Zasada powlekania metodą parowania próżniowego
1. Sprzęt i proces fizyczny powlekania metodą parowania próżniowego
Urządzenie do powlekania metodą parowania próżniowego składa się głównie z komory próżniowej i systemu ewakuacyjnego. Wewnątrz komory próżniowej znajduje się źródło parowania (tj. grzałka parownika), podłoże i rama podłoża, grzałka podłoża, system odprowadzania spalin itp.
Materiał powłoki umieszcza się w źródle parowania komory próżniowej, a w warunkach wysokiej próżni jest on podgrzewany przez źródło parowania w celu odparowania. Gdy średni zakres swobodnego ruchu cząsteczek pary jest większy niż rozmiar liniowy komory próżniowej, atomy i cząsteczki pary filmu, po ucieczce z powierzchni źródła parowania, rzadko napotykają na przeszkody w postaci zderzeń z innymi cząsteczkami lub atomami i docierają bezpośrednio do powierzchni podłoża przeznaczonego do pokrycia. Ze względu na niską temperaturę podłoża, cząsteczki pary filmu kondensują się na nim, tworząc powłokę.
Aby poprawić przyczepność cząsteczek parowania do podłoża, podłoże można aktywować poprzez odpowiednie ogrzewanie lub czyszczenie jonowe. Powłoka parowania próżniowego przechodzi przez następujące procesy fizyczne: od parowania materiału, przez transport, po osadzanie w postaci filmu.
(1) Wykorzystując różne sposoby konwersji innych form energii na energię cieplną, materiał filmowy jest podgrzewany w celu odparowania lub sublimacji do cząsteczek gazowych (atomów, cząsteczek lub skupisk atomów) o określonej energii (od 0,1 do 0,3 eV).
(2)Cząsteczki gazu opuszczają powierzchnię filmu i są transportowane na powierzchnię podłoża z określoną prędkością ruchu, zasadniczo bez kolizji, po linii prostej.
(3)Cząsteczki gazu docierające do powierzchni podłoża łączą się i tworzą jądra krystalizacji, a następnie tworzą warstwę fazy stałej.
(4)Reorganizacja lub wiązanie chemiczne atomów tworzących film.
2. Ogrzewanie parowe
(1) Parowanie przez ogrzewanie oporowe
Parowanie z ogrzewaniem oporowym jest najprostszą i najczęściej stosowaną metodą ogrzewania, ogólnie stosowaną do materiałów powłokowych o temperaturze topnienia poniżej 1500℃, metale o wysokiej temperaturze topnienia w kształcie drutu lub arkusza (W, Mo, Ti, Ta, azotek boru itp.) są zwykle formowane w odpowiedni kształt źródła parowania, ładowane materiałami parowania, poprzez ciepło Joule'a prądu elektrycznego w celu stopienia, odparowania lub sublimacji materiału powłoki, kształt źródła parowania obejmuje głównie spiralę wielożyłową, kształt litery U, falę sinusoidalną, cienką płytę, łódkę, kosz stożkowy itp. Jednocześnie metoda wymaga, aby materiał źródła parowania miał wysoką temperaturę topnienia, niskie ciśnienie pary nasyconej, stabilne właściwości chemiczne, nie reagował chemicznie z materiałem powłoki w wysokiej temperaturze, dobrą odporność na ciepło, małą zmianę gęstości mocy itp. Przyjmuje wysoki prąd przez źródło parowania, aby podgrzać i odparować materiał folii przez bezpośrednie ogrzewanie lub umieścić materiał folii w tyglu wykonanym z grafitu i pewnego wysokiego tlenki metali odporne na temperaturę (takie jak A202, B0) i inne materiały do pośredniego ogrzewania w celu odparowania.
Powłoki nagrzewane oporowo mają swoje ograniczenia: metale ogniotrwałe charakteryzują się niską prężnością par, co utrudnia tworzenie cienkich warstw; niektóre pierwiastki łatwo tworzą stop za pomocą drutu grzewczego; uzyskanie jednolitej konsystencji warstwy stopowej nie jest łatwe. Ze względu na prostą konstrukcję, niską cenę i łatwość obsługi, metoda nagrzewania oporowego jest bardzo powszechna.
