Физическое осаждение из паровой фазы

Физическое осаждение из паровой фазы ( PVD ), иногда называемое физическим переносом паровой фазы ( PVT ), описывает множество методов вакуумного осаждения , которые могут быть использованы для получения тонких пленок и покрытий на подложках, включая металлы, керамику, стекло и полимеры. PVD характеризуется процессом, в котором материал переходит из конденсированной фазы в паровую фазу, а затем обратно в тонкопленочную конденсированную фазу. Наиболее распространенными процессами PVD являются распыление и испарение . PVD используется при производстве изделий, которым требуются тонкие пленки для оптических, механических, электрических, акустических или химических функций. Примерами являются полупроводниковые приборы, такие как тонкопленочные солнечные элементы , ^[1] микроэлектромеханические приборы, такие как тонкопленочный объемный акустический резонатор, алюминизированная ПЭТ- пленка для упаковки пищевых продуктов и воздушных шаров , ^[2] и режущие инструменты с покрытием из нитрида титана для металлообработки. Помимо инструментов PVD для изготовления, были разработаны специальные более мелкие инструменты, используемые в основном в научных целях. ^[3]

Исходный материал неизбежно также осаждается на большинстве других поверхностей внутри вакуумной камеры, включая крепление, используемое для удержания деталей. Это называется перелетом.

Примеры

Катодно-дуговое осаждение : мощная электрическая дуга, разряжаемая на материале мишени (источника), превращает часть материала в высокоионизированный пар, который осаждаться на заготовке.
Электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы : осаждаемый материал нагревается до высокого давления паров посредством электронной бомбардировки в «высоком» вакууме и транспортируется путем диффузии для осаждения путем конденсации на (более холодную) заготовку.
Испарительное осаждение : осаждаемый материал нагревается до высокого давления паров путем электрического резистивного нагрева в «высоком» вакууме. ^[4]^[5]
При сублимации в закрытом пространстве материал и подложка размещаются близко друг к другу и нагреваются излучением.
Импульсное лазерное напыление : мощный лазер испаряет материал с мишени, превращая его в пар.
Термическая лазерная эпитаксия : лазер непрерывного действия испаряет отдельные, отдельно стоящие элементарные источники, которые затем конденсируются на подложке.
Напыление : тлеющий плазменный разряд (обычно локализованный вокруг «мишени» с помощью магнита) бомбардирует материал, распыляя часть его в виде пара для последующего осаждения.
Импульсное электронное осаждение: высокоэнергетический импульсный электронный пучок удаляет материал с мишени, создавая поток плазмы в неравновесных условиях.
Метод сублимационного сэндвича : используется для выращивания искусственных кристаллов ( карбида кремния , SiC).

Метрики и тестирование

Для измерения физических свойств покрытий PVD можно использовать различные методы характеризации тонких пленок, такие как:

Кало-тестер : испытание толщины покрытия
Наноиндентирование : испытание твердости тонкопленочных покрытий
Тестер «штифт-диск» : испытание на износ и коэффициент трения
Скретч-тестер: тест на адгезию покрытия
Рентгеновский микроанализатор: исследование структурных особенностей и неоднородности элементного состава поверхностей роста ^[6]

Сравнение с другими методами осаждения

Преимущества

Покрытия PVD иногда более твердые и более устойчивые к коррозии , чем покрытия, нанесенные гальваническим способом. Большинство покрытий имеют высокую температуру и хорошую ударную прочность, отличную стойкость к истиранию и настолько долговечны, что защитные верхние покрытия требуются редко.
Покрытия PVD позволяют использовать практически любой тип неорганических и некоторые органические материалы для покрытия на столь же разнообразной группе подложек и поверхностей с использованием широкого спектра финишных покрытий.
Процессы PVD часто более экологичны, чем традиционные процессы нанесения покрытий, такие как гальванопокрытие и окраска. ^[7]
Для нанесения одной и той же пленки можно использовать несколько методов.
PVD можно выполнять при более низких температурах по сравнению с химическим осаждением из паровой фазы (CVD) и другими термическими процессами. ^[8] Это делает его пригодным для покрытия чувствительных к температуре подложек, таких как пластики и некоторые металлы, не вызывая повреждений или деформаций. ^[9]
Технологии PVD можно масштабировать от небольших лабораторных установок до крупных промышленных систем, предлагая гибкость для различных объемов и размеров производства. Эта масштабируемость делает ее доступной как для исследовательских, так и для коммерческих приложений. ^[8]

Недостатки

Определенные технологии могут накладывать ограничения; например, перенос по линии прямой видимости типичен для большинства методов нанесения покрытий PVD, однако некоторые методы позволяют полностью покрывать сложные геометрические формы.
Некоторые технологии PVD работают при высоких температурах и вакууме, требуя особого внимания со стороны обслуживающего персонала, а иногда и системы водяного охлаждения для рассеивания больших тепловых нагрузок.

