物理蒸着(PVD)とは何ですか?

- Nov 06, 2018-

物理蒸着(PVD)とは何ですか?

 

物理蒸着法(PVD)は、真空条件下で物理的方法によって被加工物の表面に被覆された材料を堆積させるプロセスである。 PVD加工を行う場合、ワークの加熱温度は一般に600 ℃以下 であり、これは高速度鋼、合金鋳型加工鋼および他の鋼の鋳型を用いることが重要な意味を持つ。 現在、物理蒸着法には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法の3つの方法がある。 現在、物理蒸着技術は、金属膜、合金膜だけでなく、デポジット化合物、セラミック、半導体、ポリマー膜などを堆積させることができる。

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1.真空蒸発

真空中で1.33×10 -3〜1.33×10 -4 Paの圧力下で堆積物を電子ビーム等の熱源で加熱して真空蒸着し、蒸発した原子又は分子が直接堆積層の表面に堆積層を形成する1.33×10-3から1.33×10-4paの圧力下で注入した。 しかし、高融点金属炭化物および窒化物の直接蒸発は困難であり、化合物を分解する傾向がある。 この目的のために、化学プロセスを導入することによる反応蒸発が開発された。 例えば、電子銃でチタン金属を気化させ、メタンやアセチレンなどの少量の反応ガスを蒸発空間に導入して、チタン原子と反応性ガス原子を被処理体表面で反応させてTiC被膜を堆積させる。

真空蒸着は、レンズやリフレクター、各種電子部品、プラスチック射出成形品などの光学部品の表面をコーティングするために主に使用されています。

 

2.スパッタリングコーティング

スパッタリングコーティングは、蒸発技術を用いない物理蒸着法である。 めっきプロセス中、作業室は真空にされ、作動ガスとして水素ガスが充填され、その圧力は0.13〜1.33paに維持される。 堆積材料はターゲット(カソード)として使用され、負圧は数百から数千ボルトで加えられる。 ワークピースはアノードとみなされ、両側のフィラメントは負圧(-30〜100v)を有する。 フィラメントを約1700 ℃に 加熱すると 、フィラメントが電子を放出してグロー放電を起こし、水素イオンH +、H +をターゲット物質に衝突させて加速し、原子または分子をスパッタリングしてターゲット物質をスパッタリングして、 。

スパッタリングは、高融点金属および化合物を含む様々な導電性材料を堆積させるために使用することができる。 TiCをターゲット材料として使用する場合、TiCコーティングをワークピース上に直接堆積することができる。 勿論、金属Tiもターゲットとして使用することができ、反応性ガスを導入して反応性スパッタリングを行うことができる。 スパッタリングコーティングは均一であるが、堆積速度が遅いため、105mmを超える厚さのコーティングには適していない。 スパッタリングは基板温度を500-600 上昇させることができる ので、この温度にのみ適用できるのは二次硬化型の金型加工である。

 

3.イオンプレーティング

イオンプレーティングとは、ガスを排出して真空状態でイオン化したり、ガスイオンや蒸発散イオンを衝突させて被処理物上の気化物や反応物を蒸発させることである。 グロー放電とプラズマと真空蒸着技術を組み合わせることで、イオンプレーティングはコーティングの性能を向上させるだけでなく、コーティング技術の適用範囲を広げます。

 

真空スパッタリングの利点に加えて、イオンプレーティングは、フィルム層の強い接着、良好な回折および広範囲のコーティング材料の利点も有する。 イオンプレーティング技術を使用すると、例えば、金属、プラスチック、セラミック、ガラス、紙、その他の非金属材料、単一めっき、合金めっき、複合被覆、および様々な種類の複合被覆の異なる性能を有する被覆沈降速度(755m /分まで)、めっきプロセス前の洗浄はシンプルであり、環境への汚染はなく、その結果、近年国内外で急速に発展している。

 

不活性ガスのグロー放電による金属蒸気または合金蒸気の電離。 イオンプレーティングは、コーティング材料(TiN、TiCなど)の加熱、蒸発および堆積を含む。

 

表面に数千電子ボルトのエネルギーを吹き込み、電場の作用下でグロー放電後の被膜材料の原子数が少なく、被加工物に飛び、数ナノメートルの深さのマトリックスに入ることができるコーティングの密着強度を大幅に向上させ、蒸発材料はイオン化原子蒸着膜なしで部品上に直接付着させる。 ワークピースの表面上の不活性ガスイオンおよびコーティング材料イオンのスパッタリングはまた、ワークピースの表面上の汚染物質を除去することができ、それによって結合力を改善する。

 

