تكنولوجيا طلاء الفراغيُختصر PVD، وهو تقنية تستخدم طرقًا فيزيائية لتبخير سطح مصدر المادة إلى ذرات أو جزيئات أو أيونات في ظل ظروف الفراغ، وترسيب طبقة رقيقة ذات وظيفة خاصة معينة على سطح الركيزة. تنقسم تقنية طلاء معدات الطلاء الفراغي بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: الترسيب البخاري، والرش، والطلاء الأيوني. هناك ثلاثة أنواع من تقنية طلاء التبخر: التبخر المقاوم، وتبخر شعاع الإلكترون، وتبخر التسخين الحثي.
هناك ثلاثة اتجاهات رئيسية لتكنولوجيا الطلاء في معدات الطلاء الفراغي: تكنولوجيا طلاء التبخر، وتكنولوجيا طلاء الأيونات، ومعدات طلاء الرش المغناطيسي. كل تكنولوجيا طلاء لها مزاياها وعيوبها، ويتم طلاء الركائز والأهداف المختلفة بتقنيات طلاء مختلفة.
تعتمد تقنية طلاء التبخر المقاوم على تقنية طلاء التبخر لمصدر تبخر التسخين المقاوم، والذي يستخدم عمومًا لتبخير المواد ذات نقطة الانصهار المنخفضة مثل الألومنيوم والذهب والفضة وكبريتيد الزنك وفلوريد المغنيسيوم وثلاثي أكسيد الكروم، إلخ؛ تُصنع مقاومات التسخين عمومًا من التنغستن والموليبدينوم والتنتالوم، إلخ. مزايا فريدة وبنية بسيطة وتكلفة منخفضة. العيوب: المادة عرضة للتفاعل مع البوتقة، مما يؤثر على نقاء الفيلم الرقيق، ولا يمكنها تبخر الأغشية الرقيقة العازلة ذات نقطة الانصهار العالية؛ معدل تبخر منخفض.
طلاء التبخر المقاوم هو تقنية تستخدم تسخين حزمة الإلكترونات عالية السرعة لتبخير المواد، ثم تتكثف في فيلم على سطح الركيزة. يمكن أن تصل كثافة طاقة مصدر حرارة حزمة الإلكترونات إلى 104-109w/cm2، ويمكن أن تصل إلى أكثر من 3000 درجة. يمكنها تبخير المعادن ذات نقطة الانصهار العالية أو المواد العازلة مثل التنغستن والموليبدينوم والجرمانيوم وSiO2 وAL2O3 وما إلى ذلك.
المبدأ الأساسي لتبخير حزمة الإلكترونات هو أنه في بيئة الفراغ العالي، تقصف الإلكترونات عالية الطاقة المنبعثة من مدفع الإلكترون سطح مادة مستهدفة تحت تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية، مما يحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية. تسخن مادة الهدف، وتصبح منصهرة، أو تتبخر مباشرة، وترسب طبقة رقيقة على سطح الركيزة.
هناك نوعان من مصادر الترسيب البخاري لتسخين شعاع الإلكترون: مدافع الإلكترون المستقيمة ومدافع الإلكترون من النوع الإلكتروني (دائرية أيضًا). ينبعث شعاع الإلكترون من المصدر ويركز ويحرف بواسطة ملف المجال المغناطيسي لقصف مادة الفيلم وتسخينها. تشمل مزاياها القدرة على تبخير أي مادة، ونقاء الفيلم العالي، والتأثير المباشر على سطح المادة، والكفاءة الحرارية العالية. تشمل عيوب مدافع الإلكترون البنية المعقدة، والتكلفة العالية، والتحلل السهل للمركبات أثناء الترسيب، واختلال التوازن الكيميائي.
التبخر بالتسخين الحثي هو تقنية تستخدم التسخين الحثي بالمجال الكهرومغناطيسي عالي التردد لتبخير المواد وتكثيفها في طبقة على سطح الركيزة. تشمل مزاياها معدل تبخر مرتفع، والذي يمكن أن يكون أعلى بنحو 10 مرات من مصدر التبخر المقاوم. درجة حرارة مصدر التبخر مستقرة، مما يجعله أقل عرضة للرش. درجة حرارة البوتقة منخفضة، ومادة البوتقة بها تلوث غشاء أقل. تشمل عيوبها الحاجة إلى حماية جهاز التبخر، والتكلفة العالية، والمعدات المعقدة.
