Равномерный контроль магнетронного напыления на сложной поверхности детали

Равномерный контроль магнетронного напыления на сложной поверхности детали

В данной статье представлен механизм нанесения пленочного покрытия и технические характеристики поверхности заготовки со сложной полостью. Для решения таких проблем, как неравномерный расход материала мишени, вогнутое эрозионное кольцо и неравномерная и плотная толщина пленки в процессе нанесения покрытия на сложную заготовку, в эксперименте использовалась вращающаяся столбчатая мишень для магнетронного распыления . Несколько мишеней и материалов были установлены в разных положениях лакировочной машины. Мишень может свободно вращаться, чтобы понять необходимость направленного покрытия; Использование многоцелевого магнетронного распыления мишени и установка вспомогательного магнитного поля несбалансированного магнетронного катодного распыления мишени, улучшение структуры плазмы вакуумного покрытия камеры, тем самым улучшение распыления артефактов смещения тока осаждения покрытия и т. Д. Серия инновационных исследований, предназначенных для достижения в одной плоскости, со сложной формой и структурой внутренней полости, на поверхности заготовки толщина покрытия равномерная, плотная и непрерывная, функциональная, композитная пленка.

По краям и гораздо более сложным, чем покрытие поверхности резонатора, технология химического покрытия, применяемая в настоящее время в стране и за рубежом, более эффективна, как и при обработке покрытия поверхности детали технологией вакуумного магнетронного распыления пленки, в настоящее время в основном в правило и плоская поверхность для подготовки к одной или составной мембране, и широко используется в машиностроении, электронике, энергетике, материалах, информации , аэрокосмической и других областях, таких как режущие инструменты, аппаратные средства, мобильные телефоны, ноутбуки к различным типам датчиков и деталей предъявляются особые требования и т. д. Из-за особенностей технологии вакуумной пленкообразования трудно и сложно контролировать толщину пленки, равномерность и силу сцепления процесса формования распыляемой пленки на поверхности сложной заготовки. С быстрым развитием машиностроения, область применения технологии покрытия поверхности заготовки расширилась от режущих инструментов до прецизионных штамповочных штампов, аэрокосмических деталей и плагинов электронных аксессуаров. Появляются новые высокоэффективные пленочные слои, такие как TiAlCN, AlCrN, TiSiN, алмазоподобный слой и т. Д., Которые увеличивают срок службы и эффективность обработки матрицы. Очень важно изучить равномерный контроль технологии нанесения магнетронного напыления на поверхность сложной детали.

1. Механизм и технические характеристики магнетронного напыления покрытия

1.1 механизм нанесения магнетронного распыления

Рабочий механизм магнетронного распыления заключается в том, что под действием электрического поля E электроны в процессе полета к подложке сталкиваются с атомами аргона и ионизируют положительный ион Ar и новые электроны. Новые электроны летят на подложку, ионы Ar ускоряются к катодной мишени под действием электрического поля и бомбардируют поверхность мишени высокой энергией, так что мишени теряют нагрузку. В распыляемых частицах нейтральные атомы или молекулы мишени осаждаются на подложке, образуя тонкую пленку, и на генерируемые вторичные электроны воздействует электрическое поле и магнитное поле, чтобы вызвать дрейф ЭБ, траектория движения которого подобна циклоиде. Электроны движутся круговым движением по поверхности мишени и связаны с областью плазмы на поверхности мишени. В этой области большое количество ионов Ar ионизируется для бомбардировки мишени, что обеспечивает высокую скорость осаждения. С увеличением числа столкновений энергия вторичных электронов истощается, и они постепенно удаляются от поверхности мишени и, наконец, осаждаются на подложке под действием электрического поля E. Магнетронное распыление - это процесс столкновения между падающие частицы и цель. Он передает некоторый импульс атому-мишени через сложный процесс рассеяния и столкновения атома-мишени. Целевой атом сталкивается с другими целевыми атомами, образуя каскадный процесс.

