-Polschuhs, in der Mitte eines S-Polschuhs, sind N- und S-Polschuh jeweils der umgekehrten Polarität von Strontiumferrit- oder Ndfeb-Permanentmagneten ausgesetzt. Stellen Sie eine Durchlässigkeit für reines Eisen wieder her, schließen Sie das andere Ende des Permanentmagneten an, und zwar, um ein Magnetfeld des Magnetkreises der Landebahn zu erzeugen.

Fig. B ist eine zylindrische hohle Magnetronkathode, bei der es sich um ein Kathodentarget mit einem in einem zylindrischen Target angeordneten Magnet handelt, wobei die N- und S-Pole gut angeordnet sind und die Wasserkühlung und die dynamische Abdichtung erfolgen.
Die Funktion des Polschuhs: einen geschlossenen Magnetkreis mit sehr geringem Magnetwiderstand zu bilden.

Gegenwärtig verwendeten wir üblicherweise permanentmagnetische Materialien: Bariumferrit (BaO · 6F1e2O3), Strontiumferrit (SrO · 6F1e2O3), NdFeB-Permanentmagnet.
Magnetron-Sputterelektrode:
Praktische Magnetron-Sputterelektroden haben die folgenden vier Grundstrukturen:

(a) Koaxialzylinder; (b) flacher Typ; (c) Kegeltyp (S-Pistole); (d) ebener oder zylindrischer hohler Typ
1 - das Substrat; 2 - Zielmaterial; 3 - Schild

3 Sputterprozess:
Zeichnungssystemdiagramm der Magnetron-Zerstäubungsbeschichtungsmaschine:

Sputterprozessparameter:

Die Beziehung zwischen der Zielspannung u des Zerstäubens und der Zielstromdichte J ist wie folgt: uJ = K1
Wobei K1 der zulässige Wert der Zielleistungsdichte ist, eine Konstante.

Die Zielstromdichte kann gemäß der ausgewählten Zielspannung und der zulässigen Zielleistungsdichte bestimmt werden.

Die Reduzierung des Ar-Drucks ist hilfreich, um die Abscheiderate zu verbessern und die Schichthaftung und Filmdichte zu verbessern. Der Magnetron-Sputter-Ar-Druck wird üblicherweise mit 0,5 Pa gewählt, wobei die Impedanz der Gasentladung mit abnehmendem Ar-Druck ansteigt. Magnetron-Sputtern kann den Ar-Druck geeignet einstellen, die Zielleistungsdichte bzw. -spannung gleichzeitig nahe an ihren Zielwert und den besten Wert bringen. Daher ist das Prozessprinzip der Abscheiderate zu verbessern: so nah wie möglich am Zielleistungsdichtewert; Die Zielspannung liegt so nahe wie möglich am optimalen Wert.

A. Sputtern eines reinen Metallfilms:
Beim physikalischen Aufdampfen sind sowohl Verdampfen als auch Sputtern für reine Metallfilme geeignet, die Verdampfungsrate ist jedoch höher.
Gegenwärtig werden folgende Targetmaterialien verwendet: Al, Ti, Cu, Cr usw

B. Zerstäuben des Legierungsfilms:
Unter den physikalischen Aufdampftechniken ist das Sputtern für die Abscheidung von Legierungsfilmen am besten geeignet. Zu den Zerstäubungsverfahren gehören das Zerstäuben mit mehreren Targets, das Zerstäuben mit Mosaik-Targets und das Zerstäuben mit Legierungstargets.
Die gegenwärtig verwendeten Targetmaterialien umfassen AlTi, ZrTi, CuTi und so weiter.

C. Zerstäuben des Verbundfilms:
Verbundfolie bezieht sich gewöhnlich auf die Folienschicht, die durch die gegenseitige Kombination von metallischen Elementen mit C, N, B, S und anderen nichtmetallischen Elementen gebildet wird. Die Plattierungsverfahren umfassen Gleichstromsputtern, Hochfrequenzsputtern und reaktives Sputtern.

1. Es muss ein DC-Sputter-Verbundfilm verwendet werden. Zum Beispiel werden leitfähige Verbundtargets wie SnO 2, TiC, MoB und MoSi 2 gewöhnlich durch Pulvermetallurgie hergestellt, was sehr teuer ist. Das Plattieren eines transparenten leitfähigen ITO-Films ist eine industrielle Anwendung von DC Sputter-Verbundfilm.

2. Das HF-Sputtern ist nicht darauf beschränkt, ob das Target leitend ist oder nicht. Es kann sich um ein Metall- oder ein isoliertes Keramiktarget handeln.

3. Reaktives Sputtern ist, wenn das Metalltarget gleichzeitig zur Beschichtungskammer in das Gas sputtert, das die erforderlichen Nicht-Xin-Elemente enthält. TiC (schwarz) VERWENDET Ti-Target und das Arbeitsgas ist Ar + C2H2 oder Ar + CH4.

