PVD涂層原理及工藝2013

1、http/提綱真空基礎(chǔ)知識(shí)真空基礎(chǔ)知識(shí)PVD涂層概述涂層概述PVD涂層設(shè)備及工藝介紹涂層設(shè)備及工藝介紹PVD涂層在切削刀具中的應(yīng)用涂層在切削刀具中的應(yīng)用http/真空基礎(chǔ)知識(shí) PVD(物理氣相沉積)的概念：PVD（Physical Vapor Deposition）工藝是一種原子沉積工藝，其是在真空或低壓（等離子）條件下，涂層物質(zhì)從液相或固相的材料源逸出并氣化，以原子或分子的形態(tài)傳輸并沉積在基體表面的一種涂層工藝。為加強(qiáng)PVD涂層基本理論的需要了解(a)涂層與襯底的界面形態(tài)與結(jié)合機(jī)理,(b)真空和低壓氣體環(huán)境(c)低壓等離子工藝環(huán)境等相關(guān)內(nèi)容。http/1.1涂層與襯底的界面形態(tài)與結(jié)合機(jī)理涂層

2、與襯底的界面可能有不同的化學(xué)鍵合、元素的相互擴(kuò)散、涂層的內(nèi)應(yīng)力、界面雜質(zhì)、和界面缺陷等具體情況，因而實(shí)際涂層附著力的規(guī)律極為復(fù)雜。它不僅取決于涂層與襯底之間的界面能量，還取決于具體的沉積方法和界面狀態(tài)。涂層與襯底間的界面可以分為下面四種類型：（1）平界面；（2）形成化合物界面；（3）元素?cái)U(kuò)散界面；（4）機(jī)械嚙合界面；http/根據(jù)界面形態(tài)，涂層與襯底的附著可能涉及下面三種機(jī)理：（1）機(jī)械結(jié)合-是機(jī)械嚙和界面產(chǎn)生的附著的過程，涂層與襯底表面凹凸不平提高了相互接觸的界面面積，并可促進(jìn)界面兩側(cè)物質(zhì)間形成微觀尺度的相互交合。在純機(jī)械結(jié)合的情況下，涂層的附著力很低。（2）物理結(jié)合-不同物質(zhì)分子或原子之間

3、最普遍的相互作用就是范德華力，這種力隨著界面兩側(cè)物質(zhì)間距的增加而迅速降低。雖然引力的數(shù)值較小，每對(duì)分子或原子的作用能只有0.1eV量級(jí)，但它仍然會(huì)造成很強(qiáng)的涂層附著力。如果界面兩側(cè)的材料都是導(dǎo)體，且二者的費(fèi)米能級(jí)不同，涂層的形成會(huì)發(fā)生一方到另一方的電荷轉(zhuǎn)移，在界面附近出現(xiàn)雙電子層，進(jìn)而引發(fā)相互靜電吸引作用，也對(duì)涂層與襯底間產(chǎn)生附著力。（3）化學(xué)鍵合-界面兩側(cè)原子間可能形成相互的化學(xué)鍵，包括金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵等?；瘜W(xué)鍵的形成對(duì)于提高涂層附著力具有重要的貢獻(xiàn)。如果界面兩側(cè)原子形成化學(xué)鍵合，則涂層的附著能可能達(dá)到每對(duì)原子1-10eV能級(jí)。PVD涂層前通過涂層前通過噴砂噴砂（涂層前處理）和（涂層前