1.2 Характеристики технического применения

Магнетронное распыление - это высокоскоростной процесс распыления под низким давлением. Скорость ионизации газа должна быть эффективно увеличена. Плотность плазмы может быть увеличена путем введения магнитного поля на поверхность катода-мишени и использования ограничения магнитного поля на заряженные частицы для увеличения скорости распыления.

При магнетронном распылении движение электронов в магнитном поле осуществляется силой Лоренца, их траектория изгибается и даже создает спиральное движение, траектория движения которого, таким образом, увеличивается число столкновений с рабочим газом, плотность плазмы увеличивается, поэтому скорость магнетронного распыления значительно улучшенный, и может работать при низком напряжении распыления и давлении воздуха, уменьшить тенденцию загрязнения мембраны; В то же время атомная энергия, падающая на поверхность подложки, увеличивается, поэтому качество пленки может быть значительно улучшено. Электроны, которые потеряли энергию из-за повторяющихся столкновений, достигают анода и становятся электронами низкой энергии, так что подложка не перегревается. Следовательно, магнетронное распыление имеет преимущества «высокой скорости» и «низкой температуры». Недостатком магнетронного распыления является то, что оно не может подготовить изолирующую пленку, а неравномерное магнитное поле, используемое в магнетронном электроде, вызовет значительное неравномерное травление мишени. материала, что приводит к низкой степени использования целевого материала, которая обычно составляет всего 20% ~ 30%. Степень использования мишени для магнетронного распыления является важным параметром для расчета стоимости проектирования и производства магнетронного распыления в процессе проектирования. Для повышения коэффициента использования материалов-мишеней были изучены различные формы динамических целей, среди которых цилиндрическая мишень с вращающимся магнитным полем была основной целью и широко использовалась в промышленности, а коэффициент использования таких материалов-мишеней достигал 70%. .Общие цели магнетронного распыления можно разделить на три типа из геометрической формы: прямоугольная плоская мишень, круговая плоскость та Ргет и цилиндрическая мишень.

2. Равномерный контроль напыления покрытия на поверхности заготовок со сложными полостями.

2.1 существующие технические проблемы

(1) катодной мишенью является плоское распыление, которое вызвано локальным сильным напылением, вызванным неравномерными компонентами магнитного поля, что приводит к неравномерному расходу мишени и вогнутого эрозионного кольца. (2) поверхность заготовки осаждается и покрывается несколькими слоями пленки, а прочность соединения между нижним слоем и слоем пленки не является однородной и твердой. В то же время возникают явления распыления различных компонентов и антираспылительный эффект слоя пленки, что приводит к большим различиям в составе слоя пленки и мишени.

2.2 Технический анализ и научная концепция

(1) поверхность заготовки с несколькими краями и углами и несколькими полостями осаждается и покрывается несколькими слоями пленки. Планируется использовать вращающуюся столбчатую магнетронную мишень для распыления, и несколько мишеней и материалов устанавливаются в разных положениях машины для нанесения покрытия. Мишень может свободно вращаться для достижения необходимости направленного покрытия. (2) множество магнетронных мишеней для распыления и вспомогательных магнитных полей были установлены для улучшения структуры неуравновешенных мишеней для магнетронного распыления, улучшения плотности плазмы в камере вакуумного нанесения покрытия и дальнейшего улучшения смещения потока распыляемой детали для достижения осаждения и нанесения покрытия. (3) компонент неравномерного магнитного поля плоской катодной мишени для распыления создает вогнутое эрозионное кольцо в мишени. Он предназначен для изменения распределения магнитного поля для достижения изотропного внутреннего напряжения сложной заготовки при распылении на подложку, а также для объединения плотной, непрерывной и однородной пленки.

2.3 Экспериментальные методы и технический маршрут

2.3.1 экспериментальные материалы

В эксперименте использовалось шестистанционное оборудование для магнетронного распыления, которое в основном состояло из системы сбора вакуума, обнаружения вакуума, вакуумной печи, катодного магнетрона, системы ввода газа и источника питания. Физическое осаждение из паровой фазы методом магнетронного распыления PVD. Материалы катода: Ti, TiN, TiAlN, покрытие Ti, TiN, TiN, TiAlN, многослойная многослойная пленка.