Приложения

Анизотропные стекла

PVD может использоваться в качестве приложения для изготовления анизотропных стекол с низкой молекулярной массой для органических полупроводников . ^[10] Параметр, необходимый для образования этого типа стекла, — это молекулярная подвижность и анизотропная структура на свободной поверхности стекла. ^[10] Конфигурация полимера важна там, где его нужно расположить в более низком энергетическом состоянии, прежде чем добавленные молекулы закопают материал через осаждение. Этот процесс добавления молекул в структуру начинает уравновешиваться и набирать массу и увеличиваться, чтобы иметь большую кинетическую стабильность. ^[10] Упаковка молекул здесь через PVD является лицевой стороной, то есть не на длинном конце, что также позволяет дополнительно перекрывать pi-орбитали, что также увеличивает стабильность добавленных молекул и связей. Ориентация этих добавленных материалов зависит в основном от температуры, когда молекулы будут осаждены или извлечены из молекулы. ^[10] Уравновешивание молекул — это то, что обеспечивает стеклу его анизотропные характеристики. Анизотропия этих стекол ценна, поскольку она обеспечивает более высокую подвижность носителей заряда. ^[10] Этот процесс упаковки в стекло анизотропным способом ценен из-за своей универсальности и того факта, что стекло обеспечивает дополнительные преимущества помимо кристаллов, такие как однородность и гибкость состава.

Декоративные аппликации

Изменяя состав и продолжительность процесса, можно получить ряд цветов с помощью PVD на нержавеющей стали. Полученный цветной продукт из нержавеющей стали может выглядеть как латунь, бронза и другие металлы или сплавы. Эта нержавеющая сталь, окрашенная PVD, может использоваться в качестве внешней облицовки зданий и сооружений, таких как скульптура Vessel в Нью-Йорке и The Bund в Шанхае. Она также используется для внутренней отделки, панелей и светильников и даже используется в некоторых потребительских электронных устройствах, таких как отделки Space Gray и Gold на iPhone и Apple Watch. ^{[ необходима цитата ]}

Режущие инструменты

PVD используется для повышения износостойкости поверхностей стальных режущих инструментов и снижения риска адгезии и прилипания между инструментами и заготовкой. Сюда входят инструменты, используемые в металлообработке или литье пластмасс под давлением . ^[11]^{: 2} Покрытие обычно представляет собой тонкий керамический слой толщиной менее 4 мкм, который имеет очень высокую твердость и низкий коэффициент трения. Необходимо иметь высокую твердость заготовок, чтобы обеспечить размерную стабильность покрытия и избежать хрупкости. Можно комбинировать PVD с плазменным азотированием стали для увеличения несущей способности покрытия. ^[11]^{: 2} Нитрид хрома (CrN), нитрид титана (TiN) и карбонитрид титана (TiCN) могут использоваться для покрытия PVD для литьевых форм из пластика. ^[11]^{: 5}

Другие приложения

Покрытия PVD обычно используются для повышения твердости, повышения износостойкости и предотвращения окисления. Они также могут использоваться в эстетических целях. Таким образом, такие покрытия используются в широком спектре приложений, таких как:

Аэрокосмическая промышленность
Архитектурные скобяные изделия, панели и листы
Автомобильная промышленность
Красители и формы
Огнестрельное оружие
Оптика
Часы
Ювелирные изделия
Применение тонких пленок (тонировка окон, упаковка пищевых продуктов и т. д.) ^{[ необходима ссылка ]}

Смотрите также

HPCVD – Метод тонкопленочного осаждения
Химическое осаждение из паровой фазы – метод, используемый для нанесения поверхностных покрытий.
Ионное покрытие – метод покрытия твердых поверхностей ионами.
Тонкопленочное осаждение – Тонкий слой материала – Осаждение тонкого слоя материала
Осаждение с помощью ионного пучка – Технология материаловедения