4、處理）和刻蝕刻蝕（涂層工藝中的一個(gè)步驟）一方（涂層工藝中的一個(gè)步驟）一方面對(duì)產(chǎn)品表面起到清潔作用，另一方面提高了工件表面的微觀粗糙度，改善面對(duì)產(chǎn)品表面起到清潔作用，另一方面提高了工件表面的微觀粗糙度，改善了界面結(jié)合狀況，有利于提高界面結(jié)合。了界面結(jié)合狀況，有利于提高界面結(jié)合。http/1.2真空和低壓氣體環(huán)境 PVD涂層是一個(gè)真空、低氣壓過程系統(tǒng)中進(jìn)行的工藝過程，體系中氣體分子含量很低，氣體分子碰撞的名義自由程很高，對(duì)體系中工藝氣體總量及其他污染氣體的控制要求比較嚴(yán)格。因此，真空泵系統(tǒng)，交換系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)及相關(guān)的管接設(shè)計(jì)要求就很高，另外工裝夾具及產(chǎn)品的表面狀況和清潔程度對(duì)于涂層系統(tǒng)也十分重要。

5、真空的劃分http/真空度測(cè)量壓力計(jì)類型適用范圍 （Torr）準(zhǔn)確度電容膜片(CDG)大氣壓-10-60.02-0.2%導(dǎo)熱（Piriani）大氣壓-10-45%熱陰極電離（HCIG）（Penning） 10-1-10-91% 粘度（自璇轉(zhuǎn)子）1-10-81-10%Baratron ： 電容膜片(CDG) TPR:導(dǎo)熱（Piriani）IKR: 熱陰極電離 (Penning)PKR:結(jié)合了Piriani和 Penning兩種原理http/ 氣體壓力的單位換算: 1Pa=10-5bar=10-2mbar=9.869210-6atm =750.0610-5Torr=7.5mTorr=1.45041

6、0-4psi 分子運(yùn)動(dòng) 分子速度與溫度T密切相關(guān)。 名義自由程與密度相關(guān)，即壓力（溫度相同條件下） 碰撞幾率與以上兩者都相關(guān)http/1.3低壓等離子工藝環(huán)境等離子是含有足夠離子和電子的一種氣體環(huán)境，具有良好的導(dǎo)電性。一般來說PVD工藝過程的等離子環(huán)境，離化率并不是很高，還含有許多的中性氣體。等離子的產(chǎn)生等離子的產(chǎn)生:由外加的電場(chǎng)能量來促使氣體內(nèi)的電子獲得能量並加速撞擊不帶電中性粒子，由于不帶電中性粒子受加速電子的撞擊后會(huì)產(chǎn)生離子與另一帶能量的加速電子，這些被釋放出的電子，在經(jīng)由電場(chǎng)加速與其他中性粒子碰撞。如此反復(fù)不斷，從而使氣體產(chǎn)生擊穿效應(yīng)(gas breakdown)，形成等離子狀態(tài)。 在

7、持續(xù)的等離子體中，電子在電場(chǎng)中被加速。電子的產(chǎn)生可以來源于以下幾個(gè)方面：（1）離子或電子轟擊表面產(chǎn)生的二次電子（2）離子碰撞使得原子失去電子、（3）熱電子發(fā)射源（熱陰極）發(fā)出的電子http/濺射沉積濺射沉積:高電壓，低電流高電壓，低電流陰極弧沉積：陰極弧沉積：低電壓，高電流低電壓，高電流輝光放電http/輝光放電過程中的電子碰撞：輝光放電過程中的電子碰撞：在電子能量低于ZeV時(shí)，電子與其他粒子的碰撞多為彈性碰撞。但當(dāng)電子能量較高時(shí)，則發(fā)生非彈性碰撞的幾率迅速增加。在非彈性碰撞時(shí)可能發(fā)生許多不同的過程，其中比較有代表性的幾種如下：（1）電離過程，如 eAr Ar+2 e它導(dǎo)致電子數(shù)目增加，從而使

8、得發(fā)電過程得以繼續(xù)；（2）激發(fā)過程，如eN2 2N*+e其中*號(hào)表示相應(yīng)的粒子處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)；（3）分解反應(yīng)，如 eCH4 C*+4H*+e導(dǎo)致分子被分解成反應(yīng)基團(tuán)，其化學(xué)活性明顯高于原來的分子。除了有電子參加的碰撞過程之外，中性原子、離子之間的碰撞也同時(shí)發(fā)生。就其重要性而言，電子參與的碰撞過程在放電過程中起著最為重要的作用。http/2.1 PVD涂層方法 刀具PVD涂層工藝主要方式： （1）濺射；）濺射； CemeCon （2）陰極弧；）陰極??；balzers IonbondPVD涂層概述http/磁控濺射沉積示意圖磁控濺射沉積示意圖http/陰極弧沉積示意圖陰極弧沉積示意圖htt