على الرغم من أن مبادئ تقنيات الطلاء بالتبخير الثلاث هذه لمعدات الطلاء الفراغي متشابهة، إلا أنها جميعًا تستخدم التبخير عالي الحرارة لتبخير المواد المستخدمة في الطلاء. ومع ذلك، فإن البيئات التي يتم تطبيقها فيها مختلفة، كما أن مواد الطلاء والركائز لها متطلبات مختلفة.
التبخر بالتسخين الحثي عالي التردد هو عملية وضع بوتقة تحتوي على مادة طلاء في وسط ملف حلزوني عالي التردد، مما يتسبب في توليد مادة الطلاء لتيارات إيدي قوية وتأثيرات هستيريسيس تحت تحريض مجال كهرومغناطيسي عالي التردد، مما يؤدي إلى تسخين طبقة الفيلم حتى تتبخر وتتبخر. يتكون مصدر التبخر بشكل عام من ملف عالي التردد مبرد بالماء وبوتقة من الجرافيت أو السيراميك (أكسيد المغنيسيوم، وأكسيد الألومنيوم، وأكسيد البورون، إلخ). يستخدم مصدر الطاقة عالي التردد ترددًا يتراوح من 10000 إلى عدة مئات الآلاف من هرتز، مع طاقة إدخال تتراوح من عدة إلى عدة مئات من الكيلووات. كلما كان حجم مادة الغشاء أصغر، زاد تردد الحث. عادة ما يتم تصنيع تردد ملف الحث باستخدام أنابيب نحاسية مبردة بالماء. عيب طريقة التبخر بالتسخين الحثي عالي التردد هو أنه ليس من السهل ضبط طاقة الإدخال. فهو يتمتع بالمزايا التالية:
1. معدل التبخر العالي:
2. درجة حرارة مصدر التبخر موحدة ومستقرة، وليس من السهل إنتاج تناثر قطرات الطلاء
3. تحميل مصدر التبخر مرة واحدة، والتحكم في درجة الحرارة سهل نسبيًا، والتشغيل بسيط.
مزايا تقنية طلاء الرش المغناطيسي هي كما يلي
1. معدل ترسيب مرتفع. بفضل استخدام أقطاب مغناطيسية عالية السرعة، يمكن الحصول على تيار أيوني كبير، مما يحسن بشكل فعال معدل الترسيب ومعدل الرش لهذه العملية الطلاءية. بالمقارنة مع عمليات الطلاء بالرش الأخرى، فإن الرش المغناطيسي يتمتع بقدرة إنتاجية عالية ومخرجات عالية، ويُستخدم على نطاق واسع في مختلف الإنتاجات الصناعية.
2. كفاءة عالية للطاقة. تختار أهداف الرش المغناطيسي عمومًا جهدًا يتراوح بين 200 فولت -1000 فولت، وعادةً 600 فولت، لأن جهد 600 فولت يقع ضمن أعلى نطاق فعال لكفاءة الطاقة.
طاقة رش منخفضة. يعمل الجهد المنخفض المطبق على هدف المغنطرون والمجال المغناطيسي على حصر البلازما بالقرب من الكاثود، مما قد يمنع الجسيمات المشحونة عالية الطاقة من السقوط على الركيزة.
3. درجة حرارة الركيزة منخفضة. يمكن الاستفادة من الإلكترونات المتولدة أثناء التفريغ الأنودي دون الحاجة إلى تأريض دعم الركيزة، مما يقلل بشكل فعال من قصف الإلكترونات على الركيزة. لذلك، تكون درجة حرارة الركيزة منخفضة نسبيًا، مما يجعلها مناسبة جدًا لطلاء بعض الركائز البلاستيكية التي لا تقاوم درجات الحرارة المرتفعة.
