Fizyczne osadzanie par - Physical vapor deposition

Wewnątrz komory do fizycznego osadzania z fazy gazowej metodą natrysku plazmowego (PS-PVD) do płomienia plazmowego wprowadzany jest proszek ceramiczny, który odparowuje go, a następnie kondensuje na (chłodniejszym) przedmiocie obrabianym, tworząc powłokę ceramiczną.
Schemat przepływu procesu PVD

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej ( PVD ), czasami (zwłaszcza w kontekście wzrostu monokryształów ) zwane fizycznym transportem z fazy gazowej ( PVT ), opisuje różne metody osadzania próżniowego, które można wykorzystać do wytwarzania cienkich warstw i powłok. PVD charakteryzuje się procesem, w którym materiał przechodzi z fazy skondensowanej do fazy gazowej, a następnie z powrotem do fazy skondensowanej cienkowarstwowej. Najczęstszymi procesami PVD są rozpylanie i parowanie . PVD stosuje się w produkcji przedmiotów, które wymagają cienkich warstw do funkcji mechanicznych, optycznych , chemicznych lub elektronicznych. Przykłady obejmują urządzenia półprzewodnikowe, takie jak cienkowarstwowe panele słoneczne , aluminiowana folia PET do pakowania żywności i balonów oraz narzędzia tnące powlekane azotkiem tytanu do obróbki metali. Oprócz narzędzi PVD do wytwarzania opracowano specjalne mniejsze narzędzia (głównie do celów naukowych).

Materiał źródłowy jest nieuchronnie również osadzany na większości innych powierzchni wewnątrz komory próżniowej, łącznie z mocowaniem używanym do utrzymywania części.

Przykłady

  • Osadzanie łuku katodowego : łuk elektryczny o dużej mocy wyładowany na docelowym materiale (źródle) wyrzuca część w wysoce zjonizowaną parę, która zostaje osadzona na przedmiocie obrabianym.
  • Fizyczne osadzanie pary wiązką elektronów : materiał, który ma zostać osadzony, jest podgrzewany do wysokiego ciśnienia pary przez bombardowanie elektronami w „wysokiej” próżni i jest transportowany przez dyfuzję, aby osadzony przez kondensację na (chłodniejszym) przedmiocie obrabianym.
  • Osadzanie ewaporacyjne : materiał, który ma być osadzony, jest podgrzewany do wysokiego ciśnienia pary przez ogrzewanie oporowe w „wysokiej” próżni.
  • Sublimacja w bliskiej przestrzeni , materiał i podłoże są umieszczone blisko siebie i ogrzewane promieniście.
  • Impulsowe osadzanie laserowe : laser o dużej mocy usuwa materiał z celu w parę.
  • Osadzanie przez rozpylanie : wyładowanie plazmy jarzeniowej (zwykle zlokalizowane wokół "celu" przez magnes) bombarduje materiał rozpylając część jako parę do późniejszego osadzania.
  • Impulsowe osadzanie elektronów : wysokoenergetyczna pulsacyjna wiązka elektronów usuwa materiał z celu, generując strumień plazmy w warunkach braku równowagi.
  • Metoda sublimacyjna kanapkowa : służy do tworzenia kryształów sztucznych.

Do pomiaru właściwości fizycznych powłok PVD można zastosować różne techniki charakteryzacji cienkich warstw, takie jak:

  • Tester Calo : test grubości powłoki
  • Nanoindentation : test twardości powłok cienkowarstwowych
  • Tester pin-on-disc : test zużycia i współczynnika tarcia
  • Tester zarysowań : test przyczepności powłoki
  • Mikroanalizator rentgenowski: badanie cech strukturalnych i niejednorodności składu pierwiastkowego powierzchni wzrostu

Porównanie z innymi technikami osadzania

Zalety

  • Powłoki PVD są czasami twardsze i bardziej odporne na korozję niż powłoki nakładane w procesie galwanizacji. Większość powłok charakteryzuje się wysoką temperaturą i dobrą udarnością, doskonałą odpornością na ścieranie i jest tak trwała, że ​​ochronne powłoki nawierzchniowe rzadko są potrzebne.
  • Możliwość wykorzystania praktycznie każdego rodzaju nieorganicznych i niektórych organicznych materiałów powłokowych na równie zróżnicowanej grupie podłoży i powierzchni przy użyciu szerokiej gamy wykończeń.
  • Bardziej przyjazne dla środowiska niż tradycyjne procesy powlekania, takie jak galwanizacja i malowanie.
  • Do nałożenia danej folii można zastosować więcej niż jedną technikę.

Niedogodności

  • Określone technologie mogą nakładać ograniczenia; na przykład transfer w linii wzroku jest typowy dla większości technik powlekania PVD, jednak niektóre metody pozwalają na pełne pokrycie złożonych geometrii.
  • Niektóre technologie PVD zwykle działają w bardzo wysokich temperaturach i próżni, wymagając szczególnej uwagi personelu obsługującego.
  • Wymaga systemu wody chłodzącej do rozpraszania dużych obciążeń cieplnych.

Okulary anizotropowe

Rysunek ten przedstawia prostą ilustrację procesu PVD, w którym pożądane osadzone cząsteczki gazu wchodzą do komory po skondensowaniu, a następnie są ponownie skondensowane na cienkiej warstwie, takiej jak szkło anizotropowe.

