Quá trình lắng đọng chân không

Nguyễn Huấn Vacuum Solutions  - Sưu tầm và biên dịch

Lắng đọng chân không là một thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả một loại xử lý kỹ thuật bề mặt được sử dụng để lắng đọng các lớp vật liệu lên bề mặt nền. Các loại lớp phủ bao gồm kim loại (ví dụ: cadmium, crom, đồng, niken, titan) và phi kim (ví dụ, vật liệu tổng hợp ma trận gốm của cacbon / cacbon, cacbon / cacbua silic, v.v.), lắng đọng trong các lớp mỏng (nghĩa là nguyên tử bằng nguyên tử hoặc từng phân tử) trên bề mặt

Công nghệ lắng đọng hơi bao gồm các quá trình đưa vật liệu vào trạng thái hơi thông qua quá trình ngưng tụ, phản ứng hóa học hoặc chuyển đổi. Khi pha hơi được tạo ra bằng cách ngưng tụ từ nguồn chất lỏng hoặc rắn, quá trình này được gọi là lắng đọng hơi vật lý (PVD). Khi được tạo ra từ một phản ứng hóa học, quá trình này được gọi là lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Các quá trình này thường được tiến hành trong môi trường chân không có hoặc không sử dụng plasma (tức là khí ion hóa mà từ đó các hạt có thể được chiết xuất), bổ sung động năng cho bề mặt (thay vì nhiệt năng) và cho phép giảm nhiệt độ xử lý. Môi trường chân không có những ưu điểm sau:

Giảm mật độ hạt để đường đi tự do trung bình cho va chạm dài

Giảm mật độ hạt của các nguyên tử và phân tử không mong muốn (chất gây ô nhiễm)

Cung cấp môi trường plasma áp suất thấp

Cung cấp công nghệ để kiểm soát thành phần khí và hơi

Cung cấp công nghệ để kiểm soát lưu lượng khối lượng vào buồng xử lý.

Quá trình lắng đọng hơi chỉ bổ sung năng lượng và vật chất lên bề mặt, giữ cho phần lớn của vật thể tương đối mát và không thay đổi. Kết quả là, các đặc tính bề mặt thường được sửa đổi mà không có những thay đổi đáng kể đối với cấu trúc vi mô bên dưới của chất nền.

Sự lắng đọng hơi vật lý 3,4

Lắng đọng hơi vật lý , là một phương pháp màng mỏng trong đó một lớp phủ được lắng đọng trên toàn bộ vật thể chứ không phải ở một số khu vực nhất định. Tất cả các quy trình phủ cứng PVD phản ứng kết hợp:

Một phương pháp để lắng kim loại

Khí hoạt động như nitơ, oxy hoặc metan

Plasma bắn phá chất nền để đảm bảo một lớp phủ cứng và dày

Các phương pháp PVD chính là mạ ion, cấy ion, phún xạ và tạo hợp kim bề mặt bằng laser. Việc sản xuất kim loại và plasma khác nhau trong mỗi phương pháp này. Vật liệu được khí hóa ngưng tụ trên vật liệu nền để tạo ra lớp mong muốn. Như vậy, không có phản ứng hóa học nào diễn ra trong quá trình này.

Mạ ion (qua plasma)

Mạ ion dựa trên plasma được sử dụng để lắng các kim loại như titan, nhôm, đồng, vàng và palađi trên bề mặt của một bộ phận thành phần. Các lớp phủ thường dao động từ 0,008 - 0,025 mm. Các ưu điểm bao gồm khả năng bám dính, hoàn thiện bề mặt, làm sạch tại chỗ bề mặt trước khi lắng đọng màng và điều chỉnh các đặc tính của màng (ví dụ: hình thái, mật độ và ứng suất dư của màng). Các nhược điểm bao gồm yêu cầu các thông số xử lý được kiểm soát chặt chẽ, khả năng nhiễm bẩn được kích hoạt trong plasma và khả năng nhiễm các loại khí bị bắn phá vào chất nền và lớp phủ.

Các ứng dụng điển hình bao gồm ống tia X, ren đường ống được sử dụng trong môi trường hóa chất, cánh tuabin động cơ máy bay, mũi khoan thép, bánh răng, khuôn phun dung sai cao, mặt bích bịt kín chân không bằng nhôm, lớp phủ trang trí và để bảo vệ chống ăn mòn trong lò phản ứng hạt nhân. Ngoài ra, mạ ion được sử dụng rộng rãi như một giải pháp thay thế cho cadmium để áp dụng các lớp phủ nhôm chống ăn mòn.