النقش غير المتساوي على سطح أهداف الرش المغناطيسي. يحدث النقش غير المتساوي على سطح أهداف الرش المغناطيسي بسبب المجالات المغناطيسية غير المتساوية للهدف، مما يؤدي إلى معدل نقش أعلى في المواقع المحلية للهدف ومعدل استخدام فعال أقل لمادة الهدف (معدل استخدام 20% فقط -30%). لذلك، من أجل تحسين معدل استخدام مواد الهدف، من الضروري تغيير توزيع المجال المغناطيسي من خلال وسائل معينة، أو استخدام المغناطيس للتحرك في الكاثود، مما يمكن أن يحسن أيضًا معدل استخدام مواد الهدف.
4. الهدف المركب. يمكن إنتاج أفلام السبائك المطلية بالهدف المركب. حاليًا، تم ترسيب أفلام سبائك Ta Ti و(Tb Dy) - Fe وGb Co بنجاح باستخدام تقنية الرش المغناطيسي المركب. هناك أربعة أنواع من الهياكل للأهداف المركبة، وهي الأهداف الدائرية المضمنة والأهداف المربعة المضمنة والأهداف المربعة الصغيرة المضمنة والأهداف المضمنة على شكل مروحة. من بينها، يتمتع هيكل الهدف المضمن على شكل مروحة بأفضل تأثير استخدام.
5. مجموعة واسعة من التطبيقات. يمكن لعملية الرش المغناطيسي ترسيب العديد من العناصر، بما في ذلك Ag وAu وC وCo وCu وFe وGe وMo وNb وNi وOs وCr وPd وPt وRe وRh وSi وTa وTi وZr وSiO وAlO وGaAs وU وW وSnO، إلخ.
تقنية طلاء الأيونات الفراغية
تقنية طلاء الأيونات الفراغيةتم تطوير (اختصارًا باسم طلاء الأيونات) لأول مرة بواسطة D. M. Mattox وتم اقتراحه وتطبيقه في عام 1963 كتقنية طلاء تجمع بين التبخر والرش. يعتمد على القصف الأيوني، الذي يسخن المادة المطلية أو قطعة العمل إلى حالة منصهرة، ويستخدم القصف الأيوني عالي الطاقة لترسيب أغشية رقيقة من المعدن أو أشباه الموصلات المترسبة كيميائيًا على سطح الركيزة، وبالتالي الحصول على أغشية رقيقة ذات هياكل وخصائص محددة.
تتمثل عملية الطلاء الأيوني في توصيل مصدر التبخر بالأنود وقطعة العمل بالكاثود. عند تطبيق تيار مستمر عالي الجهد يتراوح من ثلاثة إلى خمسة آلاف فولت، يتم توليد تفريغ قوس بين مصدر التبخر وقطعة العمل. وبسبب غاز الأرجون الخامل المملوء في غطاء الفراغ، يتم تأين بعض غاز الأرجون تحت تأثير مجال التفريغ الكهربائي، مما يشكل منطقة مظلمة من البلازما حول قطعة عمل الكاثود. تنجذب أيونات الأرجون المشحونة إيجابيا بواسطة الجهد العالي السالب للكاثود وتقصف بعنف سطح قطعة العمل، مما يتسبب في تناثر الجسيمات والأوساخ على سطح قطعة العمل وإخراجها، مما يسمح بتنظيف سطح قطعة العمل بالكامل عن طريق القصف الأيوني. بعد ذلك، يتم توصيل مصدر الطاقة المتردد لمصدر التبخر، وتذوب جزيئات المادة المتبخرة وتتبخر، وتدخل منطقة التفريغ المتوهجة وتتأين. تندفع أيونات المواد المتبخرة المشحونة إيجابياً، والتي تجتذبها الكاثود، نحو قطعة العمل مع أيونات الأرجون. وعندما تتجاوز كمية أيونات المواد المتبخرة المترسبة على سطح قطعة العمل كمية الأيونات المتناثرة، فإنها تتراكم تدريجياً لتشكل طبقة ملتصقة بقوة على سطح قطعة العمل.