Beim reaktiven Sputtern reagiert das eingespritzte Reaktionsgas nicht nur mit den auf dem Werkstück abgelagerten Filmatomen, um einen Verbundfilm zu bilden, sondern reagiert auch mit dem Targetmaterial, um eine Verbindung auf der Targetoberfläche zu bilden, die die Abstreifrate des Targets bestimmen kann Material und reduzieren dementsprechend die Beschichtungsrate sogar um eine Größenordnung, was leicht zu einer Zielvergiftung führt.

Zu Beginn der Verbindungen in den Prozess des Sputterns, nur in das reine Ar, dann allmählich das Reaktionsgas (C2H2 oder N2, etc.) zu erhöhen, zu Beginn des Reaktionsgases nur durchlaufen, ist die Änderung der Sputterrate nicht groß Wenn das Reaktionsgas eine bestimmte Grenze erreicht, stellt die Sputterrate die offensichtliche Änderung dar und erhöht dann das Reaktionsgas weiter. Die Sputterrate zeigte einen Trend von wieder stetig. Es wurde festgestellt, dass die Richtung des inversen Prozesses in einem bestimmten Bereich zwischen der Kurve der Fehlausrichtung, "Hysteresekurve" Bild erscheint. Dies wird als "Zielvergiftungskurve" bezeichnet. Siehe unten:

Zielvergiftungskurve
Maßnahmen zur Vermeidung einer Zielvergiftung:
. Erhöhung der Absaugrate des Vakuumsystems;
Reaktionsgas reduzieren.
Isolieren Sie das Reaktionsgas vom Target.

Beispiele für Sputter-Verbundfilme sind wie folgt:

Membranmaterial
Artefakte
Funktion
Zinn,
Schnellarbeitsstahlbohrer und Fräser
Harte Verschleißfestigkeit
Edelstahlgehäuse und Armband
Die goldene Dekoration
Keramik und Fliesen
Die goldene Dekoration
ITO
Transparentes leitfähiges Glas
Transparent leitend
SiO2
Transparentes leitfähiges Glas
Verhindern Sie die Diffusion von Natriumionen
Al2O3
Siliziumchip mit integrierter Schaltung
Isolationspassivierung
MgF2
Optische Linse
Abzüglich der Antireflexion
TiC
Edelstahltelefonkasten und -teile
Dekoration

Magnetron-Sputter-Ionenplattiertechnologie:

Nach den 80er Jahren wird die Vorspannung des Magnetron-Sputterns als Magnetron-Sputtern-Ionenplattieren, im Folgenden als Sputtern-Ionenplattieren (Sputtreing Ion Plating, Abkürzung SIP) bezeichnet. Unsere Fabrik umfasst derzeit die Verwendung von Geräten aus Beschichtungsfolie, nämlich die Verwendung der Technologie.

1. Herstellungsverfahren der dekorativen Beschichtung (TiN oder TiC) durch Magnetron-Sputter-Ionenplattiertechnologie:

2. PVD-Beschichtungsprozess:

Abstract: Entsprechend den Anforderungen des Films spielt das Vakuum eine entscheidende Rolle für die Qualität des Films. Für die von unserer Fabrik hergestellten Produkte muss der Vakuumgrad vor der Filmbildung 5,0 bis 3 Pa betragen (die Pumpzeit beträgt etwa 30 bis 60 Minuten).

Pumpheizung: Wenn der Vakuumgrad erreicht ist (z. B. 2,0 bis 2 Pa), starten Sie die Heizung und öffnen Sie den Drehrahmen.

Ziel: Reduzierung oder Beseitigung des adsorbierten Gases auf der Oberfläche der Produkte und der Vakuumkammer durch Einbrennen, um die Qualität und Leistung der Folie zu verbessern, um die Anforderungen zu erfüllen, wobei jedoch Folgendes zu beachten ist:

A. Im wahren Bereich kann die Heizung eingeschaltet werden, wodurch eine Oxidation der Warenoberfläche verhindert wird.
B. Der Drehteller muss geöffnet sein, wenn das Heizen gestartet wird.

Zielreinigung (auch als Punktziel bezeichnet): Das Ziel kann nur geöffnet und gereinigt werden, wenn der Vakuumgrad einen bestimmten Bereich erreicht (der erforderliche Bereich der von unserer Fabrik hergestellten Produkte beträgt 7,0 10-3 ~ 5,0 10-3pa).

Ziel: Entfernen des adsorbierten Gases und Reinigen der Beschichtung auf der Oberfläche des Targets.

Ionenreinigung: Artefakte nach der Vorwärmbehandlung, die Oberfläche ist noch etwas verschmutzt, kann auch eine leichte Oxidschicht aufweisen, Ionenreinigung ist zum Entfernen des Schmutzes und der Oxidschicht der Oberfläche eine der wirkungsvollsten Methoden. Für das Ar-Gas, das den Hochdruck in der Vakuumkammer füllt, entstehen Artefakte und negative Vorspannungen durch Glimmentladung gleichzeitig, durch Ionisierung des Ar-Ions unter Einwirkung des elektrischen Feldes, die energiereichen Beschussartefakte und den Schmutz auf der Oberfläche des Werkstücks herausspritzen, reinigen und den Zweck der Aktivierung auf der Oberfläche der Ladung.