Cấy ion

Cấy ion không tạo ra lớp phủ rời rạc; đúng hơn, quá trình này làm thay đổi thành phần hóa học nguyên tố của bề mặt hiện có của chất nền bằng cách hợp kim hóa. Ví dụ, nitơ được sử dụng để tăng khả năng chống mài mòn của kim loại. Làm sạch là rất quan trọng cho sự thành công của công nghệ này. Tiền xử lý (ví dụ, tẩy dầu mỡ, rửa sạch và làm sạch bằng sóng siêu âm) bề mặt để loại bỏ bất kỳ chất gây ô nhiễm bề mặt nào trước khi cấy ghép là rất quan trọng để thành công. Quá trình được thực hiện ở nhiệt độ phòng. Thời gian lắng đọng phụ thuộc vào khả năng chịu nhiệt độ của phôi và liều lượng cần thiết.

Cấy ion có thể sử dụng bất kỳ phần tử nào có thể hóa hơi và ion hóa trong buồng chân không. Những lợi ích của quá trình này bao gồm khả năng tái tạo, loại bỏ sau xử lý và giảm thiểu phát sinh chất thải. Cấy ion không tạo ra lớp hoàn thiện ổn định nếu lớp phủ tiếp xúc với nhiệt độ cao. Công nghệ bị hạn chế bởi sự thiếu quen thuộc, khan hiếm thiết bị và yêu cầu kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.

Cấy ion được sử dụng chủ yếu như một phương pháp xử lý chống mài mòn cho các thành phần có giá trị cao như thiết bị y sinh (ví dụ: bộ phận giả), công cụ (ví dụ: khuôn, khuôn, đột, dụng cụ cắt và chèn), bánh răng và bóng được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm lắng vàng, gốm sứ và các vật liệu khác thành chất dẻo, gốm và silicon và gali arsenide cho ngành công nghiệp bán dẫn.

Phún xạ và phún xạ

Phún xạ là một quá trình ăn mòn làm thay đổi các đặc tính vật lý của bề mặt. Trong quá trình này, một sự phóng điện plasma khí được thiết lập giữa hai điện cực: vật liệu mạ catốt và chất nền anốt. Các cặn mỏng, dao động từ 0,00005 - 0,01 mm. Crom, titan, nhôm, đồng, molypden, vonfram, vàng và bạc là những loại tiền gửi điển hình.

Màng lắng cặn được sử dụng thường xuyên trong các ứng dụng trang trí như dây đeo đồng hồ, kính đeo mắt và đồ trang sức. Ngành công nghiệp điện tử phụ thuộc vào các lớp phủ và màng bị rải rác nhiều (ví dụ, hệ thống dây dẫn màng mỏng trên chip và đầu ghi cũng như phương tiện ghi từ tính và quang từ). Các công ty cũng sử dụng lắng đọng phún xạ để sản xuất phim phản chiếu cho các mảnh kính kiến ​​trúc lớn và phim trang trí cho nhựa được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Ngành công nghiệp bao bì thực phẩm sử dụng phún xạ để sản xuất màng nhựa mỏng cho bao bì. So với các quá trình lắng đọng khác, lắng đọng sputter tương đối rẻ.

Ốp

Hợp kim hóa bề mặt (sửa đổi) bằng cách sử dụng tia laser thúc đẩy quá trình tạo hợp kim bằng cách bơm một vật liệu khác vào vùng nóng chảy mà hợp kim vào lớp nóng chảy. Các đặc tính bề mặt của công nghệ này bao gồm hiệu suất ở nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn, cải thiện khả năng chống ăn mòn, tính chất cơ học tốt hơn và hình thức nâng cao

Một trong nhiều phương pháp hợp kim hóa bề mặt bằng laser là phủ laser. Mục tiêu chung của việc phủ laser là phủ một cách có chọn lọc một khu vực xác định. Trong lớp phủ laser, một lớp kim loại mỏng (hoặc kim loại bột) được liên kết với kim loại cơ bản thông qua sự kết hợp của nhiệt và áp suất. Di chuyển chất nền dưới chùm tia và các vệt lắng đọng chồng lên nhau có thể bao phủ các khu vực rộng lớn. Tiền xử lý không phải là điều quan trọng, mặc dù bề mặt có thể yêu cầu làm nhám trước khi lắng đọng. Sau khi sơn phủ, mài và / hoặc đánh bóng thường được thực hiện.

