離子鍍膜技術原理及工藝

(5)等離子體鍍膜技術簡介

王福貞

5 等離子體鍍膜技術簡介

5.1 離子鍍技術類型

技術類型	離 子 鍍 技 術	放 電 類 型	偏 壓 （V）	真空度(Pa)	離子能量 （eV）
離子鍍	活性反應離子鍍 空心陰極離子鍍 熱絲陰極離子鍍 陰極電弧離子鍍 磁控濺射離子鍍	輝 光 放 電 熱弧光放電 熱弧光放電 冷場致弧光放電 輝 光 放 電	103 50 – 100 100 – 120 50 – 200 100 – 200	10-1 10-1 10-1 10-1 10-1	5 - 15 20 – 40 20 – 40 60 – 90 10 – 20

 

5.2 活性反應離子鍍

e形電子槍：槍接負電壓10kV （0.3～1）A SHAPE * MERGEFORMAT

負偏壓：真空室接地，（1000～3000）V（2～10）A

活化電極：活化極接電源正極，坩堝接負極，接地，70V （10～30）A

活化電極吸引坩堝上方的電子，提高碰撞幾率、離化率

高能電子束加熱蒸發，活化電極提高離化率

5.3空心陰極離子鍍

空心陰極槍：槍接負電壓（50～70）V（50～200）A

空心陰極槍產生高密度熱電子弧流

負偏壓：真空室接地，（100～200）V （5～20）A

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空心陰極低能高密度電子流加熱蒸發，同時與加大碰撞幾率，金屬離化了率提高。偏壓低。

空心陰極槍既是加熱源、蒸發源、又是離化源。是點狀蒸發源。

 

5.4 熱絲弧離子鍍

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熱絲弧槍：熱絲並聯接加熱電源和弧電源負極，真空室接地。

（50～70）V（50～200）A

熱絲弧槍產生高密度熱電子弧流

熱絲弧槍既是加熱源、蒸發源、又是離化源。是點狀蒸發源。

5.5 陰極電弧源離子鍍

陰極電弧源靶面前的電場強度流和金達到106～108V/cm，擊穿產生大量場致電子，形成冷場致弧光放電。每個微小的弧斑發射高密度的電子屬蒸汽流。在弧斑附近產生激烈的碰撞，產生大量的金屬離子。每個弧斑是一個蒸發源、離化源、加熱源。電弧離子鍍是金屬離化率最高的鍍膜技術，更有利於形成化合物塗層。採用磁場控制弧斑運動。

 

1）小弧源的直徑一般為（60—100）mm。在鍍膜室壁上從上到下呈螺旋線分佈。小弧源本身結構簡單、成本低。但每個小弧源都必須匹配一弧電源、一套引弧針系統，而且必須逐個引動每個引弧針，才能點燃所有的小弧源。故鍍膜機的結構複雜、操作煩瑣。膜層組織粗，有較大的液滴，沿工件轉架的膜層均勻性差。

電弧離子鍍膜層組織較粗，有大熔滴存在，工件表面粗糙，亮度降低。採用磁過濾方法使之細化。

1）柱弧源和矩形平面大弧源

矩形平面大弧源和柱弧源都和工件轉架等長，只需一次引弧操作便可以引燃整個大弧源或柱弧源，實現整個工件轉架的鍍膜，鍍膜的均勻區大。設備結構簡單、操作簡便。由於靶材較薄，膜層中的熔滴少，組織細密。 

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 平面弧與柱弧          直條弧斑      螺條弧斑         外設磁場

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           平面大弧源鍍膜機           大弧源放電

 

2）電弧離子鍍膜層組織

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               柱弧源    大弧源    小弧源

電弧離子鍍膜層組織中有大熔滴，小弧源的組織比柱弧源和大弧源的粗。

電弧離子鍍是蒸發源、離化源、加熱源，又是大面積鍍膜源。

磁控濺射離子鍍

磁控濺射技術中，氬離子以高能轟擊靶面，產生的陰極濺射作用把靶材原子濺射下來，成為膜層原子，沉積到工件上。由於靶材後面的磁場作用，電子在靶面做迴旋運動，提高了氬氣的電離幾率，有更多的氬離子轟擊靶面，提高了沉積速率。