تتميز بنية طلاء الأيونات بأنها كثيفة، ولا تحتوي على ثقوب دقيقة، أو فقاعات، أو سمك موحد. وهذه الطريقة مناسبة جدًا لطلاء الأجزاء ذات الثقوب الداخلية والأخاديد والفجوات الضيقة التي يصعب طلائها بطرق أخرى، ولا تشكل عقيدات معدنية. ونظرًا لقدرتها على إصلاح الشقوق الصغيرة والعيوب مثل الحفر على سطح قطعة العمل، يمكن لهذه العملية تحسين جودة السطح والخصائص الفيزيائية والميكانيكية للأجزاء المطلية بشكل فعال. وقد أظهرت اختبارات التعب أنه إذا تم التعامل معها بشكل صحيح، يمكن زيادة عمر التعب لقطعة العمل بنسبة 20% إلى 30% مقارنة بما قبل الطلاء.
خصائص طلاء الأيونات المفرغة
بالمقارنة مع التبخر والرش، فإن الطلاء الأيوني له الخصائص التالية:
(1) أداء التصاق جيد للطلاء
أثناء الطلاء الفراغي العادي، لا توجد طبقة انتقالية تقريبًا تربط بين سطح قطعة العمل والطلاء. أثناء الطلاء الأيوني، عندما تقصف الأيونات قطعة العمل بسرعة عالية، يمكنها اختراق سطح قطعة العمل وتشكيل طبقة انتشار مزروعة بعمق في الركيزة. يمكن أن يصل عمق انتشار واجهة الطلاء الأيوني إلى أربعة إلى خمسة ميكرومتر. في المرحلة المبكرة من الطلاء، يتعايش الرش والترسيب، ويمكن تشكيل طبقة انتقالية أو طبقة مختلطة من مكونات الفيلم والركيزة عند الواجهة بين الفيلم والركيزة، تسمى طبقة الانتشار الزائفة، والتي يمكن أن تحسن بشكل فعال أداء التصاق طبقة الفيلم.
(2) قدرة طلاء قوية
أثناء عملية الطلاء الأيوني، تتحرك جزيئات المادة المتبخرة على طول اتجاه المجال الكهربائي في شكل أيونات مشحونة. لذلك، أينما يوجد مجال كهربائي، يمكن الحصول على طلاء جيد، وهو أفضل بكثير من الطلاء الفراغي العادي الذي لا يمكنه الحصول إلا على طلاء في الاتجاه المباشر. لذلك، فإن هذه الطريقة مناسبة جدًا للمناطق الموجودة على الأجزاء المطلية والتي يصعب طلاءها بطرق أخرى، مثل الثقوب الداخلية والأخاديد والفجوات الضيقة.
(3) جودة طلاء جيدة
يتميز طلاء الطلاء الأيوني ببنية كثيفة، ولا توجد ثقوب أو فقاعات، وسمك موحد. حتى الحواف والأخاديد يمكن طلائها بشكل موحد، ويمكن أيضًا طلاء أجزاء مثل الخيوط بصلابة عالية، ومقاومة عالية للتآكل (معامل احتكاك منخفض)، ومقاومة جيدة للتآكل، واستقرار كيميائي، مما يؤدي إلى عمر أطول لطبقة الفيلم؛ في الوقت نفسه، يمكن لطبقة الفيلم تحسين مظهر وأداء الزخرفة لقطعة العمل بشكل كبير.
(4) تبسيط عملية التنظيف
تتطلب معظم عمليات الطلاء الحالية تنظيفًا صارمًا لقطعة العمل مسبقًا، والعملية مسؤولة نسبيًا. أثناء عملية الطلاء الأيوني، يتم استخدام عدد كبير من الجسيمات عالية الطاقة الناتجة عن التفريغ المتوهج لإنشاء تأثير رش كاثودي على السطح، والذي ينظف الغاز والزيت الممتص على سطح الركيزة عن طريق الرش، وتنقية سطح الركيزة حتى اكتمال عملية الطلاء بالكامل، مما يبسط الكثير من أعمال التنظيف قبل الطلاء.