9、p/陰極弧http/2.2 PVD涂層物質(zhì) 基本上所有的金屬及非金屬材料都可以采用PVD涂層的方式進(jìn)行涂層，它可以通過靶材或蒸發(fā)源等材料源直接沉積而獲得源物質(zhì)的涂層材料，也可以在此基礎(chǔ)上通入其他的反應(yīng)性氣體，并通過反應(yīng)沉積獲得包含源物質(zhì)成分和反應(yīng)氣體成分的化合物涂層材料。http/ 硬質(zhì)涂層按化學(xué)成分大致分類如下： （1）金屬氮化物； （2）金屬碳化物； （3）金屬氧化物； （4）金屬硼化物； （5）其他金屬合金及化合物； 另外還有軟涂層(潤(rùn)滑涂層):如DLC, WC/C，MoS2等。http/常用常用PVD硬質(zhì)涂層材料硬質(zhì)涂層材料 TiN TiCN TiAlN AlTiN CrAlN TiA

10、lSiN 等http/涂層的多元合金化TiN(Ti,Al)NTi(C,N)Ti-Al-X-N多元涂層多元涂層CrN(Cr,Al)NCr-Al-X-N多元涂層多元涂層http/幾種典型的幾種典型的PVD涂層結(jié)構(gòu)涂層結(jié)構(gòu)柱狀晶結(jié)構(gòu)柱狀晶結(jié)構(gòu) (Columnar)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)納米復(fù)合結(jié)構(gòu) ( Nanocomposition )復(fù)合層結(jié)構(gòu)復(fù)合層結(jié)構(gòu) ( Multilayer )梯度結(jié)構(gòu)梯度結(jié)構(gòu) ( Gradient )雙層結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu) (Double-layer )納米層結(jié)構(gòu)納米層結(jié)構(gòu) (Nano-layer )2.3 PVD涂層結(jié)構(gòu)http/PVD涂層結(jié)構(gòu)演變趨勢(shì)涂層結(jié)構(gòu)演變趨勢(shì)http/涂層內(nèi)應(yīng)力

11、狀況涂層內(nèi)應(yīng)力狀況拉應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力過大壓應(yīng)力過大一般情況下PVD為壓應(yīng)力狀態(tài)，CVD涂層為拉應(yīng)力狀態(tài)http/ 3.1 涂層設(shè)備 目前在工具鍍膜中應(yīng)用較為廣泛的涂層系統(tǒng)為磁控濺射和陰極弧設(shè)備。目前我公司兩種類型的設(shè)備都有。其中CemeCon公司生產(chǎn)的CC800/XL設(shè)備涂層原理為磁控濺射，而Balzers公司生產(chǎn)的RCS和INNOVA設(shè)備以及Ionbond公司的ROAD RUNNER采用的是陰極弧原理。PVD涂層設(shè)備及工藝http/Balzer公司涂層設(shè)備設(shè)備型號(hào):RCS1、氣體：Ar, N2, H2, He2、電弧源：6個(gè)電弧源，根據(jù)工藝要求每個(gè)電弧源配置特定的靶材及相應(yīng)的磁性

