Technologie de revêtement sous vide, en abrégé PVD, est une technique qui utilise des méthodes physiques pour vaporiser la surface d'une source de matériau en atomes, molécules ou ions dans des conditions de vide, et déposer un film mince avec une certaine fonction spéciale sur la surface du substrat. La technologie de revêtement des équipements de revêtement sous vide est principalement divisée en trois catégories : le dépôt en phase vapeur, la pulvérisation cathodique et le placage ionique. Il existe trois types de technologie de revêtement par évaporation : l'évaporation par résistance, l'évaporation par faisceau d'électrons et l'évaporation par chauffage par induction.
Il existe trois grandes orientations pour la technologie de revêtement dans les équipements de revêtement sous vide : la technologie de revêtement par évaporation, la technologie de revêtement par ions et la technologie de revêtement par pulvérisation cathodique magnétron. Chaque technologie de revêtement présente ses propres avantages et inconvénients, et différents substrats et cibles sont revêtus avec différentes technologies de revêtement.
La technologie de revêtement par évaporation de résistance adopte la technologie de revêtement par évaporation de la source d'évaporation de chauffage par résistance, qui est généralement utilisée pour évaporer des matériaux à bas point de fusion tels que l'aluminium, l'or, l'argent, le sulfure de zinc, le fluorure de magnésium, le trioxyde de chrome, etc. Les résistances de chauffage sont généralement constituées de tungstène, de molybdène, de tantale, etc. Avantages uniques, structure simple et faible coût. Inconvénient : le matériau a tendance à réagir avec le creuset, affectant la pureté du film mince, et ne peut pas évaporer les films minces diélectriques à point de fusion élevé ; faible taux d'évaporation.
Le placage par évaporation par résistance par faisceau d'électrons est une technologie qui utilise un chauffage par faisceau d'électrons à grande vitesse pour vaporiser et évaporer des matériaux, puis les condenser en un film à la surface d'un substrat. La densité énergétique de la source de chaleur du faisceau d'électrons peut atteindre 104-109w/cm2 et peut atteindre plus de 3000 degrés. Il peut évaporer des métaux à point de fusion élevé ou des matériaux diélectriques tels que le tungstène, le molybdène, le germanium, le SiO2, l'AL2O3, etc.
Le principe de base de l'évaporation par faisceau d'électrons est le suivant : dans un environnement à vide poussé, des électrons à haute énergie émis par un canon à électrons bombardent la surface d'un matériau cible sous l'action de champs électriques et magnétiques, convertissant l'énergie cinétique en énergie thermique. Le matériau cible chauffe, fond ou s'évapore directement, déposant un film mince sur la surface du substrat.
Il existe deux types de sources de dépôt en phase vapeur pour le chauffage par faisceau d'électrons : les canons à électrons droits et les canons à électrons de type E (également circulaires). Le faisceau d'électrons est émis par la source et focalisé et dévié par une bobine de champ magnétique pour bombarder et chauffer le matériau du film. Ses avantages comprennent la capacité d'évaporer n'importe quel matériau, la grande pureté du film, l'action directe sur la surface du matériau et une efficacité thermique élevée. Les inconvénients des canons à électrons comprennent une structure complexe, un coût élevé, une décomposition facile des composés pendant le dépôt et un déséquilibre chimique.
L'évaporation par chauffage par induction est une technologie qui utilise le chauffage par induction à champ électromagnétique à haute fréquence pour vaporiser et évaporer des matériaux, les condensant en un film à la surface d'un substrat. Ses avantages comprennent un taux d'évaporation élevé, qui peut être environ 10 fois supérieur à celui d'une source d'évaporation résistive. La température de la source d'évaporation est stable, ce qui la rend moins sujette aux éclaboussures. La température du creuset est basse et le matériau du creuset présente moins d'encrassement de la membrane. Ses inconvénients comprennent la nécessité de protéger le dispositif d'évaporation, le coût élevé et l'équipement complexe.
Bien que les principes de ces trois technologies de revêtement par évaporation pour les équipements de revêtement sous vide soient les mêmes, elles utilisent toutes l'évaporation à haute température pour vaporiser les matériaux à revêtir. Cependant, les environnements dans lesquels elles sont appliquées sont différents et les matériaux et substrats de revêtement ont également des exigences différentes.