(5) المواد المطلية المتوفرة على نطاق واسع
طلاء الأيونات هو عملية استخدام الأيونات عالية الطاقة لقصف سطح قطعة العمل، وتحويل كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية على سطح قطعة العمل، وبالتالي تعزيز الانتشار والتفاعلات الكيميائية في أنسجة السطح، ولا تتأثر قطعة العمل بدرجات الحرارة العالية. لذلك، فإن عملية الطلاء هذه لها مجموعة واسعة من التطبيقات وأقل محدودية. عادة، يمكن طلاء المعادن المختلفة، والسبائك، وكذلك بعض المواد الاصطناعية، ومواد العزل، والمواد الحساسة للحرارة، والمواد ذات نقطة الانصهار العالية. يمكن طلاء قطع العمل المعدنية بمعادن أو غير معادن، وكذلك معادن أو غير معادن، وحتى البلاستيك والمطاط والكوارتز والسيراميك، إلخ.
تصنيف طلاء الأيونات الفراغية
توجد مجموعات مختلفة من طرق التأين والإثارة لمصادر وذرات التبخر المختلفة، مما يؤدي إلى ظهور العديد من طرق طلاء الأيونات لمصدر التبخر. تشمل الطرق الشائعة طلاء الأيونات بالرش وطلاء الأيونات بالتبخير بناءً على اكتساب جزيئات الغشاء.
1. طلاء الأيونات من النوع المتقطع
من خلال استخدام أيونات عالية الطاقة لرش سطح مادة الغشاء، يتم توليد جزيئات معدنية. تتأين الجزيئات المعدنية إلى أيونات معدنية في مساحة التفريغ الغازي، وتصل إلى الركيزة تحت التحيز السلبي لترسب وتشكل فيلمًا.
طلاء الأيونات التبخيري
تسخين مادة الطلاء من خلال طرق تسخين مختلفة لتبخير وإنتاج بخار معدني، والذي يتم إدخاله بعد ذلك إلى حيز التفريغ الغازي المثار بطرق مختلفة للتأين إلى أيونات معدنية. تصل هذه الأيونات إلى الركيزة تحت التحيز السلبي وترسب في فيلم.
من بينها، يمكن تقسيم طلاء الأيونات التبخيري إلى طلاء أيوني ثنائي المرحلة DC، وطلاء أيون الكاثود المجوف، وطلاء أيون القوس السلكي الساخن، وطلاء أيون القوس الكاثودي وفقًا لمبادئ التفريغ المختلفة. طلاء الأيونات الثانوي DC هو تفريغ توهج مستقر؛ طلاء أيون الكاثود المجوف وطلاء أيون القوس السلكي الساخن كلاهما تفريغات قوس حراري، ويمكن تلخيص سبب توليد الإلكترونات ببساطة على أنه الانبعاث الحراري للإلكترونات خارج النواة بسبب تسخين المواد المعدنية إلى درجات حرارة عالية؛ يختلف نوع تفريغ طلاء أيون القوس الكاثودي عن الأنواع السابقة من طلاء الأيونات، ويستخدم تفريغ القوس البارد.
(1) طلاء الأيونات الكاثودية المجوفة (HCD)
استخدام تفريغ الكاثود الساخن المجوف لتوليد شعاع إلكترون البلازما. خصائص طلاء الأيونات بالكاثود المجوف: ① مسدس الكاثود المجوف HCD هو مصدر حرارة لتغويز مادة الغشاء ومصدر تأين للجسيمات المتبخرة، وطريقة التأين هي استخدام تصادم شعاع الإلكترون منخفض الضغط؛ ② باستخدام جهد تسارع يتراوح من 0 فولت إلى عدة مئات من الفولتات، يعمل التأين وتسارع الأيونات بشكل مستقل يمكن أن يؤدي طلاء الأيونات التفاعلية بشكل جيد؛ ④ ارتفاع درجة حرارة الركيزة صغير، ولا تزال الركيزة بحاجة إلى التسخين أثناء الطلاء؛ ⑤ كفاءة تأين عالية، بقعة شعاع الإلكترون كبيرة، ويمكن ترسبها على أفلام مختلفة.
(2) طلاء الأيونات بالقوس الكاثودي
طلاء الأيونات بالقوس الكاثودي هو تتويج لتكنولوجيا طلاء الأيونات السائدة، والتي تعتمد على تفريغ القوس البارد ولديها أعلى معدل تأين للجسيمات بين العديد من تقنيات طلاء PVD.
