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物理氣相沉積
鎖定
物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術是指在真空條件下采用物理方法將材料源（固體或液體）表面氣化成氣態原子或分子，或部分電離成離子，並通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術， 物理氣相沉積是主要的表面處理技術之一。
PVD(物理氣相沉積)鍍膜技術主要分為三類：真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。物理氣相沉積的主要方法有：真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍膜、離子鍍膜和分子束外延等。相應的真空鍍膜設備包括真空蒸發鍍膜機、真空濺射鍍膜機和真空離子鍍膜機。
物理氣相沉積技術早在20世紀初已有些應用，但30年迅速發展成為一門極具廣闊應用前景的新技術，並向着環保型、清潔型趨勢發展。在鐘錶行業，尤其是高檔手錶金屬外觀件的表面處理方面達到越來越為廣泛的應用。
物理氣相沉積基本原理
物理氣相沉積技術基本原理可分三個工藝步驟：
(1)鍍料的氣化：即使鍍料蒸發，昇華或被濺射，也就是通過鍍料的氣化源。
(2)鍍料原子、分子或離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經過碰撞後，產生多種反應。
(3)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。
物理氣相沉積基本特點
物理氣相沉積技術工藝過程簡單，對環境改善，無污染，耗材少，成膜均勻緻密，與基體的結合力強。該技術廣泛應用於航空航天、電子、光學、機械、建築、輕工、冶金、材料等領域，可製備具有耐磨、耐腐蝕、裝飾、導電、絕緣、光導、壓電、磁性、潤滑、超導等特性的膜層
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隨着高科技及新興工業發展，物理氣相沉積技術出現了不少新的先進的亮點，如多弧離子鍍與磁控濺射兼容技術，大型矩形長弧靶和濺射靶，非平衡磁控濺射靶，孿生靶技術，帶狀泡沫多弧沉積卷繞鍍層技術，條狀纖維織物卷繞鍍層技術等，使用的鍍層成套設備，向計算機全自動，大型化工業規模方向發展。
物理氣相沉積真空蒸鍍
物理氣相沉積原理
真空蒸鍍是在真空條件下，將鍍料靶材加熱並蒸發，使大量的原子、分子氣化並離開液體鍍料或離開固體鍍料表面（或昇華），並最終沉積在基體表面上的技術。在整個過程中，氣態的原子、分子在真空中會經過很少的碰撞而直接遷移到基體，並沉積在基體表面形成薄膜。蒸發的方法包括電阻加熱，高頻感應加熱，電子束、激光束、離子束高能轟擊鍍料等。
真空蒸鍍是PVD法中使用最早的技術。
物理氣相沉積蒸發源
物理氣相沉積基本工藝
真空蒸鍍的基本工藝過程如下：
- 鍍前處理：包括清洗鍍件和預處理。具體清洗方法有清洗劑清洗、化學溶劑清洗、超聲波清洗和離子轟擊清洗等。具體預處理有除靜電，塗底漆等。
- 裝爐：包括真空室清理及鍍件掛具的清洗，蒸發源安裝、調試、鍍件褂卡。
- 抽真空：一般先粗抽至6.6Pa以上，更早打開擴散泵的前級維持真空泵，加熱擴散泵。待預熱足夠後，打開高閥，用擴散泵抽至6×10-3Pa本底真空度。
- 烘烤：將鍍件烘烤加熱到所需温度。
- 離子轟擊：真空度一般在10Pa～10-1Pa，離子轟擊電壓200V～1kV負高壓，離擊時間為5min～30min,
- 預熔：調整電流使鍍料預熔，除氣1min～2min。
- 蒸發沉積：根據要求調整蒸發電流，直到所需沉積時間結束。
- 冷卻：鍍件在真空室內冷卻到一定温度。
- 出爐：取件後，關閉真空室，抽真空至1×10-1Pa，擴散泵冷卻到允許温度，才可關閉維持泵和冷卻水。
- 後處理：塗面漆等。
物理氣相沉積濺射鍍膜
濺射鍍膜是指在真空條件下，利用獲得功能的粒子（如氬離子）轟擊靶材料表面，使靶材表面原子獲得足夠的能量而逃逸的過程稱為濺射。在真空條件下充入氬氣(Ar)，並在高電壓下使氬氣進行輝光放電，可使氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar+)。氬離子在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料製作的陰極靶材，靶材會被濺射出來而沉積到工件表面