Ốp lazer có thể ứng dụng hầu hết các chất liệu tương tự như các công nghệ phun sơn nhiệt. Vật liệu dễ bị oxy hóa khó lắng cặn nếu không sử dụng các dòng khí trơ và lớp bao. Tỷ lệ lắng đọng phụ thuộc vào công suất laser, tốc độ cấp nguồn và tốc độ di chuyển. Độ dày lớp phủ có thể từ vài trăm micrômét đến vài mm. Tuy nhiên, nếu mật độ quá cao, nứt và tách lớp có thể xảy ra như trường hợp của nhôm và một số loại thép. Công nghệ này cũng không thể phủ lên các khu vực nằm ngoài tầm nhìn.

Lắng đọng hơi hóa chất

Trong các quy trình CVD, một hỗn hợp khí phản ứng hóa học tiếp xúc với chất nền và sau đó được lắng đọng vào đó. Lớp phủ được cung cấp bởi những gì được biết đến trong công nghệ như một tiền chất mà khi được nung nóng sẽ tạo ra hơi phản ứng. Dạng tiền chất có thể là dạng khí, dạng lỏng hoặc dạng rắn. Khí được đưa vào buồng dưới áp suất và nhiệt độ bình thường trong khi chất rắn và chất lỏng yêu cầu nhiệt độ cao và / hoặc áp suất thấp.

Quá trình phân hủy có thể được hỗ trợ hoặc tăng tốc thông qua việc sử dụng nhiệt, plasma hoặc các quá trình khác. Sự lắng đọng hơi hóa học bao gồm phún xạ, mạ ion, CVD tăng cường plasma, CVD áp suất thấp, CVD tăng cường bằng laser, bay hơi phản ứng tích cực, chùm ion, bay hơi bằng laser và các biến thể khác. Các quá trình này thường khác nhau về phương tiện mà các phản ứng hóa học được bắt đầu và thường được phân loại theo áp suất vận hành.

Chân không siêu cao thường dưới 10−6 Pa (~ 10−8 Torr)

Áp suất thấp ở áp suất dưới khí quyển. (Lưu ý: áp suất giảm có xu hướng làm giảm các phản ứng pha khí không mong muốn và cải thiện tính đồng nhất của màng)

Áp suất khí quyển

Khi ở trong buồng, năng lượng được truyền vào chất nền để tạo điều kiện thuận lợi cho các lớp phủ phản ứng với khí mang. Các bước cơ bản trong quy trình CVD là:

Sự tạo thành hỗn hợp khí phản ứng

Vận chuyển khối lượng khí của phản ứng qua lớp ranh giới đến chất nền

Sự hấp phụ của các chất phản ứng trên chất nền

Phản ứng của các chất hấp phụ để tạo thành cặn

Tiền xử lý bề mặt bao gồm làm sạch cơ học và / hoặc hóa học (ví dụ, làm sạch bằng siêu âm và / hoặc tẩy dầu mỡ bằng hơi), sau đó trong một số trường hợp bằng mài hơi (để cải thiện độ bám dính). Ngoài ra, buồng phản ứng lắng đọng phải sạch, kín, không có bụi và hơi ẩm.

CVD được sử dụng để chống ăn mòn và mài mòn và được áp dụng cho vật liệu để có được các đặc tính riêng mà các quy trình khác khó có được. Các kim loại được sử dụng phổ biến nhất trong lớp phủ CVD là niken, vonfram, crom và titan cacbua.

Phần lớn các ứng dụng là trong các ngành công nghiệp điện tử quang học, quang điện, quang điện và hóa chất. CVD được sử dụng để lắng các lớp phủ và tạo thành các loại lá, bột, vật liệu composite, các vật thể đứng yên, các hạt hình cầu, các sợi và râu.

Lớp phủ Titanium Nitride và Titanium Carbonitride

Lớp phủ titan nitride (TiN) và titan cacbonitride (TiCN) được áp dụng cho nhiều loại dụng cụ cắt và các sản phẩm khác để giúp kéo dài tuổi thọ và cung cấp lớp phủ chống mài mòn

Khái niệm cơ bản về quy trình. Lớp phủ titan nitride (TiN) có thể được áp dụng bằng phương pháp PVD hoặc CVD. Đối với các ứng dụng thép tốc độ cao, quy trình PVD thường được ưu tiên. Tuy nhiên, các quy trình PVD có những hạn chế nhất định đối với hình học thành phần, nhu cầu quay phôi để đạt được sự đồng nhất và nhiệt độ phủ (đối với một số vật liệu nhất định).

