PVD 코팅 기술의 분류 및 이론

PVD 코팅 기술의 분류 및 이론

특수 형상 재료의 일종 인 박막은 비정질, 다결정 및 단결정 일 수 있습니다. 단순한 원소 또는 화합물, 무기 물질 또는 유기 물질로 만들 수 있습니다.

박막 기술은 물리 기상 증착 (증발, 스퍼터링, 이온 도금, 아크 도금, 플라즈마 도금) 및 화학 기상 증착을 포함합니다. 우리 공장에서 사용되는 기술은 Physical Vapor Deposition (PVD)입니다.

하나. 진공 증발 코팅

저항 가열 증발 및 전자 빔 가열 증발 :

1. 기본 원칙 :

코팅 될 기판 또는 작업 물이 고진공 챔버에 놓여지고 박막 형성 물질을 기화 (또는 승화)시키기 위해 가열되어 기판 또는 작업 물의 표면에 증착되어 박막을 형성하는 공정.

2. 증발원의 종류 :

(a) (b) (c) (d)

3. 영화 품질에 영향을 미치는 요소들 :

A. 기판의 위치

기판의 적절한 배치는 균일 한 필름을 얻기위한 전제 조건이다.

B. 멤브레인의 질량을 보장하기 위해 압력은 Pr (Pa)만큼 낮아야합니다.

L은 증착 원으로부터 기판까지의 거리를 L (㎝)로 나타낸다.

C. 증발 속도. 증발 률이 작 으면 가스 분자가 증착 된 막 원자 (또는 분자)에 즉시 흡착되어 느슨한 막 구조, 거친 입자 및 많은 결함이 발생합니다. 반대로, 막 구조는 균일하고 콤팩트하며, 기계적 강도가 높고, 막 내부의 응력이 크다.

D. 기판 온도가 높으면 정상적인 상황에서 흡착 된 원자의 운동 에너지가 그에 따라 증가하고, 형성된 막은 결정화되기 쉽고 격자 결함을 감소시킨다. 기판 온도가 낮 으면, 흡착 된 원자를 공급하기에 충분한 에너지가 없기 때문에 비정질 막을 형성하기 쉽다.

2. 마그네트론 스퍼터링 코팅

마그네트론 스퍼터링은 1970 년대 캐소드 스퍼터링을 기반으로 개발 된 스퍼터링 코팅 방식의 새로운 유형입니다. 저 캐소드 스퍼터링 속도의 치명적인 약점과 전자에 의해 야기 된 기판 온도의 증가를 효과적으로 극복하기 때문에 빠른 개발과 폭 넓은 적용이 가능합니다.

1. 마그네트론 스퍼터링 :

타겟 표면의 원자들이 타겟 물질에 충돌하는 이온에 의해 타격되는 현상을 스퍼터링이라고합니다. 스퍼터링에 의해 생성 된 원자가 기판 (피처 리체)의 표면에 증착되면 스퍼터링 막이 실현된다.

마그네트론 스퍼터링의 기본 원리 :

마그네트론 스퍼터링은 스플래시 존 (splash zone)에 있고, 자기장은 직각 전기 강도와 자기장 BE 전자 운동 방정식에서 방향에 수직 인 타겟 표면을 따라 사이클로이드 휠 (cycloidal wheel)의 형태로 나타납니다 전자와 B의 병렬은 전자식 여정을 크게 확장시켜 가스 분자와의 전자 충돌을 증가시켜 이온화 효율을 향상시킨다. 따라서 트랙의 제어하에있는 2 차 전자 자기장은 에너지가 소모되었을 때 이온화 에너지로 사용될 수 있으며 양극 (섀시)에 의해서만 흡수됩니다. 다음 그림 :

이 전자들은 전기장에 의해 가속되어 에너지를 얻고 이온화 되더라도 기체의 원자 또는 분자들과 충돌하여 플라즈마가 유지 될 수있게합니다.

