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       PVD是物理氣相沉積技術(shù)（Physical Vapor Deposition）的簡稱，是指在真空條件下，采用物理的方法將材料（俗稱靶材或膜料）氣化成氣態(tài)分子、原子或離子，并將其沉積在工件形成具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)，常見的PVD沉積技術(shù)有：蒸發(fā)技術(shù)、濺射技術(shù)、電弧技術(shù)。

       離子鍍膜技術(shù)是PVD技術(shù)的一種，是指在PVD沉積過程中，被鍍材料形成金屬或者非金屬等離子體（如Ti離子，N離子），等離子體在偏壓電場(chǎng)的作用下，沉積在工件表面上。由于離子鍍過程中，離子的能量更強(qiáng)，離子繞射性更好，膜層的結(jié)合力更好，膜層致密性也更好，膜層性能更好。

       離子鍍膜技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，常見的有：裝飾性鍍膜，工具模具硬質(zhì)鍍膜以及各種功能膜層。

      磁控濺射技術(shù)可制備裝飾薄膜、硬質(zhì)薄膜、耐腐蝕摩擦薄膜、超導(dǎo)薄膜、磁性薄膜、光學(xué)薄膜，以及各種具有特殊功能的薄膜，是一種十分有效的薄膜沉積方法，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

     “濺射”是指具有一定能量的粒子（一般為Ar+離子）轟擊固體（靶材）表面，使得固體（靶材）分子或原子離開固體，從表面射出，沉積到被鍍工件上。磁控濺射是在靶材表面建立與電場(chǎng)正交磁場(chǎng)，電子受電場(chǎng)加速作用的同時(shí)受到磁場(chǎng)的束縛作用，運(yùn)動(dòng)軌跡成擺線，增加了電子和帶電粒子以及氣體分子相碰撞的幾率，提高了氣體的離化率，提高了沉積速率。

     磁控濺射技術(shù)比蒸發(fā)技術(shù)的粒子能量更高，膜基結(jié)合力更好，“磁控濺射離子鍍膜技術(shù)”就是在普通磁控濺射技術(shù)的基礎(chǔ)上，在被鍍工件表面加偏壓，金屬離子在偏壓電場(chǎng)的作用力下，沉積在工件表面，膜層質(zhì)量和膜基結(jié)合力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通的磁控濺射鍍膜技術(shù)。

     根據(jù)靶材的形狀，磁控濺射靶可分為圓形磁控濺射靶、平面磁控濺射靶和柱狀磁控濺射靶。圓形靶主要用于科研和少量的工業(yè)應(yīng)用，平面靶和柱狀靶在工業(yè)上廣泛使用，特別是柱狀靶，憑借超高的靶材利用率和穩(wěn)定的工作狀態(tài)，越來越多的被使用。

匯成第四代陰極電弧技術(shù)的簡稱，特點(diǎn)如下：

       ①采用永磁和脈沖電磁的復(fù)合磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，弧斑移動(dòng)更快，弧斑更細(xì)碎，有效抑制“微液滴”；

       ②通過脈沖電磁場(chǎng)電壓和頻率的變化，能夠控制弧斑的運(yùn)動(dòng)，使得靶材燒蝕更加均勻，靶材利用率高；

       ③復(fù)合磁場(chǎng)能夠?qū)⒌入x子體推向被鍍工件，增強(qiáng)了工件附近的等離子密度，改變了沉積反應(yīng)環(huán)境;

       ④可實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層微觀組織結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，大幅度提高涂層的綜合性能。

第二代增強(qiáng)磁控電弧涂層技術(shù)獨(dú)有的磁場(chǎng)控制技術(shù)使電弧在靶材整個(gè)表面做快速的移動(dòng)，靶材表面被均勻刻蝕，涂層表面光滑致密，優(yōu)化了涂層結(jié)合力。

技術(shù)特點(diǎn)：

   （1）電磁和永磁復(fù)合磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。

   （2）提高靶材利用率。

   （3）增強(qiáng)等離子體密度。

   （4）有效抑制“大液體”。

   （5）增大有效鍍區(qū)。

電磁過濾陰極技術(shù)（EFC）

脈沖電磁場(chǎng)與固定磁場(chǎng)復(fù)合在整個(gè)靶材表面掃描使靶材表面被均勻刻蝕，獨(dú)有的電磁電源可以正反方向輸出，控制弧斑在靶面均勻縮放，減少大顆粒的產(chǎn)生，涂層致密光滑。

特點(diǎn)：

• 制備新金屬化合物，或制備氮化物薄膜（氮?dú)夥諊?
• 制備非晶碳，納米鉆石以及碳納米管的納米顆粒
• 用熱電材料靶材制備熱電效應(yīng)薄膜

      類金剛石涂層經(jīng)常適用于汽車引擎以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦，黑色的色彩使DLC涂層在作為裝飾涂層(如:手表)上受到廣泛歡迎，并且由于其較低摩擦和無粘連系數(shù)，使其很好的運(yùn)用在工具涂層。DLC涂層技術(shù)非常適用于機(jī)械的加工和鑄造/鍛造，以及鋁及塑料注塑模具的涂層。