Nhiệt độ xử lý CVD thường từ 850 - 1100 ° C (1550 - 2000ºF). Phản ứng hóa học cơ bản (Phương trình 1) trong lớp phủ CVD để tạo ra một lớp TiN là giữa titan tetraclorua (TiCl4), nitơ (N) và hydro (H):

(1) 2TiC14 + N2 + 4H2 → 2TiN + 8HC1

Ngược lại, các quy trình PVD hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, trong khoảng từ 400 - 600 ° C (750 - 1100ºF) hoặc thấp hơn. Quá trình PVD dựa vào sự bắn phá ion thay vì nhiệt độ cao (như trường hợp của CVD) làm động lực. Chất nền cần phủ được đặt trong buồng chân không và được nung đến nhiệt độ. Vật liệu phủ Ti được hóa hơi và một khí phản ứng như N2 được đưa vào và ion hóa; các nguyên tử titan hóa hơi sau đó phản ứng với nitơ ion hóa để tạo thành hợp chất TiN lắng đọng trên chất nền để tạo thành lớp phủ. Có ba quy trình PVD chính cho các công cụ phủ: bay hơi, phún xạ và mạ ion phản ứng, khác nhau cơ bản ở cách hóa hơi kim loại phản ứng.

Lớp phủ titan cacbonitride (TiCN) có độ cứng cao hơn một chút so với lớp phủ TiN và có thể cho thấy hệ số ma sát thấp hơn một chút trong nhiều ứng dụng. Chúng chủ yếu được sử dụng để đạt được khả năng chống mài mòn nâng cao. Lớp phủ TiCN có giới hạn thấp hơn đối với nhiệt độ dịch vụ.

PVD được sử dụng rộng rãi cho các loại thép công cụ và tốc độ cao vì nhiệt độ quá trình CVD rơi vào phạm vi mà một số loại thép công cụ nhất định được làm cứng. Có thể cần phải xử lý sau lớp phủ (làm cứng lại và ủ lại). Những xử lý này có thể ảnh hưởng đến độ bám dính và kích thước của lớp phủ.

Một lĩnh vực quan trọng cần xem xét đối với quá trình lựa chọn là nhiệt độ sử dụng cuối cùng của thành phần sẽ được phủ. Nhiệt độ sử dụng càng cao thì càng có nhiều phương pháp phủ CVD được mong muốn.

Tính chất

Các tính chất cơ lý  được tạo ra bởi lớp phủ TiN tương tự như của các lớp phủ thông thường khác. Ưu điểm của lớp phủ TiN trên tốc độ cao và các loại thép công cụ khác bao gồm:

Xuất hiện

Bám dính với chất nền

Tính trơ hóa học cao

Khả năng chống lại nhiệt độ cao

Bề mặt cứng (2400 HV) để giảm mài mòn

Hệ số ma sát thấp

Tăng độ nhờn

Độ nhám bề mặt

Thay đổi chiều thấp

Ổn định nhiệt độ cao

Bảng 12 - Tính chất cơ học và vật lý của lớp phủ

Ghi chú: [a] 2500 HV (50g) ≈ 85 HRC

Các lợi ích của lớp phủ TiCN bao gồm:

Khó hơn TiN

Cứng hơn cacbua

Cứng hơn crom (3 lần)

Chịu mài mòn

Liên kết phân tử kết dính mạnh mẽ với chất nền

Nhiều loại chất nền

Màng mỏng (thường 3μm)

Lớp phủ đồng nhất không tích tụ trên các cạnh

Theo dõi kết cấu bề mặt của bộ phận

Ngoại hình kim loại màu xám

Không độc hại (thân thiện với môi trường)

Kết luận

Các phương pháp lắng đọng chân không như quy trình PVD và CVD đại diện cho một bộ ứng dụng quan trọng của công nghệ chân không. Mặc dù thường được kết hợp với các thị trường thích hợp, công nghệ này đã được phát hiện để nâng cao hiệu suất trong một số ứng dụng đáng ngạc nhiên và do đó, cộng đồng xử lý nhiệt cần được hiểu rõ hơn.  ATL là đại diện thương hiệu Edwards tại Việt Nam , Ngoài thương hiệu Edwards chúng tôi cung cấp dịch vụ sửa chữa bơm hút chân không các thương hiệu lớn khác như Ulvac, Leybold, Ebara , Elmo , Nash , Travaini , Alcatel , Pfeiffer , Wonchang , doVAC ,  … Hotline 0915 933 355