Твердое покрытие и декоративное покрытие: основные различия в конфигурации оборудования PVD

Разница между испарительным покрытием и напыляемым покрытием определяется физикой доставки атомов. Оба процесса представляют собой процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), происходящие внутри вакуумных камер, однако испарение приводит к быстрому выбросу пара в зону прямой видимости, в то время как распыление выбрасывает энергичные атомы, которые упаковываются в плотные твердые пленки. Три числа рассказывают историю: энергия прибывающих атомов, плотность готовой пленки и скорость осаждения.

Краткий обзор разницы между испарительным покрытием и напылением

В одном предложении: испаряемое покрытие создает пленки путем нагревания исходного материала до тех пор, пока он не испарится и не конденсируется на заготовке, в то время как напыляемое покрытие создает пленки путем бомбардировки твердой мишени ионами до тех пор, пока атомы не будут выброшены и не приземлятся достаточно прочно, чтобы плотно упаковать.

Все остальное следует из этого начала: испарение происходит в более глубоком вакууме без технологического газа и отдает предпочтение чистым металлам и простым оптическим стекам, тогда как распыление происходит в аргоновой плазме и обрабатывает сплавы, нитриды, оксиды и твердый углерод. Таблица сжимает параметры.

Как испарительное покрытие и напыление работают внутри камеры

Оба процесса начинаются с откачиваемой камеры и заканчиваются конденсирующей пленкой; разделение происходит посередине, где тепло и плазма толкают атомы принципиально по-разному.

Испарение: тепло, пар и линия прямой видимости

Как только давление в камере достигает примерно 10^-5 мбар, резистивная лодка, тигель или электронный луч поднимают источник выше точки его испарения. Атомы покидают расплав, пересекают вакуум, не сталкиваясь с молекулами газа, и застревают там, где они впервые приземлились. Благодаря прямой видимости затененные области остаются голыми, если приспособления не вращаются, поэтому испаренные пленки покрывают плоские панели гораздо лучше, чем нити или глубокие карманы. Источники сплавов также фракционируются: никель и хром покидают расплав с разной скоростью, поэтому состав пленки отклоняется от исходного состава.

Распыление: плазма, импульс и управление процессом

Система распыления заполняет камеру аргоном под давлением от 0,3 до 1 Па и воздействует на плазму. Магнетронный катод позади мишени улавливает электроны, поддерживая разряд стабильным при умеренном напряжении. Ионы аргона пересекают оболочку, ударяются о мишень и выбрасывают примерно один атом на каждый падающий ион. Эти атомы уходят с энергией от 1 до 10 эВ, достаточной для миграции и перестройки на поверхности. Добавьте азот или кислород, и та же машина станет реактивной линией для TiN, TiAlN, CrN или ITO; переключитесь на радиочастотное питание, и даже изолирующие мишени будут четко осаждаться.

Качество пленки: энергия атома определяет плотность, адгезию и покрытие ступеней

Напыленные пленки плотнее, прилипают прочнее и лучше принимают сложные формы, поскольку распыленные атомы имеют кинетическую энергию, в 10–30 раз превышающую кинетическую энергию испаренных атомов.

Испаренные атомы приземляются при энергии от 0,1 до 0,5 эВ, чего едва хватает для миграции по поверхности, поэтому при низкой температуре подложки они образуют столбчатые пористые пленки с плотностью от 85 до 95 процентов от объемной плотности. Такие пленки проходят зеркальный контроль, но могут не пройти испытания на влажность и истирание. Распыленные атомы достигают энергии от 1 до 10 эВ, мигрируют, заполняют пустоты и консолидируются при плотности выше 95 процентов, поэтому критические нагрузки при испытаниях на царапины на распыленных нитридах заметно выше.

Пошаговое покрытие следует той же логике: тени пара на линии прямой видимости возвращаются в углы, в то время как рассеянный поток плазмы при вращении детали охватывает края. Твердые углеродные пленки, такие как DLC и Ta-C, находятся на крайнем уровне этой логики и образуются только под действием энергетического потока, поэтому ни один источник термического испарения их не производит.

Скорость и стоимость владения: где каждый процесс выигрывает

Испарение осаждает материал примерно в десять раз быстрее и обходится дешевле, в то время как распыление приводит к меньшим потерям расходных материалов на единицу продукции и сокращает объем доработки сложных изделий.