L'évaporation par chauffage par induction à haute fréquence consiste à placer un creuset contenant un matériau de revêtement au centre d'une bobine en spirale à haute fréquence, ce qui provoque la génération de forts courants de Foucault et d'effets d'hystérésis par le matériau de revêtement sous l'induction d'un champ électromagnétique à haute fréquence, ce qui entraîne le chauffage de la couche de film jusqu'à ce qu'elle se vaporise et s'évapore. La source d'évaporation se compose généralement d'une bobine à haute fréquence refroidie par eau et d'un creuset en graphite ou en céramique (oxyde de magnésium, oxyde d'aluminium, oxyde de bore, etc.). L'alimentation haute fréquence utilise une fréquence de 10 000 à plusieurs centaines de milliers de hertz, avec une puissance d'entrée de plusieurs à plusieurs centaines de kilowatts. Plus le volume du matériau de la membrane est petit, plus la fréquence d'induction est élevée. La fréquence de la bobine d'induction est généralement fabriquée à l'aide de tubes en cuivre refroidis à l'eau. L'inconvénient de la méthode d'évaporation par chauffage par induction à haute fréquence est qu'il n'est pas facile de régler avec précision la puissance d'entrée. Elle présente les avantages suivants :
1. Taux d’évaporation élevé :
2. La température de la source d'évaporation est uniforme et stable, et il n'est pas facile de produire des éclaboussures de gouttelettes de placage
3. Chargement unique de la source d'évaporation, le contrôle de la température est relativement facile et le fonctionnement est simple.
Les avantages de la technologie de revêtement par pulvérisation cathodique magnétron sont les suivants
1. Taux de sédimentation élevé. Grâce à l'utilisation d'électrodes magnétron à grande vitesse, un courant ionique important peut être obtenu, améliorant efficacement le taux de dépôt et le taux de pulvérisation de ce processus de revêtement. Par rapport à d'autres procédés de revêtement par pulvérisation, la pulvérisation magnétron a une capacité de production et un rendement élevés et est largement utilisée dans diverses productions industrielles.
2. Efficacité énergétique élevée. Les cibles de pulvérisation magnétron choisissent généralement des tensions dans la plage de 200 V-1000 V, généralement 600 V, car la tension de 600 V se situe juste dans la plage efficace la plus élevée d'efficacité énergétique.
Faible énergie de pulvérisation. La faible tension appliquée à la cible du magnétron et le champ magnétique confinent le plasma à proximité de la cathode, ce qui peut empêcher les particules chargées à haute énergie d'atteindre le substrat.
3. La température du substrat est basse. Les électrons générés lors de la décharge anodique peuvent être utilisés sans qu'il soit nécessaire de mettre à la terre le support du substrat, ce qui peut réduire efficacement le bombardement d'électrons sur le substrat. Par conséquent, la température du substrat est relativement basse, ce qui le rend très approprié pour le revêtement de certains substrats en plastique qui ne sont pas très résistants aux températures élevées.
Gravure inégale sur la surface des cibles de pulvérisation magnétron. La gravure inégale de la surface des cibles de pulvérisation magnétron est causée par des champs magnétiques cibles inégaux, ce qui entraîne un taux de gravure plus élevé aux emplacements locaux de la cible et un taux d'utilisation effectif inférieur du matériau cible (taux d'utilisation de seulement 20 % -30 %). Par conséquent, afin d'améliorer le taux d'utilisation des matériaux cibles, il est nécessaire de modifier la distribution du champ magnétique par certains moyens, ou d'utiliser des aimants pour se déplacer dans la cathode, ce qui peut également améliorer le taux d'utilisation des matériaux cibles.
4. Cible composite. Des films d'alliage revêtus de cibles composites peuvent être produits. Actuellement, des films d'alliage Ta Ti, (Tb Dy) - Fe et Gb Co ont été déposés avec succès à l'aide de la technologie de pulvérisation magnétron composite. Il existe quatre types de structures pour les cibles composites, à savoir les cibles encastrées circulaires, les cibles encastrées carrées, les petites cibles encastrées carrées et les cibles encastrées en éventail. Parmi elles, la structure de cible encastrée en éventail a le meilleur effet d'utilisation.
5. Large gamme d'applications. Le processus de pulvérisation magnétron peut déposer de nombreux éléments, notamment Ag, Au, C, Co, Cu, Fe, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Cr, Pd, Pt, Re, Rh, Si, Ta, Ti, Zr, SiO, AlO, GaAs, U, W, SnO, etc.