反応性ガスが蒸発空間に導入されると、反応性イオンプレーティングと呼ばれる金属化合物の被膜を被加工物の表面に堆積させることができる。 プラズマ活性化の採用により、ワークピースの寸法精度および表面粗さを完全に保証するために、ワークピースを低温または室温でコーティングする必要があります。 したがって、最終工程は、ワークピースが硬化または焼戻しされた後に配置することができる。 堆積したTiNやTiCのような基礎体温は150-600 の範囲で選ぶことができ 、高硬度の高温コーティングでは基材との結合力も高い。 基板の温度は、高速鋼のための基板などのマトリックス材料とその焼き戻し温度に応じて選択することができます560 を選択することができ 、焼き入れ、焼き戻し、高精度金型加工のサイズに加工するために、このように硬度や変形の問題を減らすためのマトリックスについては心配しないでください。 また、イオンプレーティングの成膜速度は他の気相成長法に比べて速く、通常10mm厚のTiCやTiNを得るのに数分かかります。

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PVDによって堆積されたTiNまたはTiCコーティングは、CVDによるものと比較することができ、以下の特性を有する:

 

(1)上型と下型は高精度の金型で加工され、PVD超硬合金メッキを使用して表面を強化することは非常に有効です。

(2)PVDコーティング効果は、粗い型表面で失われる。

(3)PVDコーティングは静的荷重に対してより効果的である。

(4)PVDめっき前後の精度は変わらず、再度処理する必要はない。

(5)耐摩耗性に優れ、耐食性にも優れている。

 

例えば、TiNをスクリューの製造に使用される高速スチールパンチでコーティングする場合、耐用年数はコーティングされていないパンチの寿命の3〜5倍です。 TiNは、自動車部品の精密ブランキングダイにコーティングされています。 ブランク鋼板の厚さが1〜3mmの場合、寿命は5〜6倍に伸びるが、鋼板の厚さが5〜8mmに増加すると、TiN層の脱落による効果が失われる。 TiNの耐食性を5〜6倍にすることができ、同時に耐摩耗性を高めることができる。

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物理蒸着の基本原理は3つのプロセス段階に分けることができる:

 

(1)めっき材料のガス化:めっき材料が気化しても、またはスパッタリングであっても、めっき材料を通ってガス化する場合。

(2)メッキ材料中の原子、分子またはイオンの移動:ガス化源によって原子、分子またはイオンが衝突した後に様々な反応が生じる。

(3)基板上に原子、分子またはイオンが堆積する。

 

PVD物理蒸着技術の理解

 

物理的気相堆積技術は、単純なプロセス、改善された環境、無公害、より少ない消耗品、均一でコンパクトな膜形成、およびマトリックスとの強力な結合力を有する。 この技術は、航空宇宙、エレクトロニクス、光学、機械、建設、軽工業、冶金、材料などの分野で広く使用されています。 耐摩耗性、耐食性、装飾性、電気伝導性、絶縁性、光伝導性、圧電性、磁気性、潤滑性、超伝導性などの特性を有するフィルム層を調製することができる。

気相法は、マトリックス表面に機能性膜を形成する技術である。 気相中の物質の物理的または化学的反応を利用して、単層または多層の単一物質または化合物膜を製品の表面に堆積させることにより、製品表面が様々な優れたプロパティが必要です。

表面被覆法として、ガス堆積→輸送→堆積の基本ステップが必要である。 主な特徴は、めっきされる元の材料が固体、液体または気体であっても、輸送中に気相形態に変換されなければならず、最終的に加工物の表面が堆積して固体フィルムに凝縮することである。

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蒸着は主に2つのカテゴリーに分けられる。

 

化学 気相 堆積 CVD

物理 気相堆積 PVD

最初に、揮発性液体TiClをわずかに加熱することによってTiClガスおよびNHガスを得て、高温反応チャンバに導入した。 これらの反応ガスが分解し、高温固体表面で熱力学的化学反応が起こり、TiNとHClが発生した。 HClを抽出し、固体表面にTiNを付着させて硬質固体膜を形成させた。 ChemicalVaporDeposition(CVD)は、揮発性化合物および薄膜要素の成分を含むガス状物質を介して、固体表面上の化学反応および不揮発性固体堆積物の形成プロセスである。

同時に、人々は気相に蒸発した金属または金属化合物の高温加熱または電子プラズマによって、金属または化合物ターゲットなどの粒子を荷電して対応する原子をスパッタリングし、物理的蒸着(Physical VaporDeposition、PVD)として知られている化学反応(分解または結合)の材料とは無関係の、固体表面上の固体膜にイオン、分子(気体)

 