12、系統(tǒng)。3、冷卻水系統(tǒng)：（1）冷凍水（用于冷卻分子泵，電器柜）；（2）溫冷卻水（用于冷卻其他部件）；（3）應(yīng)急冷卻水（即自來水，用于異常緊急狀態(tài)下冷卻）4、真空系統(tǒng)：1個(gè)前級(jí)泵，1個(gè)羅茨泵，1個(gè)分子泵5、加熱方式：電阻絲加熱和等離子加熱，另外采用H2作為傳熱介質(zhì)，進(jìn)一步提高加熱效率。6、離子腔：高電流鎢絲發(fā)射電子，使氣體電離另外INNOVA設(shè)備主體結(jié)構(gòu)與RCS比較接近，主要區(qū)別在于INNONA設(shè)備比RCS設(shè)備增加了2個(gè)弧源，但該2弧源僅可以作為刻蝕時(shí)使用，不用于涂層，目前標(biāo)準(zhǔn)涂層工藝暫未應(yīng)用。http/ （1）CC800/XL設(shè)備概況： 1、氣體：Ar, N, Kr, C2H4, He 2、陰極

13、：四個(gè)陰極，其中1號(hào)，2號(hào)極性相同，3號(hào)，4號(hào)極性相同。 3、冷卻水系統(tǒng)：正常狀態(tài)下外部循環(huán)溫冷卻水進(jìn)行冷卻，異常狀態(tài)下啟動(dòng)設(shè)備內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)冷卻。 4、真空系統(tǒng)：1個(gè)前級(jí)泵，2個(gè)分子泵 5、加熱方式：電阻絲加熱 6、Booster：等離子增強(qiáng)裝置，提高氣體分子離化率CemeCon公司涂層設(shè)備http/3.2 涂層工藝完整的PVD涂層工藝流程一般包括：涂層前處理、涂層及涂層后處理三個(gè)步驟。根據(jù)工藝要求及一些特殊產(chǎn)品的實(shí)際情況需要增加或刪減部分步驟。以下列舉了我公司各類產(chǎn)品的完整涂層工藝流程：（1）、常規(guī)數(shù)控刀片：預(yù)清洗-微噴砂-清洗-涂層- (根據(jù)工藝要求是否進(jìn)行涂層后噴砂-清洗)（2）、特別

14、鋒利數(shù)控刀片（鋁加工刀片）：清洗-涂層（3）、常規(guī)整體刀具：預(yù)清洗-微噴砂-清洗-涂層（4）、特別鋒利整體刀具（鋁，銅加工刀具）和微小徑整體刀具(刃徑小于1mm)：清洗-涂層（5）、帶內(nèi)冷孔整體刀具：預(yù)清洗-蒸汽清洗內(nèi)冷孔-清洗-真空脫油-微噴砂-蒸汽清洗內(nèi)冷孔-清洗-涂層http/PVD涂層工藝曲線 PVD涂層工藝曲線包括：加熱、刻蝕、涂層、冷卻四個(gè)階段。 加熱:將工件加熱到合適的涂層溫度,并且最大限度去除殘余氣體. 刻蝕:在微觀尺度上改善工件表面的質(zhì)量,進(jìn)一步提高涂層與工件的結(jié)合力(一般需要使用到Ar氣) 涂層:根據(jù)設(shè)計(jì)需要沉積所需的涂層物質(zhì),既可以是單層涂層,也可以是多層涂層.(一般需要

15、使用到N2氣,濺射法還需要使用到Ar氣) 冷卻:涂層后冷卻到合適的放空溫度出爐(一般使用分子量小的惰性氣體He氣).http/PVD涂層在切削刀具中的應(yīng)用 涂層的作用 1)由于表層的涂層材料具有極高的硬度和耐磨性，故與末涂層硬質(zhì)合金相比，涂層硬質(zhì)合金允許采用較高的切削速度，從而提高了加工效率；或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。 2)由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故與未涂層刀片相比，涂層刀片的切削力和切削刃溫度有一定降低。 3)涂層刀片加工時(shí)，已加工表面質(zhì)量較好。 4)由于綜合性能好，涂層刀片有較好的通用性。涂層牌號(hào)的刀片有較寬的適用范圍。http/Q tot2Q S2材料材料刀具刀具切屑切屑Q tot1Q S1Q W1v c1材料材料刀具刀具切屑切屑Q W2v c2涂層涂層Q tot1左：無涂層刀片右：涂層刀片QS2QS1, QW2QW1，