Technologie de revêtement ionique sous vide
Technologie de placage ionique sous vide(abrégé en placage ionique) a été développé pour la première fois par D M. Mattox et proposé et mis en pratique en 1963 comme une technologie de revêtement combinant l'évaporation et la pulvérisation cathodique. Il est basé sur le bombardement ionique, qui chauffe le matériau ou la pièce revêtue jusqu'à un état fondu, et utilise un bombardement ionique à haute énergie pour déposer des films minces de métal ou de semi-conducteur déposés chimiquement sur la surface du substrat, obtenant ainsi des films minces avec des structures et des propriétés spécifiques.
Le procédé de placage ionique consiste à connecter la source d'évaporation à l'anode et la pièce à la cathode. Lorsqu'un courant continu haute tension de trois à cinq mille volts est appliqué, une décharge d'arc est générée entre la source d'évaporation et la pièce. En raison du gaz argon inerte remplissant la hotte à vide, une partie du gaz argon est ionisée sous l'action du champ électrique de décharge, formant une zone sombre de plasma autour de la pièce à cathode. Les ions argon chargés positivement sont attirés par la haute tension négative de la cathode et bombardent violemment la surface de la pièce, provoquant l'éclaboussure et la projection de particules et de saletés à la surface de la pièce, permettant ainsi à la surface de la pièce d'être entièrement nettoyée par bombardement ionique. Par la suite, l'alimentation électrique en courant alternatif de la source d'évaporation est connectée et les particules de matériau évaporées fondent et s'évaporent, entrant dans la zone de décharge luminescente et étant ionisées. Les ions de matériau évaporé chargés positivement, attirés par la cathode, se précipitent vers la pièce avec les ions d'argon. Lorsque la quantité d'ions de matériau évaporé déposée sur la surface de la pièce dépasse la quantité d'ions projetés, ils s'accumulent progressivement pour former un revêtement fermement adhérant à la surface de la pièce.
La structure du revêtement par placage ionique est dense, sans trous d'épingle, bulles et d'épaisseur uniforme. Cette méthode est très adaptée au revêtement de pièces présentant des trous internes, des rainures et des interstices étroits qui sont difficiles à revêtir par d'autres méthodes, et ne forme pas de nodules métalliques. En raison de sa capacité à réparer les petites fissures et défauts tels que les piqûres sur la surface de la pièce, ce procédé peut améliorer efficacement la qualité de surface et les propriétés physiques et mécaniques des pièces revêtues. Les tests de fatigue ont montré que si elle est manipulée correctement, la durée de vie en fatigue de la pièce peut être augmentée de 20 à 30 % par rapport à avant le placage.
Caractéristiques du revêtement ionique sous vide
Par rapport à l'évaporation et à la pulvérisation cathodique, le placage ionique présente les caractéristiques suivantes :
(1) Bonnes performances d'adhérence du revêtement
Lors d'un revêtement sous vide ordinaire, il n'y a presque pas de couche de transition reliant la surface de la pièce et le revêtement. Lors du placage ionique, lorsque les ions bombardent la pièce à grande vitesse, ils peuvent pénétrer la surface de la pièce et former une couche de diffusion profondément implantée dans le substrat. La profondeur de diffusion de l'interface du placage ionique peut atteindre quatre à cinq micromètres. Au début du revêtement, la pulvérisation cathodique et le dépôt coexistent, et une couche de transition ou une couche mixte de composants de film et de substrat peut être formée à l'interface entre le film et le substrat, appelée pseudo-couche de diffusion, ce qui peut améliorer efficacement les performances d'adhérence de la couche de film.
(2) Forte capacité de placage
Lors du placage ionique, les particules de matériau évaporées se déplacent dans la direction du champ électrique sous forme d'ions chargés. Par conséquent, partout où il y a un champ électrique, un bon revêtement peut être obtenu, ce qui est bien supérieur au revêtement sous vide ordinaire qui ne peut obtenir un revêtement que dans la direction directe. Par conséquent, cette méthode est très adaptée aux zones des pièces plaquées qui sont difficiles à plaquer par d'autres méthodes, telles que les trous intérieurs, les rainures et les interstices étroits.
(3) Bonne qualité de revêtement
Le revêtement de placage ionique a une structure dense, sans trous d'épingle, sans bulles et une épaisseur uniforme. Même les bords et les rainures peuvent être revêtus uniformément, et des pièces telles que les filetages peuvent également être revêtues d'une dureté élevée, d'une résistance élevée à l'usure (faible coefficient de frottement), d'une bonne résistance à la corrosion et d'une stabilité chimique, ce qui se traduit par une durée de vie plus longue de la couche de film ; en même temps, la couche de film peut améliorer considérablement l'apparence et les performances décoratives de la pièce.