気相堆積技術の開発および適用により、2つのタイプの気相堆積は、それぞれ独自の新しい技術内容を有する。 2つのタイプの気相堆積は、互いに織り交ぜられ、相互に絡み合っている。 例えば、プラズマおよびイオンビームは、堆積プロセスに関与するための従来の物理的ガス堆積技術の蒸着およびスパッタリングに導入される。 一方、反応ガスは、化学反応のために固体表面に注入され、反応性メッキと呼ばれる新しい合成生成物を生成することもできる。 一例は、スパッタチタン(Ti)プラズマ中の反応ガスN2を通したTiNの合成である。 これは、物理的蒸着が化学反応も含むことを意味する。 別の例では、メタン反応を伴う室内換気では、プラズマメタン分解の作用下でのArターゲットのターゲット放電と、カーボンボンドの再結合のための固体表面、堆積プロセスに置くのに使用された人々は、依然として化学気相堆積として分類されているが、典型的な物理蒸着技術である金属陰極アークイオンプレーティングである。 加えて、プラズマは、イオンビーム技術は、従来の化学気相成長プロセスに導入され、化学反応は、プラズマが高い化学活性を有するため、伝統的な熱力学の原理に完全に従っていない伝統的な化学反応熱力学にすることができますプラズマアシスト化学気相堆積(Plasma Assisted Chemical VaporDeposition、以下PACVDと称する;いくつかのデータはプラズマ化学気相成長(PECVD)と呼ばれ、化学気相堆積により物理的な意味を与える)の温度よりも低い。

今日の化学気相堆積と物理気相堆積の違いについては、コーティング材料の形態の違いだけが残っているのではないかと懸念しています。すなわち、USESの揮発性化合物やガス状物質、USES固体(液体) 。 この区別は、元の定義の本質を失ったようです。

我々はまだ化学気相堆積、物理気相堆積、高温および蒸発による固体(液体)めっき材料、スパッタリング、電子ビーム、プラズマ、イオンビームの違いを区別するために、めっき材料の形態で主に既存の習慣に従って(ガス、プラズマ)、表面上の固体析出の凝縮(他の気相反応物質との反応生成物を含む化学反応を含む)によって生成された他の形態のエネルギーを、物理蒸着と呼ばれる固相膜プロセスを生成する。

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技術開発

高硬度、低摩擦係数、良好な耐磨耗性および化学的安定性を有するPVD技術が、調製されたフィルムに現れた。 高速度鋼切削工具の分野における成功した適用は、世界中の製造業から大きな注目を集めている。 高性能で信頼性の高いコーティング装置を開発する中で、超硬合金およびセラミック切削工具でより深い応用研究が行われています。 CVDプロセスと比較して、PVDプロセス温度は600 以下で 、切削工具材料の曲げ強度 が低い フィルムの内部応力状態は圧縮応力であり、これは超硬合金精密複雑工具の被覆に適している。 PVDプロセスは環境に悪影響を及ぼさず、最新のグリーン製造の開発方向性に沿うものである。 現在、PVDコーティング技術は、カーバイドエンドミルカッター、ドリルビット、ステップドリル、オイルドリル、リーマ、タップ、インデックス可能なフライスカッターシート、ターニングブレード、特殊形状のカッター、溶接カッターなどのコーティング処理に広く使用されています。

PVD技術は、薄膜とツールマトリックス材料の結合強度を向上させるだけでなく、TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、スズ-aln、CNx、DLCおよびta-cである。

コーティング技術

増強された磁気陰極アーク: 陰極アーク技術は、真空条件下でターゲットを低電圧および高電流によってイオン状態に分離し、薄膜材料の堆積を完了させることである。 強化された磁気陰極アークは、ターゲット表面のアークを効果的に制御するために電磁場の複合作用を利用し、材料のイオン化率を高め、フィルムの性能をより良くする。

フィルター陰極アーク: プラズマイオンとイオン質量フィルターの巨視的な粒子によって高効率イオン源を備えたフィルター陰極アーク(FCA)電磁気濾過システムは、堆積粒子の磁気濾過後100%であり、粒子を濾過するので、フィルムの調製は非常にコンパクトで滑らかで、耐腐食性が良好であり、身体の接着強度は非常に強い。

マグネトロンスパッタリング: 真空環境下では、ターゲットは、電圧と磁場の複合作用によってイオン化された不活性ガスイオンで衝撃され、ターゲットをイオン、原子または分子の形態で放出させ、基板上に堆積させて薄膜。 導体および非導体材料は、使用される異なるイオン化電源に従ってターゲット材料としてスパッタリングすることができる。

イオンビームDLC: 炭化水素ガスはイオン源でプラズマに分離され、炭素イオンは電磁場の複合作用によってイオン源によって放出されます。 イオンビームエネルギーは、プラズマに印加される電圧を調整することによって制御される。 炭化水素イオンビームは基板に導入され、堆積速度はイオン電流密度に比例する。 スターアークコーティングイオンビーム源は高電圧を採用するので、イオンエネルギーが大きくなり、膜と基板との結合が良好になる。 より大きなイオン電流は、DLC膜の堆積をより速くする。 イオンビーム技術の主な利点は、超薄型多層構造を堆積でき、プロセス制御の精度が数オングストロームに達し、プロセス中の粒子汚染による欠陥を最小限に抑えることができることです。

 

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