Источник электронного пучка наносит алюминий со скоростью 10–100 нм в секунду против 1–10 нм для производственного магнетрона, поэтому отражательная металлизация на светоотражателях, пластиковой отделке и упаковочных полотнах по-прежнему относится к испарению. Торговля ведется расходными материалами и капиталом: плоские мишени теряют от 25 до 35 процентов своей массы перед заменой, электронно-лучевые черепа блокируют часть каждого расплава, и распылительные машины поставлять плазменные источники питания, системы охлаждения и сопряжения, которые повышают закупочную цену. Техническое обслуживание распределяется таким же образом: лодки, вкладыши и нити против смены целей и очистки щитов.

Какой метод вакуумного осаждения подходит вашему продукту

Выбирайте испарение для получения быстрых, ярких металлических и оптических слоев на плоских деталях; выбирайте напыление для получения твердых, функциональных пленок большой площади, которые должны выдерживать износ, влажность или тепло.

• Если пленка должна выдерживать истирание, соляной туман или режущие нагрузки, реактивное распыление нитридов и углеродных пленок является методом по умолчанию.
• Если работа заключается в нанесении декоративного металла на термочувствительный пластик, то испарение под защитным верхним покрытием остается классической и самой дешевой линией.
• Если вы хотите, чтобы один поставщик соответствовал требованиям обоих маршрутов, составьте короткий список поставщиков, которые управляют обеими платформами. Компания Shanghai Zenix Vacuum Coating Technology Co., Ltd., производитель оборудования для вакуумного нанесения покрытий с 1985 года, производит испарительные установки для нанесения покрытий, а также системы нанесения твердых покрытий методом PVD, декоративных и функциональных покрытий, включая технологии DLC и Ta-C, и в первую очередь тестирует детали клиентов на обоих направлениях.

Пять проверок, прежде чем вы решите выбрать платформу для нанесения покрытия

Короткая последовательность выполнения работ предотвращает самую дорогостоящую ошибку при покупке, которая заключается в покупке оборудования не по тому адресу, где находится пленка.

1. Сначала напишите функцию фильма
   Отражать свет, блокировать износ, нести цвет или изолировать; одно предложение решает, какая физика вам нужна.
2. Соответствуйте химическому составу материала
   Чистые металлы обеднены испарением; сплавы, нитриды, оксиды и углерод обеднены распылением.
3. Запускайте свои настоящие детали на обоих маршрутах
   Пилотные купоны превосходят технические описания; измеряйте адгезию, плотность, покрытие и время цикла на вашей геометрии.
4. Стоимость за хорошую деталь в течение трех лет
   Подсчитывайте цели, лодки, щиты, электроэнергию, время простоя и визиты на техническое обслуживание, а не только расценки.
5. Проверьте окружающую инфраструктуру
   Время безотказной работы определяется насосами, предварительной обработкой и запасными частями в той же степени, что и самим устройством для нанесения покрытия.

Часто задаваемые вопросы: испарение или распыление

Какой процесс обеспечивает лучшую адгезию: испарение или напыление?

Распыление. Атомы достигают энергии от 1 до 10 эВ, а не от 0,1 до 0,5 эВ, поэтому пленки уплотняются и связываются гораздо агрессивнее, что проявляется в более высоких критических нагрузках при испытаниях на царапины и лучшей выживаемости при циклическом изменении влажности.

Может ли одна вакуумная система выполнять как испарение, так и распыление?

Существуют гибридные камеры, которые подходят для смешанных портфелей, таких как оптические и декоративные работы, но они стоят дороже и ставят под угрозу геометрию насоса и источника. Растения с четким семейством продуктов обычно покупают специальные инструменты.

Почему распыление происходит медленнее и можно ли восстановить пропускную способность?

Передача импульса выбрасывает примерно один атом-мишень на падающий ион при типичных энергиях, поэтому скорость ограничена током разряда и выходом материала. Пропускная способность восстанавливается за счет нескольких катодов, планетарного вращения, импульсной мощности и мишеней большей мощности.

Всегда ли испарение является более дешевым вариантом?

Нет. Цена покупки и исходный материал дешевле, но в случае изнашиваемых деталей доработка и сбои в эксплуатации сводят на нет экономию. Сравните стоимость одной исправной детали за три года, включая расходные материалы и обслуживание.