如果工件也施加負偏壓，即為磁控濺射離子鍍。具有離子鍍技具術的優點，而且膜層組織細密。

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磁控濺射膜層組織

通常主要使用平衡磁控濺射技術。平衡磁控濺射技術的磁場主要分佈在靶面附近，鍍膜室空間的等離子體密度低，膜層粒子能量低。新的磁控濺射技是採用非平衡磁控濺射靶、中頻電源、孿生靶、氣體離子源。

 

1 平衡-非平衡磁控濺射靶

平衡磁控濺射技術主要分佈在靶面附近，鍍膜室空間的等離子體密度低，膜層粒子能量低。新的磁控濺射技是採用非平衡磁控濺射靶。非平衡磁控濺射技術中的磁場不但分佈在靶面附近，而且向鍍膜室空間延伸，等離子體作用範圍大，增加了金屬原子的離化率和整體能量，有利於提高膜層的附著力和沉積化合物塗層。

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磁控濺射靶磁場結構 平衡-非平衡磁控濺射靶磁場分佈

 

2 中頻電源

兩個非平衡靶分別與中頻磁控濺射電源的兩個電極相連，兩個靶即互為陰陽極。鍍膜室空間的等離子體可以在中頻電場的作用下高速震盪，提高等離子體密度。更有利於反應沉積氮化鈦等化合物塗層；中頻電源還可以隨時消除靶中毒現象，有利於沉積AlN、Al2O3、SiO2 等絕緣膜，避免了使用射頻電源的弊病。

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     中頻-直流               中頻-磁控-AlN

 

3 孿生靶

兩個非平衡靶分別與中頻磁控濺射電源的兩個電極相連，兩個靶空間的等離子體可以在中頻電場的作用下高速震盪，進一步提高等離子體密度。

 

4 氣體離子源

氣體離子源產生的氣體離子可以歸工件進行與轟擊清洗、離子輔助沉積，提高膜基結合力、改善膜層組織、提高反應沉積能力。

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           平面孿生磁控濺射靶      氣體離子源

 

 

5.7  複合型鍍膜源

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                        封閉磁場結構

 

1)  封閉磁場磁控濺射靶

磁控濺射靶之間設輔助磁場，使鍍膜室內的磁場相互交聯，形成封閉磁場。

2)  ABS 源—磁控和電弧連用

    通過調整磁控濺射靶外圈磁鋼的前後位置來改變靶面的磁場強度。外圈磁鋼向前推時靶面的磁場強度高，成為磁控濺射靶。外圈磁鋼向後放時，靶面的磁場強度低，成為電弧源。首先以電弧的模式進行主弧轟擊，然後以磁控濺射模式鍍氮化鋯等化合物膜。

 

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     ABS 源放電特點               ABS 源結構

 

3)  柱狀孿生靶

    柱狀磁控濺射靶結構簡單，靶材利用率高。兩個靶相鄰安放或相對安放，接中頻電源。使靶間的磁場相互交聯。靶間的等離子體密度大大提高。此時的柱狀磁控濺射靶內的磁場不旋轉，而是旋轉靶管，進行定向鍍膜。

4)  柱靶—柱弧並用

由於柱弧源的金屬離化率高可以先用柱弧源進行“主弧轟擊”，然後用磁控濺射靶進行鍍膜，與此同時柱弧源還起到離子源的作用和輔助鍍膜的作用。

 

 

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5)    柱靶—柱弧一體化                

    一個柱狀源通過更換磁鋼和電源，使得一個柱狀的結構可以既是磁控濺射靶又是柱狀靶。適用於研發新膜系。

    工模具、手機殼、錶殼、錶帶衛生潔具等的產業化鍍膜生產過程中需要鍍膜厚度的均勻性和色澤的均勻性。所以長條形鍍膜源的利用和技術發展意義重大。