類金剛石(DLC)涂層技術(shù)：

      不同類型的類金剛石涂層，具有不同的生產(chǎn)技術(shù)。DLC涂層適用于極端磨損情況和高相對(duì)速度，甚至是在無潤滑運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下使用，具有卓越的耐磨蝕性、抗摩擦氧化性和附著性（防磨損），可承受在正常條件下會(huì)立刻導(dǎo)致磨損和冷焊的表面壓力，將摩擦損失降至最小，良好的耐腐蝕性使基體免受破壞性攻擊。

       HIPIMS是高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（High power impulse magnetron sputtering）的簡稱，其原理是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產(chǎn)生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術(shù)，HIPIMS的峰值功率可以達(dá)到MW級(jí)別，但由于脈沖作用時(shí)間短，其平均功率與普通磁控濺射一樣，這樣陰極不會(huì)因過熱增加靶材冷卻。HIPIMS綜合了磁控濺射低溫沉積、表面光滑、無顆粒缺陷和電弧離子鍍金屬離化率高、膜層結(jié)合力強(qiáng)、涂層致密的優(yōu)點(diǎn)，且離子束流不含大顆粒，在控制涂層微結(jié)構(gòu)的同時(shí)獲得優(yōu)異的膜基結(jié)合力，在降低涂層內(nèi)應(yīng)力及提高膜層致密性、均勻性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是PVD發(fā)展史上近30年來很重要的一項(xiàng)技術(shù)突破，特別是在硬質(zhì)涂層和功能涂層的應(yīng)用方面有顯著優(yōu)勢(shì)。

 

表1  HIPIMS與直流磁控管參數(shù)比較

參數(shù)	HIPIMS	直流磁控管
工作壓力	10-4~10-2 Torr	10-4~10-2 Torr
陰極電流密度	JMAX≤10A/cm2	JMAX≤0.1A/cm2
放電電壓	0.5 – 1.5 kV	0.3 – 0.6 kV
血漿密度	≤ 1013 cm-3	≤ 1011 cm-3
陰極功率密度	1 – 3 kW/cm2	< 0.1 kW/cm2
電離分?jǐn)?shù)	30% – 90%	< 1%

      HIPIMS中靶材上的高峰值功率脈沖導(dǎo)致等離子體電子密度高達(dá)10₁₉m_-3，這比DCMS濺射法高三個(gè)數(shù)量級(jí)。這些高的等離子體密度促進(jìn)濺射材料的電離，形成電離的濺射材料通量，其中電離分?jǐn)?shù)可達(dá)到90％。離子通量受到電磁力的作用，因此可以控制其方向和能量。通過精確控制，目標(biāo)材料離子通量可用于執(zhí)行基板預(yù)處理以及增強(qiáng)薄膜和器件性能。增強(qiáng)的示例包括增加的膜密度以及膜附著力的顯著改善。

      對(duì)大多數(shù)中碳合金結(jié)構(gòu)鋼零件， 其硬度較硬質(zhì)膜低的多，僅沉積幾微米厚的PVD膜層，難以有效地提高其 耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗塑性變形能力。鋼鐵滲氮后，在其表面形成氮的化合物和擴(kuò)散層，提高了零件表層硬度。 氮化件較未滲氮件更適合作為PVD膜層的基體。

刻蝕技術(shù)是氣體離子刻蝕及輔助沉積技術(shù)的簡稱，基本原理如下：

       ① 在涂層前，利用GIS氣體離子源將氬氣和氫氣離化，產(chǎn)生的氣體離子（Ar+和H+）在偏壓作用下，對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行刻蝕清洗；

       ② 在涂層中，利用GIS氣體離子源將氬氣、氮?dú)狻⒀鯕獾确磻?yīng)氣體離化，輔助濺射或電弧沉積；

刻蝕技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

      ① 氣體等離子體能量范圍寬，可強(qiáng)可弱，適用于各種類型的工件；

      ② 有效去除表面氧化層，刻蝕清洗效果更徹底，膜基結(jié)合力好；

      ③ 輔助沉積，有利于涂層致密性、改善鍍膜均勻性；

      離子輔助蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，是在傳統(tǒng)的蒸發(fā)鍍膜的基礎(chǔ)上，利用離子鍍的原理，提高蒸發(fā)鍍膜的離化率，進(jìn)而提高蒸發(fā)鍍膜層的性能。

      離子輔助蒸發(fā)技術(shù)鍍鋁技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種軍用、民用的防腐功能涂層，用于替代電鍍，例如：釹鐵硼表面鍍鋁防腐，航空緊固件鍍鋁防腐等。