마그네트론 스퍼터링은 타겟 표면에 활주로 자기장을 추가하고 목표 표면 주위로의 이동을 확장하며 플라즈마 밀도를 향상시켜 전자의 이동을 제어하여 스퍼터링 코팅 속도를 크게 향상시킵니다.

2 차 전자 수율 :

2 차 전자 수율은 이온을 목표로 충돌하는 2 차 전자의 수를 의미합니다. 이론적 분석은 이온 에너지가 500eV 미만 (실제로는 1000eV 미만) 일 때 금속 타겟의 2 차 전자 수율이 이온 에너지와 무관하다는 것을 보여줍니다.

스퍼터링 수율 :

마그네트론 스퍼터링은 작동 전압이 200 ~ 500V이며, 이는 타겟의 최대 이온 에너지가 500eV이고 가속 된 아르곤 이온이 타겟에 수직이라는 것을 결정합니다.

입사 이온과 물질 사이의 상호 작용 :

에너지 운반 이온과 목표 표면 사이의 상호 작용은 다음을 유도합니다.

A. 표면 입자 : 스퍼터링 원자, 후방 산란 원자, 탈착 불순물 원자 및 2 차 전자.
B. 표면 물리 화학적 현상 : 세척, 에칭 및 화학 반응.
C. 재료 표층의 결함, 선 결함, 핫 스터드, 충돌 캐스케이드, 이온 주입, 비정질 상태 및 화합물을 지적하십시오.

스퍼터링 기술 :

스퍼터링 기술은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

다이오드 직류 방전에 의한 다이오드 스퍼터링;

B. 열선의 아크 방전에 의한 삼중 스퍼터링 스퍼터링;

rf 방전을 이용한 Rf 스퍼터링;

D. 밀폐 된 활주로 자기장을 이용한 글로우 방전의 마그네트론 스퍼터링 제어.

2 마그네트론 스퍼터링 캐소드 구조체 :

현재, 산업용 마그네트론 스퍼터링 장치는 주로 사각형 평면 마그네트론 스퍼터링 캐소드를 사용한다 (그림 a). 일반적으로 사용되는 타겟 재료 크기는 두 가지 사양을 갖습니다. VT 장비 : 길이 너비 두께 (450.5 120 6) mm. ZCK machine : 460 100 6. 원통형 마그네트론 스퍼터링 캐소드 역시 점차 생산 단계에서 사용됩니다 (그림 b). 그것들과 비교할 때, 평면 표적 물질의 이용률은 단지 20-30 %, 즉 이용률이 낮다.

그림 a 그림 b

그림 a는 영구 자석 트랙 직사각형 평면 마그네트론 스퍼터링 음극 (폴 슈와 접촉하는 타겟 물질)에 의해 생성되는 자기장의 일종입니다. N 극 신발을 따라 표적 물질 바깥, S 극 신발 중앙에 스트론튬 페라이트 또는 ndfeb 영구 자석의 역 극성이 적용되는 N 극 및 S 극 신발. 순수 철의 침투성을 다시 넣어 영구 자석의 다른 쪽 끝을 연결합니다. 즉, 활주로의 자기 회로의 자기장을 생성합니다.

그림 b는 원통형 중공 형 마그네트론 캐소드로 원통형 타겟에 마그넷을 배치하고 N 극과 S 극을 잘 배치하고 수냉과 다이내믹 실링을하는 캐소드 타깃입니다.
극 신발의 기능 : 매우 작은 자기 저항으로 폐쇄 된 자기 회로를 형성하는 것.

현재 우리는 일반적으로 바륨 페라이트 (BaO · 6F1e2O3), 스트론튬 페라이트 (SrO · 6F1e2O3), ndfeb 영구 자석 등 영구 자석 재료를 사용했습니다.
마그네트론 스퍼터링 전극 :
실용적인 마그네트론 스퍼터링 전극은 다음의 네 가지 기본 구조를 갖는다.