Ссылки

^ Selvakumar, N.; Barshilia, Harish C. (1 марта 2012 г.). «Обзор спектрально-селективных покрытий, нанесенных методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), для средне- и высокотемпературных солнечных тепловых применений» (PDF) . Материалы и солнечные элементы для солнечной энергетики . 98 : 1–23. doi :10.1016/j.solmat.2011.10.028.
^ Хэнлон, Джозеф Ф.; Келси, Роберт Дж.; Форчинио, Халли (23 апреля 1998 г.). "Глава 4 Покрытия и ламинирование". Справочник по проектированию упаковки, 3-е издание . CRC Press. ISBN 978-1566763066.
^ Фортунато, Э.; Баркинья, П.; Мартинс, Р. (12 июня 2012 г.). «Оксидно-полупроводниковые тонкопленочные транзисторы: обзор последних достижений». Advanced Materials . 24 (22): 2945–2986. doi : 10.1002/adma.201103228 . ISSN 1521-4095. PMID 22573414. S2CID 205242464.
^ Хе, Чжэньпин; Кретцшмар, Илона (6 декабря 2013 г.). «Шаблонно-ассистированная GLAD: подход к одиночным и многослойным лоскутным частицам с контролируемой формой лоскута». Ленгмюр . 29 (51): 15755–15761. doi :10.1021/la404592z. PMID 24313824.
^ Хе, Чжэньпин; Кретцшмар, Илона (18 июня 2012 г.). «Изготовление неоднородных частиц с однородными участками с помощью шаблона». Ленгмюр . 28 (26): 9915–9919. doi :10.1021/la3017563. PMID 22708736.
^ Дунаев А.А., Егорова ИЛ (2015). «Свойства и оптическое применение поликристаллического селенида цинка, полученного методом физического осаждения из паровой фазы». Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (3): 449–456. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-3-449-456 .
^ Грин, Джулисса (1 сентября 2023 г.). «Испарение электронным лучом против термического испарения». Stanford Advanced Materials . Получено 8 июля 2024 г.
^ ab Donald M. Mattox (2010). "Глава 1: Введение". Справочник по физическому осаждению из паровой фазы (PVD) (второе издание) . William Andrew Publishing. стр. 1–24. ISBN 9780815520375.
^ Mikell P. Groover (2019). "Глава 24: Приложения для обработки поверхности". Основы современного производства: материалы, процессы и системы, 7-е издание . Wiley. стр. 648. ISBN 9781119475217.
^ abcde Gujral, Ankit; Yu, Lian; Ediger, MD (1 апреля 2018 г.). «Анизотропные органические стекла». Current Opinion in Solid State and Materials Science . 22 (2): 49–57. Bibcode : 2018COSSM..22...49G. doi : 10.1016/j.cossms.2017.11.001 . ISSN 1359-0286. S2CID 102671908.
^ abc "UDDEHOLM ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ PVD-ПОКРЫТИЙ" (PDF) . 2020.

Дальнейшее чтение

Андерс, Андре, ред. (3 октября 2000 г.). Справочник по плазменно-иммерсионной ионной имплантации и осаждению . Wiley-VCH. ISBN 978-0471246985.
Бах, Ганс; Краузе, Дитер (10 июля 2003 г.). Тонкие пленки на стекле . Springer. ISBN 978-3540585978.
Баншах, Ройтан Ф. (31 декабря 1994 г.). Справочник по технологиям осаждения пленок и покрытий (второе издание). William Andrew Publishing. ISBN 978-0815517467.
Глейзер, Ханс Иоахим (2000). Стеклянное покрытие большой площади . Фон Арденне Анлагентехник ГМБХ. ISBN 978-3000049538.
Глокер, Д.; Шах, С. (17 декабря 2001 г.). Справочник по технологии тонкопленочных процессов . CRC Press. ISBN 978-0750308328.
Mahan, John E (1 февраля 2000 г.). Физическое осаждение тонких пленок из паровой фазы . Wiley-Interscience. ISBN 978-0471330011.
Мэттокс, Дональд М. (19 мая 2010 г.). Справочник по физическому осаждению из паровой фазы (PVD) (второе издание). William Andrew Publishing. ISBN 978-0-815-52037-5.
Мэттокс, Дональд М. (14 января 2004 г.). Основы технологии вакуумного покрытия . William Andrew Publishing. ISBN 978-0815514954.
Мэттокс, Дональд М.; Мэттокс, Вививен Харвуд (2007). 50 лет технологии вакуумного покрытия и рост общества вакуумных напылителей . Общество вакуумных напылителей. ISBN 978-1878068279.
Оринг, Милтон (26 октября 2001 г.). Материаловедение тонких пленок, второе издание . Academic Press. ISBN 978-1493301720.
Powell, Carroll F.; Oxley, Joseph H.; Blocher, John Milton (1966). Klerer, J. (ред.). "Vapor Deposition". Журнал Электрохимического Общества . 113 (10). Электрохимическое Общество: 226–269. ASIN B007T4PDL6. Bibcode : 1966JElS..113..266P. doi : 10.1149/1.2423765.
Снайдер, Тим (6 мая 2013 г.). «Что такое колеса PVD — спросите NASA». 4wheelonline.com . 4WheelOnline.com . Получено 3 октября 2019 г. .
Westwood, William D (2003). Sputter Deposition - Серия книг Комитета по образованию AVS, том 2. Комитет по образованию, AVS. ISBN 978-0735401051.
Willey, Ronald R (15 декабря 2007 г.). Практический мониторинг и управление тонкими оптическими пленками . Willey Optical, Consultants. ISBN 978-0615181448.
Willey, Ronald R (27 октября 2007 г.). Практическое оборудование, материалы и процессы для оптических тонких пленок . Willey Optical, Consultants. ISBN 978-0615143972.

Внешние ссылки

"Society of Vacuum Coaters". svc.org . Society of Vacuum Coaters . Получено 3 октября 2019 г. .
Raghu, Saril (19 апреля 2009 г.). Physical Vapor Desposition Tool. YouTube.com. Архивировано из оригинала 19 декабря 2021 г. Получено 3 октября 2019 г.