(4) Simplifier le processus de nettoyage
La plupart des procédés de revêtement existants nécessitent un nettoyage préalable rigoureux de la pièce à usiner, et le processus est relativement responsable. Pendant le processus de placage ionique, un grand nombre de particules à haute énergie générées par décharge luminescente sont utilisées pour créer un effet de pulvérisation cathodique sur la surface, qui nettoie le gaz et l'huile adsorbés sur la surface du substrat par pulvérisation, purifiant la surface du substrat jusqu'à ce que l'ensemble du processus de revêtement soit terminé, simplifiant ainsi une grande partie du travail de nettoyage avant placage.
(5) Matériaux plaqués largement disponibles
Le placage ionique est un procédé qui consiste à utiliser des ions à haute énergie pour bombarder la surface d'une pièce, convertissant une grande quantité d'énergie électrique en énergie thermique à la surface de la pièce, favorisant ainsi la diffusion et les réactions chimiques dans le tissu de surface, et la pièce n'est pas affectée par les températures élevées. Par conséquent, ce procédé de revêtement a une large gamme d'applications et est moins limité. En général, divers métaux, alliages, ainsi que certains matériaux synthétiques, matériaux isolants, matériaux thermosensibles et matériaux à point de fusion élevé peuvent être plaqués. Les pièces métalliques peuvent être plaquées avec des non-métaux ou des métaux, ainsi que des métaux ou des non-métaux, et même des plastiques, du caoutchouc, du quartz, de la céramique, etc.
Classification du revêtement ionique sous vide
Il existe différentes combinaisons de méthodes d'ionisation et d'excitation pour différentes sources d'évaporation et différents atomes, ce qui a conduit à l'émergence de nombreuses méthodes de placage ionique à partir de sources d'évaporation. Les méthodes courantes comprennent le placage ionique par pulvérisation cathodique et le placage ionique par évaporation basé sur l'acquisition de particules membranaires.
1. Placage ionique de type pulvérisation
En utilisant des ions à haute énergie pour pulvériser la surface du matériau de la membrane, des particules métalliques sont générées. Les particules métalliques s'ionisent en ions métalliques dans l'espace de décharge de gaz et atteignent le substrat sous une polarisation négative pour se déposer et former un film.
Placage ionique par évaporation
Le matériau de revêtement est chauffé par différentes méthodes de chauffage pour s'évaporer et produire de la vapeur métallique, qui est ensuite introduite dans l'espace de décharge de gaz excité de différentes manières pour s'ioniser en ions métalliques. Ces ions atteignent le substrat sous une polarisation négative et se déposent dans un film.
Français Parmi eux, le placage ionique par évaporation peut être divisé en placage ionique à deux étages CC, placage ionique à cathode creuse, placage ionique à arc à fil chaud et placage ionique à arc cathodique selon différents principes de décharge. Le placage ionique secondaire CC est une décharge luminescente stable ; le placage ionique à cathode creuse et le placage ionique à arc à fil chaud sont tous deux des décharges d'arc thermique, et la raison de la génération d'électrons peut être simplement résumée comme l'émission thermique d'électrons à l'extérieur du noyau en raison du chauffage des matériaux métalliques à des températures élevées ; Le type de décharge du placage ionique à arc cathodique est différent des types précédents de placage ionique et il utilise une décharge d'arc froid.
(1) Placage ionique à cathode creuse (HCD)
Français Utilisation d'une décharge à cathode chaude creuse pour générer un faisceau d'électrons à plasma. Caractéristiques du placage ionique à cathode creuse : ① Le pistolet à cathode creuse HCD est à la fois une source de chaleur pour la gazéification du matériau membranaire et une source d'ionisation pour les particules évaporées, et la méthode d'ionisation consiste à utiliser une collision de faisceau d'électrons à basse pression ; ② En utilisant une tension d'accélération allant de 0V à plusieurs centaines de volts, l'ionisation et l'accélération des ions fonctionnent indépendamment Peut bien effectuer le placage ionique réactif ; ④ L'augmentation de la température du substrat est faible et le substrat doit toujours être chauffé pendant le revêtement ; ⑤ Efficacité d'ionisation élevée, grand spot de faisceau d'électrons et peut être déposé sur divers films.
(2) Placage ionique par arc cathodique
Le placage ionique à arc cathodique est le point culminant de la technologie de revêtement ionique traditionnelle, qui adopte une décharge à arc froid et présente le taux d'ionisation des particules le plus élevé parmi de nombreuses technologies de revêtement PVD.