(a) 동축 실린더; (b) 평면형; (c) 콘 (S 건) 타입; (d) 평면 또는 원통 중공 형
1 - 기판; 2 - 표적 물; 3 - 방패

3 스퍼터링 공정 :
마그네트론 스퍼터링 코팅기의 드로잉 시스템 다이어그램 :

스퍼터링 프로세스 매개 변수 :

스퍼터링의 목표 전압 u와 목표 전류 밀도 J의 관계는 다음과 같다 : uJ = K1
여기서 K1은 목표 전력 밀도의 허용 값이며 상수입니다.

목표 전류 밀도는 선택된 목표 전압 및 허용 목표 전력 밀도에 따라 결정될 수있다.

Ar 압력을 낮추면 증착 속도를 향상시키고 코팅 밀착성과 필름 밀도를 향상시키는 데 도움이됩니다. 마그네트론 스퍼터링 Ar 압력은 일반적으로 0.5 Pa로 선택되며, Ar 압력이 감소함에 따라 가스 방전의 임피던스가 상승합니다. 마그네트론 스퍼터링은 Ar 압력을 적절하게 조절할 수 있으며 목표 전력 밀도와 전압을 동시에 목표 값과 최상의 값에 가깝게 만들 수 있습니다. 따라서, 증착 속도의 프로세스 원리를 개선하는 것입니다 : 목표 전력 밀도 값에 가능한 가깝게; 목표 전압은 가능한 한 최적 값에 가깝습니다.

A. 순금속의 스퍼터링 :
물리적 증기 증착에서, 증발 및 스퍼터링은 순수한 금속 필름에 적합하지만, 증발 속도는 더 빠르다.
현재 사용되는 타겟 재료는 Al, Ti, Cu, Cr 등입니다.

B. 합금 필름의 스퍼터링 :
물리 기상 증착 기술 중에서, 스퍼터링은 합금 막의 증착에 가장 적합하다. 스퍼터링 방법은 다중 타겟 스퍼터링, 모자이크 타겟 스퍼터링 및 합금 타겟 스퍼터링을 포함한다.
현재 사용되는 타겟 물질은 AlTi, ZrTi, CuTi 등을 포함한다.

C. 화합물 막의 스퍼터링 :
화합물 필름은 일반적으로 금속 원소와 C, N, B, S 및 기타 비금속 원소의 상호 조합에 의해 형성된 필름 층을 의미합니다. 도금 방법에는 dc 스퍼터링, rf 스퍼터링 및 반응성 스퍼터링이 포함됩니다.

1. Dc 스퍼터링 화합물 막이 사용되어야합니다. 예를 들어 SnO2, TiC, MoB 및 MoSi2와 같은 전도성 화합물 타겟은 분말 야금으로 만들어지며 매우 비쌉니다. ITO 투명 전도 막의 도금은 dc 스퍼터링 복합 막.

Rf 스퍼터링은 타겟이 전도성인지 아닌지에 의해 제한되지 않는다. 금속 또는 절연 세라믹 타겟이 될 수 있습니다.

3. 반응성 스퍼터링은 금속 타겟 스퍼터링과 동시에 코팅 챔버에 필요한 비 xin 요소가 포함 된 가스를 스퍼터링하는 경우입니다. TiC (흑색)는 Ti 타겟을 사용하고 작동 가스는 Ar + C2H2 또는 Ar + CH4입니다.

반응성 스퍼터링에서, 주입 된 반응 가스는 작업 대상물 상에 증착 된 막 원자와 반응하여 화합물 막을 형성 할뿐만 아니라 타겟 재료와 반응하여 타겟 표면 상에 화합물을 형성하여 타겟의 박리 속도를 만들 수있다 그에 따라 상응하는 방식으로 코팅 속도를 감소시켜 목표 중독을 일으키기 쉽다.