2.3.2 Качество обнаружения пленочного слоя (таблица 1)

2.3.3 экспериментальные методы

Сложная поверхность напыления пленки заготовки была подготовлена методом напыления ионным покрытием. Для решения технических проблем комплексного покрытия детали были проведены следующие экспериментальные исследования.

(1) катодной мишенью является плоское распыление, а локальное сильное распыление, вызванное неравномерными компонентами магнитного поля, приводит к неравномерному расходу целевого материала. Улучшая форму и распределение магнитного поля, заставляя магнит перемещаться внутри катода, устанавливая экран и другие меры, осознается, что пленочное покрытие заготовки с несколькими краями и углами и множеством полостей, напыляемых на подложку, может генерировать изотропное внутреннее напряжение, и пленка компактная, непрерывная и однородная. Структура сбалансированной мишени для распыления в основном состоит из внешней магнитной стали, центральной магнитной стали и сапог с магнитным полюсом.

(2) в соответствии с требованием распыления на поверхности покрытия сложной заготовки с несколькими ребрами и углами и множеством полостей для достижения структурных требований к целевому материалу и цели, была принята вращающаяся столбчатая магнетронная мишень для распыления. В соответствии с различными условиями заготовки использовались распыляемые мишени с магнитной структурой или структурой распыления. Гиромагнитная цилиндрическая магнетронная мишень представляет собой использование магнитного поля вокруг мишени трубопровода, параллельной и вертикальной составляющей электрического поля мишени, на поверхности трубы мишени, на поверхности трубы, ортогонального электромагнитного поля, установки мишени в центре камеры осаждения, около 360 ° в направлении вращения покрытия; Цилиндрическая мишень для магнетронного распыления установлена на стороне камеры для нанесения покрытия. Целевая труба постоянно вращается во время процесса нанесения покрытия, чтобы удовлетворить потребность в направленном покрытии.

(3) явление селективного распыления различных компонентов, скорость анти-распыления пленки и адгезия различны, что приведет к большой разнице между пленкой и целевыми компонентами. Выбор подходящих условий процесса сведет к минимуму эффект распыления на пленке.

(4) использование мишени с множественным магнетронным распылением и установка вспомогательного магнитного поля в комнате для нанесения покрытия составляют замкнутое магнитное поле, если только нет распределения магнитного поля перед мишенью, целью между мишенью и путем установки эффекта вспомогательного магнитного поля, Формируют друг друга эффект сшивания, делают увеличение плотности плазмы, смещение артефактов, так что больше кромок и полостей заготовки для достижения цели нанесенного покрытия. ИНЖИР. На фиг.1 показана принципиальная схема замкнутого магнитного поля, образованного четырьмя неравновесными магнетронными мишенями для распыления и вспомогательным магнитным полем.

2.4 Экспериментальные результаты и обсуждение

С декабря 2012 года по февраль 2013 года были проведены испытания напылительного покрытия на поверхности малой заготовки штамповочной формы и устройства связи соответственно. Образцы образцов мелкой штамповочной формы, полученные в результате испытаний: результаты теста: внешний вид пленки хороший, трещин нет; толщина пленки от 1 м. ~ 5 м; Однородность пленки была менее 5%; Скорость малых отверстий; Твердость пленки до 2000 HV; Высокая прочность сцепления; Сильная адгезия, отсутствие отслаивания инжекционного слоя; Отличная коррозионная стойкость, термостойкость и стойкость к истиранию; Изотропная; скорость ионизации частиц материала составляет 75% ~ 95%. Скорость осаждения пленки контролируется (2,0 ~ 2000) нм / с; скорость формирования пленки (2 ~ 13) м / ч. Все показатели в испытаниях достигли проектных требований, а Результаты композитной пленки на поверхности устройств связи также достигли ожидаемого эффекта. Целесообразно изучить единообразные меры контроля нанесения магнетронного напыления на поверхность заготовки с несколькими ребрами и углами и множеством полостей.

IKS PVD, Инструменты, модель, декоративные, технологии оптического покрытия, свяжитесь с нами сейчас, iks.pvd@ foxmail.com