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被濺射的靶材沉積到基材表面，就稱作濺射鍍膜。 濺射鍍膜中的入射離子，一般採用輝光放電獲得，在10-2Pa～10Pa範圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中易和真空室中的氣體分子發生碰撞，導致運動方向隨機化，使得沉積的膜易於均勻。發展起來的規模性磁控濺射鍍膜，沉積速率較高，工藝重複性好，便於自動化，已適當於大型建築裝飾鍍膜及工業材料的功能性鍍膜，如TGN-JR型用多弧或磁控濺射在卷材的泡沫塑料及纖維織物表面鍍鎳Ni及銀Ag的生產製備。
物理氣相沉積等離子體鍍膜
在物理氣相沉積中通常採用冷陰極電弧蒸發，以固體鍍料作為陰極，採用水冷使冷陰極表面形成許多亮斑，即陰極弧斑。弧斑就是電弧在陰極附近的弧根。在真空條件下，用引弧針引弧，使真空金壁(陽極)和鍍材(陰極)之間進行弧光放電，陰極表面快速移動着多個陰極弧斑，不斷迅速蒸發甚至“異華”鍍料，使之電離成以鍍料為主要成分的電弧等離子體，並能迅速將鍍料沉積於基體。
在極小空間的電流密度極高，弧斑尺寸極小，估計約為1μm～100μm，電流密度高達105A/cm2～107A/cm2。每個弧斑存在極短時間，爆發性地蒸發離化陰極改正點處的鍍料，蒸發離化後的金屬離子，在陰極表面也會產生新的弧斑，許多弧斑不斷產生和消失，所以又稱多弧蒸發。 最早設計的等離子體加速器型多弧蒸發離化源，是在陰極背後配置磁場，使蒸發後的離子獲得霍爾(Hall)加速效應，有利於離子增大能量轟擊量體，採用這種電弧蒸發離化源鍍膜，離化率較高，所以又稱為電弧等離子體鍍膜。由於等離子體鍍膜常產生多弧斑，所以也稱多弧蒸發離化過程。
物理氣相沉積離子鍍膜
離子鍍膜藉助於惰性氣體輝光放電，使鍍料（如金屬鈦）氣化蒸發離子化，離子經電場加速，以較高能量轟擊工件表面，此時如通入二氧化碳、氮氣等反應氣體，便可在工件表面獲得TiC、TiN覆蓋層，硬度高達2000HV。
離子鍍膜技術最早在1963年由D.M.Mattox提出。1972年，Bunshah&Juntz推出活性反應蒸發離子鍍(AREIP)，該方法可以沉積TiN、TiC等超硬膜。1972年Moley&Smith發展完善了空心熱陰極離子鍍，1973年又發展出射頻離子鍍(RFIP)。20世紀80年代又發展出磁控濺射離子鍍(MSIP)和多弧離子鍍(MAIP)。
離子鍍膜是物理氣相沉積方法中應用最廣泛的一種鍍膜工藝。
物理氣相沉積特點
離子鍍膜的基本特點是採用某種方法（如電子束蒸發磁控濺射，或多弧蒸發離化等）使中性粒子電離成離子和電子，在基體上必須施加負偏壓，從而使離子對基體產生轟擊，適當降低負偏壓後使離子進而沉積於基體成膜，適用於高速鋼工具，熱鍛模等材料的表面處理過程。
離子鍍膜的優點如下：
②膜層均勻，緻密。
③在負偏壓作用下繞鍍性好。
④無污染。
⑤多種基體材料均適合於離子鍍。
物理氣相沉積反應性離子鍍
如果採用電子束蒸發源蒸發，在坩堝上方加20V～100V的正偏壓。在真空室中導入反應性氣體，如氮氣、氧氣、乙炔、甲烷等反應性氣體代替氬氣，或在此基礎上混入氬氣。電子束中的高能電子可以達到幾千至幾萬電子伏特的能量，不僅可以使鍍料熔化蒸發，而且能在熔化的鍍料表面激勵出二次電子。二次電子在上方正偏壓作用下加速，與鍍料蒸發中性粒子發生碰撞而電離成離子，在工件表面發生離化反應，從而獲得氧化物（如TeO2、SiO2、Al2O3、ZnO、SnO2、Cr2O3、ZrO2、InO2等）。其特點是沉積率高，工藝温度低。
物理氣相沉積多弧離子鍍
多弧離子鍍又稱作電弧離子鍍，由於在陰極上有多個弧斑持續呈現，故稱作“多弧”。
①陰極電弧蒸發離化源可從固體陰極直接產生等離子體，而不產生熔池，所以可以任意方位佈置，也可採用多個蒸發離化源。
②鍍料的離化率高，一般達60%～90%，顯著提高與基體的結合力改善膜層的性能。
③沉積速率高，改善鍍膜的效率。
④設備結構簡單，弧電源工作在低電壓大電流工況，工作較為安全。