스퍼터링 과정에서 화합물의 시작 부분에, 순전히 순수한 Ar으로, 다음에 반응 가스 (C2H2 또는 N2 등)를 점차적으로 증가시키고, 반응 가스가 통과 할 때 스퍼터링 속도의 변화가 크지 않다 반응 가스가 일정한 한계에 도달하면, 스퍼터링 속도는 명백한 변화를 나타내고,이어서 반응 가스를 계속 증가 시키면 스퍼터링 속도는 다시 안정된 경향을 보였다. 오정렬의 곡선 사이의 특정 범위에서 역 프로세스의 방향이 "히스테리시스 곡선"이미지로 나타남을 발견했습니다. 이것을 "목표 중독 곡선"이라고합니다. 아래 참조 :

목표 중독 곡선
목표 중독을 예방하기위한 조치 :
. 진공 시스템의 추출 속도를 향상시킵니다.
반응 가스를 줄이십시오.
반응 가스를 표적으로부터 격리시킵니다.

스퍼터링 화합물 막의 예는 다음과 같다 :

멤브레인 재료
유물
기능
주석,
고속 강철 비트 및 밀링 커터
까다로운 마모
스테인레스 스틸 케이스 및 스트랩
금 장식
도자기 및 타일
금 장식
ITO
투명한 전도성 유리
투명한 전도성
SiO2
투명한 전도성 유리
나트륨 이온 확산 방지
Al2O3
집적 회로 실리콘 칩
절연 부동화
MgF2
광학 렌즈
반사를 뺀 값
안면 경련
스테인레스 스틸 전화 케이스 및 부품
장식

마그네트론 스퍼터링 이온 플레이 팅 기술 :

80 초 후에, 마그네트론 스퍼터링의 바이어스를 연결하는 것을 마그네트론 스퍼터링 이온 플레이 팅 (이후 스퍼터링 이온 도금 (Sputtreing Ion Plating, 약칭 SIP)이라고 함)이라 부른다. 저희 공장은 현재 도금 필름으로 만들어진 장비의 사용, 즉 기술의 사용을 포함합니다.

1. 마그네트론 스퍼터링 이온 도금 기술에 의한 장식용 코팅 (TiN 또는 TiC)의 제조 공정 :

2. PVD 코팅 공정 :

개요 : 영화의 요구 사항에 따라 진공 수준은 영화의 질에 중요한 역할을합니다. 우리 공장에서 생산 된 제품의 경우, 필름 형성 전의 진공도는 5.0 × 10-3pa (펌핑 시간은 약 30-60 분)에 도달해야합니다.

펌핑 가열 : 진공도에 도달하면 (예 : 2.0 10-2pa) 가열을 시작하고 회전 프레임을 엽니 다.

목적 : 제품의 표면에 흡착 된 가스 및 베이킹에 의한 진공 챔버를 제거하거나 제거하여 요구 사항을 충족시키기 위해 필름의 품질과 성능을 향상 시키지만 다음 사항에 유의해야합니다.

A. 실제 범위에서 가열이 켜지면 제품의 표면이 산화되는 것을 방지 할 수 있습니다.
B. 가열이 시작되면 턴테이블을 열어야합니다.

목표 청소 (점 표적이라고도 함) : 진공도가 일정 범위에 도달하면 대상을 열거 나 청소할 수 있습니다 (공장에서 생산 된 제품의 필요한 범위는 7.0 10-3 ~ 5.0 10-3pa입니다).

목적 : 흡착 된 기체를 제거하고 표적 표면의 코팅을 세척한다.

이온 세정 : 예열 처리 후 아티팩트, 표면에 약간의 먼지가있을 수 있으며, 약간의 산화막이있을 수 있으며, 이온 세정은 먼지와 표면 산화층을 제거하는 효과적인 방법 중 하나입니다. 진공 챔버의 고압을 채우는 Ar 가스, 글로우 방전에 의한 부정적인 바이어스, 전계 작용에 의한 Ar 이온의 이온화, 고 에너지 폭파 공예, 공작물의 표면이 튀어 나오고, 청소 및화물 표면의 활성화 목적.