PVD może być stosowany jako aplikacja do wytwarzania szkieł anizotropowych o niskiej masie cząsteczkowej do półprzewodników organicznych. Aby zrozumieć, jakie właściwości tego szkła sprawiają, że jest ono przydatne, najpierw zapoznaj się z mechanizmem. Parametrem potrzebnym do powstania tego typu szkła jest ruchliwość molekularna i struktura anizotropowa na swobodnej powierzchni szkła. Konfiguracja polimeru jest ważna, gdy musi być umieszczony w stanie o niższej energii, zanim dodane cząsteczki zagrzebią materiał poprzez osadzanie. Ten proces dodawania cząsteczek do struktury zaczyna się równoważyć, nabierać masy i zwiększać objętość, aby uzyskać większą stabilność kinetyczną. Upakowanie cząsteczek tutaj przez PVD jest skierowane do przodu, co oznacza, że ​​nie na długim końcu ogona, pozwala również na dalsze nakładanie się orbitali pi, co również zwiększa stabilność dodanych cząsteczek i wiązań. Orientacja tych dodanych materiałów zależy głównie od temperatury, kiedy cząsteczki będą osadzane lub ekstrahowane z cząsteczki. Równowaga cząsteczek zapewnia szkłu jego anizotropowe właściwości. Anizotropia tych szkieł jest cenna w tym, że pozwala na większą ruchliwość nośników ładunku, a wraz ze wzrostem gęstości szkła na zwiększenie przenoszenia ładunku. Ten proces pakowania w szkło w sposób anizotropowy jest cenny ze względu na swoją wszechstronność oraz fakt, że szkło zapewnia dodatkowe korzyści poza kryształami, takie jak jednorodność i elastyczność kompozycji.

Aplikacje dekoracyjne

Zmieniając gazy i czas trwania procesu, za pomocą fizycznego osadzania z fazy gazowej na stali nierdzewnej powstaje szereg kolorów. Powstały kolorowy produkt ze stali nierdzewnej może wyglądać jak mosiądz, brąz i inne metale lub stopy. Ta stal nierdzewna w kolorze PVD może być stosowana jako okładzina zewnętrzna budynków i konstrukcji, takich jak rzeźba Vessel w Nowym Jorku i Bund w Szanghaju. Jest również używany do wyposażenia wnętrz, paneli i osprzętu, a nawet jest używany w niektórych urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak wykończenia Space Grey i Gold iPhone'a i Apple Watch.

Inne aplikacje

Jak wspomniano wcześniej, powłoki PVD są ogólnie stosowane w celu poprawy twardości, odporności na zużycie i utleniania. W związku z tym takie powłoki są używane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak:

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Anders, Andrzej, wyd. (3 października 2000). Podręcznik implantacji i osadzania jonów plazmowych . Wiley-VCH. Numer ISBN 978-0471246985.
  • Bacha, Hansa; Krause, Dieter (10 lipca 2003). Cienkie filmy na szkle . Skoczek. Numer ISBN 978-3540585978.
  • Bunshah, Roitan F (31 grudnia 1994). Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (wyd. drugie). Wydawnictwo Williama Andrew. Numer ISBN 978-0815517467.
  • Glaser, Hans Joachim (2000). Powłoka szklana o dużej powierzchni . Von Ardenne Anlagentechnik GMBH. Numer ISBN 978-3000049538.
  • Glocker, D; Szach, S (17 grudnia 2001). Podręcznik technologii cienkowarstwowej . CRC Prasa. Numer ISBN 978-0750308328.
  • Mahan, John E (1 lutego 2000). Fizyczne naparowywanie cienkich warstw . Wiley-Interscience. Numer ISBN 978-0471330011.
  • Mattox, Donald M. (19 maja 2010). Handbook of Physical Vapour Deposition (PVD) Processing (wyd. drugie). Wydawnictwo Williama Andrew. Numer ISBN 978-0-815-52037-5.
  • Mattox, Donald M (14 stycznia 2004). Podstawy technologii powlekania próżniowego . Wydawnictwo Williama Andrew. Numer ISBN 978-0815514954.
  • Mattox, Donald M.; Mattox, Vivivenne Harwood (2007). 50 lat technologii powlekania próżniowego i rozwój Towarzystwa Powlekaczy Próżniowych . Towarzystwo Powlekarek Próżniowych. Numer ISBN 978-1878068279.
  • Ohring, Milton (26 października 2001). Materiałoznawstwo cienkich warstw, wydanie drugie . Prasa akademicka. Numer ISBN 978-1493301720.
  • Powell, Carroll F.; Oxley, Joseph H.; Blocher, John Milton (1966). Klerer, J. (red.). „Osadzanie z fazy gazowej”. Czasopismo Towarzystwa Elektrochemicznego . Towarzystwo Elektrochemiczne. 113 (10): 226–269. ASIN  B007T4PDL6 . doi : 10.1149/1.2423765 .
  • Snyder, Tim (6 maja 2013). „Co to są koła PVD – zapytaj NASA” . 4wheelonline.com . 4KołaOnline.com . Źródło 3 października 2019 .
  • Westwood, William D (2003). Osadzanie napylania — seria książek Komitetu Edukacji AVS, tom. 2 . Komitet ds. Edukacji, AVS. Numer ISBN 978-0735401051.
  • Willey, Ronald R (15 grudnia 2007). Praktyczne monitorowanie i kontrola cienkich warstw optycznych . Willey Optyczny, Konsultanci. Numer ISBN 978-0615181448.
  • Willy, Ronald R (27 października 2007). Praktyczny sprzęt, materiały i procesy do cienkich błon optycznych . Willey Optyczny, Konsultanci. Numer ISBN 978-0615143972.

Zewnętrzne linki