       磁控濺射是一種理想的金屬蒸發(fā)靶源：放電工作穩(wěn)定、沉積速率易控、鍍膜均勻好。但是，在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)性鍍膜（TiN、TiO2）時(shí)，通入的反應(yīng)性氣體，會(huì)造成磁控靶面的毒化（化學(xué)反應(yīng)），蒸發(fā)速率的急劇降低…等一系列雪崩式后果，造成磁控濺射反應(yīng)鍍膜極大的不穩(wěn)定性和不可控性，為了解決這一問題，北京丹普表面技術(shù)有限公司開發(fā)出矩形氣體離子源。

氣體離子源的優(yōu)點(diǎn)：

      ● 無燈絲、無空心陰極、無熱陰極、無柵極，氣體離子源上不產(chǎn)生金屬濺射污染；適用于任何惰性和反應(yīng)性氣體，以及它們的混合氣；

      ● 結(jié)構(gòu)簡單，絕緣性好、使用壽命長、很少維護(hù)需要；

      ● 矩形結(jié)構(gòu)，與矩形磁控濺射源尺寸完全匹配，并向真空室鍍膜區(qū)域均勻布?xì)猓?

      ● 在磁控濺射的真空范圍內(nèi)，離子源能夠正常穩(wěn)定放電工作；離子源需要進(jìn)氣量符合磁控濺射源的工作條件；

      ● 端法蘭結(jié)構(gòu)密封，方便安裝。360度任意調(diào)整布?xì)夥较颉?

氣體離子源技術(shù)的應(yīng)用：

      1、GIMS-TiN（1微米以上的厚TiN膜），再鍍Au（合金）或玫瑰金等（高檔IPG）。單爐一次性完成；

      2、GIMS-SS+TiN（厚膜），再鍍Au（合金）或玫瑰金等（單爐一次性完成）。然后，再進(jìn)行部分掩膜退去外層的TiN層和金層，實(shí)現(xiàn)白和金色的雙色效果；

      3、通入Ar氣GIS放電，實(shí)現(xiàn)Ar離子的轟擊清洗功能---等離子體處理（清洗），代替了衛(wèi)浴潔具電鍍工件的水質(zhì)超聲清洗功能。實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保技術(shù)要求；

      4、對(duì)半導(dǎo)體集成電路表面進(jìn)行GIS-Ar離子轟擊清洗，加強(qiáng)塑料封裝外殼表面金屬化的膜層結(jié)合力。

氣體濺射技術(shù)氣體離子源增強(qiáng)磁控濺射技術(shù)，分為兩種：匯聚氣離濺射和空分氣離濺射。

離子源的作用：

    1、等離子體清洗

    2、離化反應(yīng)氣體

    3、輔助沉積

    4、抑制靶中毒

    5、后離子氧化處理

匯聚氣離濺射技術(shù)：

氣體離子源對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行離化和布?xì)猓陔x子源電源電場(chǎng)的作用下，大量氣體離子獲得動(dòng)能（溫度）飛向工件表面，產(chǎn)生轟擊作用，從而有效的增強(qiáng)了磁控濺射的反應(yīng)離子鍍膜效應(yīng)。在反應(yīng)鍍膜過程中，氣體離子轟擊工件表面，表面上不穩(wěn)固的離子被轟落，膜層結(jié)構(gòu)被“夯實(shí)”，更加致密和平滑。

     該技術(shù)應(yīng)用在類金剛石（DLC）鍍膜中，取得了非常好的效果。

空分氣離濺射技術(shù)：

     在同一氣離濺射鍍膜系統(tǒng)上，將氣體離子源的布?xì)夥较蜣D(zhuǎn)離開磁控濺射靶的鍍膜區(qū)域。實(shí)現(xiàn)了磁控濺射金屬鍍膜過程和氣體離子源離化轟擊反應(yīng)過程在“空間”上的分離。一個(gè)工件在通過磁控濺射對(duì)靶時(shí)涂覆金屬性膜層，再移動(dòng)到氣體離子源面前時(shí)進(jìn)行反應(yīng)氣體離子的轟擊反應(yīng)過程（如氮化），這就是所謂的空（間）分（離）氣離濺射反應(yīng)離子鍍。

     對(duì)于控制濺射靶的毒化有非常好的效果，使反應(yīng)濺射離子鍍更加可控，鍍膜的窗口更寬。

MPCVD（微波等離子技術(shù)）因?yàn)槟軌蛑苽浯竺娣e、高質(zhì)量的金剛石，被認(rèn)為是未來制備人造金剛石最理想的方法。

主要特點(diǎn)：等離子體中電子密度高，產(chǎn)生原子H的濃度大，沒有電極污染，能夠在較大壓力下產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，生長的金剛石膜的質(zhì)量較高。

微波法能夠制備大面積、高質(zhì)量的金剛石，是未來制備人造金剛石最理想的方法，微波CVD法能夠制備高品級(jí)的金剛石，經(jīng)過加工后可以作為鉆石等裝飾品，其價(jià)格也僅天然鉆石的四分之一左右。由于純度高的單晶金剛石不僅能夠做成珠寶，其在電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等方面的優(yōu)異特性還使它能夠在半導(dǎo)體、5G通訊、高端裝備、軍工等科技領(lǐng)域作為核心材料使用。