성막 : 아르곤 가스가 일정한 압력에 도달하면, 타겟을 열고 스퍼터링을 위해 반응 가스를 적당량 첨가하여 최종적으로 필요한 막을 얻는다. 현재 질화물 막, 산화막 및 탄화물 막은 질소 (N2), 산소 (O2), 메탄 (CH4), 아세틸렌 (C2H2), 일산화탄소 (CO) 및 기타 가스를 통해 얻어진다.

필름 형성 과정에서주의가 필요한 사항 :

1. Ar 유량과 압력이 정상입니까?
2. 목표물을 열기 전에 바이어스 전압을주고 회전 프레임을 시작하고화물에 단락이 있는지 확인하십시오.
3. 목표 전압, 목표 전류, 압력 및 바이어스 전류는 성막 과정에서주의를 기울여야한다.

냉각 : 진공 챔버의 내부와 외부 사이의 온도차에 의해 필름 층이 응력을받지 않도록 막 형성 공정 중에 고온이 발생합니다. 성막 후, 필름을 방출하기 전에 적절한 냉각이 필요합니다.
진공 챔버 . 카고 장치 및 진공 챔버 청소.

마그네트론 스퍼터링 이온 플레이 팅의 관련 파라미터 :

마그네트론 스퍼터링 소재에는 3 가지 유형의 전기적 연결이 있습니다 : 접지, 서스펜션 및 바이어스.
코팅 장치는 일반적으로 양극으로 접지 된 진공 챔버 하우징 및 제로 전위 규정입니다.
서스펜션은 양극 (하우징)과 음극에서 공작물을 절연시키고이를 플라즈마에 부유시키는 과정입니다.
바이어스는 바이어스가 0 인 경우 수백 볼트의 수십 볼트를 공작물에 추가하는 것입니다.

1. 이온 도달 비 :

이온 플레이 팅에서, 입사 이온이 필름의 구조 및 특성에 미치는 영향은 주로 이온 에너지 및 이온 플럭스에 의존한다.
이온 플레이 팅에서, 각 증착 된 원자에 입사 이온에 의해 얻어진 에너지를 에너지 이득 값이라고합니다.
Ea = Ei (ev)
Ei의 유형은 입사 이온 (ev)의 에너지이며, 이온이 a보다 도달하기위한 I / ΦΦ입니다.

2. 바이어스 및 전류 :

이온 플레이 팅의 실제 공정 변수는 바이어스 전압과 워크 피스의 전류 밀도입니다. 현재, TiN 또는 TiC 공정의 도금 공장에는 바이어스 제어가 -100 ~ -400V, 바이어스 전류가 2 ~ 6A 정도가 추가됩니다. .

3. 펄스 스퍼터링 :

펄스 스퍼터링은 일반적으로 장방형 파 전압을 사용합니다.

펄스주기는 T이고, 각 사이클의 타겟 스퍼터링 시간은 t-δT이며, δT는 타겟에 가산 된 양의 펄스 시간 (폭)이다 .V- 및 V +는 타겟이됩니다.

4. 수술 중 이상한 경우 :

현재 생산에 사용되는 주요 모델은 vt-1200, SVS 및 COM 연속 코팅 기계, zck-1500 및 기타 다양한 유형의 대상 장비입니다.

비정상 현상
그 결과
에이.
목표물을 씻어 내면 차폐막이 잘 안 맞습니다.
제품의 표면이 오염되어 폭발 코팅 후 제품의 필름이 생겼습니다.
비
이온 세정시 바이어스 단락이 발생합니다.
막 형성 후 기능 테스트 NG (거부 됨)
기음
성막 과정에서 반응 가스 유량이 너무 커서 (예 : C2H2), 목표 중독을 초래합니다
제품이 노에서 나오면 필름 코팅 또는 색상 얼룩이 뚜렷한 현상이 분명합니다.
디
목표 개방 도중에 목표 냉각수가 열리지 않는다.
장비 손상, 심각한 사상자

IKS PVD, 진공 코팅기, 연락처 : iks.pvd@foxmail.com