(2) Parowanie za pomocą ogrzewania wiązką elektronów
Odparowywanie wiązką elektronów to metoda odparowywania materiału powłoki poprzez bombardowanie go wiązką elektronów o wysokiej gęstości energii, umieszczając go w chłodzonym wodą miedzianym tyglu. Źródło odparowywania składa się ze źródła emisji elektronów, źródła energii przyspieszającej elektrony, tygla (zazwyczaj miedzianego), cewki magnetycznej i zestawu chłodzącego wodą. W tym urządzeniu nagrzany materiał umieszcza się w chłodzonym wodą tyglu, a wiązka elektronów bombarduje tylko bardzo niewielką jego część, podczas gdy większość pozostałego materiału pozostaje w bardzo niskiej temperaturze pod wpływem chłodzenia tygla, który można uznać za bombardowaną część tygla. Zatem metoda nagrzewania wiązką elektronów w celu odparowywania pozwala uniknąć zanieczyszczenia między materiałem powłoki a materiałem źródła odparowywania.
Strukturę źródła parowania wiązką elektronów można podzielić na trzy typy: działa proste (działa Boulesa), działa pierścieniowe (odchylane elektrycznie) i działa elektroniczne (odchylane magnetycznie). W urządzeniu do parowania można umieścić jeden lub więcej tygli, które mogą odparowywać i osadzać wiele różnych substancji jednocześnie lub oddzielnie.
Źródła wykorzystujące odparowywanie wiązką elektronów mają następujące zalety.
①Wysoka gęstość wiązki źródła bombardowania wiązką elektronów pozwala uzyskać znacznie większą gęstość energii niż źródło ogrzewania rezystancyjnego, które może odparowywać materiały o wysokiej temperaturze topnienia, takie jak W, Mo, Al2O3 itp.
② Materiał powłoki umieszcza się w chłodzonym wodą miedzianym tyglu, co pozwala uniknąć parowania materiału źródłowego parowania i reakcji między nimi.
③Ciepło można dostarczyć bezpośrednio do powierzchni materiału powłoki, co zwiększa wydajność cieplną i zmniejsza straty przewodzenia ciepła oraz promieniowania cieplnego.
Wadą metody parowania za pomocą nagrzewania wiązką elektronów jest to, że pierwotne elektrony z działa elektronowego i wtórne elektrony z powierzchni materiału powłoki jonizują parujące atomy i resztkowe cząsteczki gazu, co czasami wpływa na jakość powłoki.
(3) Parowanie z wykorzystaniem ogrzewania indukcyjnego o wysokiej częstotliwości
Nagrzewanie indukcyjne o wysokiej częstotliwości (WCV) polega na umieszczeniu tygla z materiałem powłoki w centrum spiralnej cewki o wysokiej częstotliwości, tak aby materiał powłoki generował silne prądy wirowe i efekt histerezy pod wpływem indukcji pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości, co powoduje nagrzewanie się warstwy folii aż do jej odparowania i całkowitego odparowania. Źródło parowania składa się zazwyczaj z chłodzonej wodą cewki o wysokiej częstotliwości oraz tygla grafitowego lub ceramicznego (z tlenku magnezu, tlenku glinu, tlenku boru itp.). Zasilacz o wysokiej częstotliwości wykorzystuje częstotliwość od dziesięciu tysięcy do kilkuset tysięcy Hz, a moc wejściowa wynosi od kilku do kilkuset kilowatów, przy czym im mniejsza objętość materiału membrany, tym wyższa częstotliwość indukcyjna. Cewka indukcyjna jest zazwyczaj wykonana z chłodzonej wodą rurki miedzianej.
Wadą metody parowania z wykorzystaniem nagrzewania indukcyjnego o wysokiej częstotliwości jest to, że nie można łatwo regulować mocy wejściowej. Ma ona jednak następujące zalety.
①Wysoka szybkość parowania
②Temperatura źródła parowania jest jednolita i stabilna, dzięki czemu nie występuje zjawisko rozpryskiwania się kropelek powłoki, a ponadto można uniknąć powstawania dziurek w osadzonej warstwie.
③Źródło parowania ładowane jest raz, a temperatura jest stosunkowo łatwa i prosta do kontrolowania.
Czas publikacji: 28 października 2022 r.