Filmbildung: Wenn der Druck des Arbeitsgases Argon ein bestimmtes Niveau erreicht, wird das Target geöffnet und eine geeignete Menge an reaktivem Gas zum Sputtern zugegeben, und schließlich wird der erforderliche Film erhalten. Gegenwärtig werden Nitridfilm, Oxidfilm und Carbidfilm durch Stickstoff (N 2), Sauerstoff (O 2), Methan (CH 4), Acetylen (C 2 H 2), Kohlenmonoxid (CO) und andere Gase erhalten.

Fragen, die im Filmbildungsprozess besondere Aufmerksamkeit erfordern:

1. Ist der Ar-Fluss und -Druck normal?
2. Vor dem Öffnen des Targets die Vorspannung anlegen, den Drehrahmen starten und prüfen, ob in der Ladung ein Kurzschluss vorliegt.
3. Die Zielspannung, der Zielstrom, der Druck und der Vorstrom sollten während des Filmbildungsprozesses beachtet werden.

Abkühlen: Während des Filmbildungsprozesses wird eine hohe Temperatur erzeugt, um zu vermeiden, dass die Filmschicht durch den Temperaturunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite der Vakuumkammer belastet wird. Nach der Filmbildung ist eine ordnungsgemäße Kühlung erforderlich, bevor der Film freigegeben wird.
Vakuumkammer . Frachteinheit und die Vakuumkammerreinigung.

Verwandte Parameter der Magnetronsputter-Ionenplattierung:

Das Magnetron-Sputter-Werkstück verfügt über drei Arten elektrischer Verbindungen: Erdung, Aufhängung und Vorspannung.
Die Beschichtungsvorrichtung ist üblicherweise eine Vakuumkammer, in der die Masse als Anode und das Potential Null vorgesehen sind.
Beim Suspendieren wird das Werkstück von Anode (Gehäuse) und Kathode isoliert und im Plasma suspendiert.
Die Vorspannung addiert zehn Volt zu Hunderten von Volt negativer Vorspannung am Werkstück, wenn die geerdete Vorspannung Null ist.

1. Ionenankunftsverhältnis:

Beim Ionenplattieren hängt der Einfluss einfallender Ionen auf die Struktur und die Eigenschaften des Films hauptsächlich von der Ionenenergie und dem Ionenfluss ab.
Beim Ionenplattieren wird die Energie, die durch das auf jedes abgeschiedene Atom einfallende Ion erhalten wird, als Energiegewinnwert bezeichnet.
Ea = Ei (ev)
Die Art von Ei ist die Energie des einfallenden Ions (ev), I / Φ Φ, die Ionen erreichen müssen als a.

2. Vorspannung und Strom:

Die praktischen Prozessparameter des Ionenplattierens sind die Vorspannung und die Stromdichte des Werkstücks. Gegenwärtig wird in unserer Fabrik im Plattier-TiN- oder TiC-Prozess die Vorspannungssteuerung in -100 ~ -400 V, der Vorspannungsstrom in 2 ~ 6 A oder so hinzugefügt .

3. Gepulstes Sputtern:

Gepulstes Sputtern verwendet im Allgemeinen Rechteckwellenspannungen.

Die Impulsperiode ist T, die Zeit des Target-Sputterns in jedem Zyklus ist t-Delta T, Delta T ist die positive Impulszeit (Breite), die zum Target addiert wird. V- und V + sind die Spannungsamplitude von negativen und positiven Impulsen, die zum Target addiert werden Ziel bzw..

4. Ungewöhnliche Fälle während des Betriebs:

Derzeit werden hauptsächlich die folgenden Modelle für die Produktion verwendet: VT-1200, SVS- und COM-Durchlaufbeschichtungsmaschine, ZCK-1500 und andere verschiedene Arten von Zielgeräten.

Anormales Phänomen
Die Konsequenzen
ein.
Der Schild des Autos ist nicht gut, wenn das Ziel gewaschen wird
Die Oberfläche der Ware war kontaminiert, was zu einem Film der Ware nach der Explosionsbeschichtung führte
B
Ein Vorspannungskurzschluss tritt während der Ionenreinigung auf
Funktionsprüfung NG nach Filmbildung (abgelehnt)
C
Während des Filmbildungsprozesses ist die Reaktionsgasströmungsrate zu groß (z. B. C 2 H 2), was zu einer Zielvergiftung führt
Nachdem die Produkte den Ofen verlassen haben, ist das Phänomen der Filmbeschichtung oder Farbungleichmäßigkeit offensichtlich
D
Das Zielkühlwasser wird beim Öffnen des Ziels nicht geöffnet
Geräteschaden, schwere Todesursache

IKS PVD, Vakuumbeschichtungsmaschine, Kontakt: iks.pvd@foxmail.com