Physikalische Gasphasenabscheidung

Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) handelt es sich um eine fortschrittliche Technologie, bei der Materialien in einer Vakuumumgebung mithilfe physikalischer Mittel zu Atomen, Molekülen oder Ionen verdampft und auf der Oberfläche eines Substrats abgeschieden werden, um einen dünnen Film zu bilden.

Der ultimative Leitfaden zur physikalischen Gasphasenabscheidung

In der modernen Materialwissenschaft und Oberflächentechnik nimmt die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) eine zentrale Stellung ein. Von elektronischen Produkten über optische Präzisionsinstrumente bis hin zu Schlüsselkomponenten in High-End-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt ist die PVD-Technologie allgegenwärtig. Sie kann eine dünne Schicht mit speziellen Funktionen auf der Materialoberfläche abscheiden. Diese Schichten verbessern nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Materials wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit, sondern verleihen ihm auch einzigartige optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, wodurch sich sein Anwendungsspektrum erheblich erweitert. Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie steigen auch die Anforderungen an die Materialleistung. Die PVD-Technologie wird ständig weiterentwickelt und bietet umfassende technische Unterstützung für die Anforderungen verschiedener Branchen.

Historie

Der Ursprung physikalische Gasphasenabscheidungstechnologie Die PVD-Technologie lässt sich bis ins frühe 20. Jahrhundert zurückverfolgen. Damals gab es einige erste Anwendungen, doch aufgrund technischer Gegebenheiten entwickelte sie sich nur langsam. Die wirklich rasante Entwicklung begann in den letzten 30 Jahren. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Vakuumtechnologie, Plasmatechnologie und Materialwissenschaft hat sich die PVD-Technologie schrittweise weiterentwickelt und findet in vielen Bereichen breite Anwendung.

In den 1960er Jahren wurde die Ionenplattierungstechnologie vorgeschlagen von DMMattox, was einen wichtigen Grundstein für die Entwicklung der PVD-Technologie legte. In den 1970er Jahren führten Bunshah und Juntz die reaktive Verdampfungsionenplattierung ein (AREIP), die erfolgreich superharte Schichten wie TiN und TiC abscheiden konnten. Diese superharten Schichten zeichnen sich durch extrem hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus, was die Anwendung der PVD-Technologie im industriellen Bereich, beispielsweise bei der Werkzeugbeschichtung, erheblich erweitert. Gleichzeitig entwickelten und perfektionierten Moley und Smith die Hohlkathoden-Ionenplattierung und entwickelten 1973 die Radiofrequenz-Ionenplattierung (RFIP), wodurch die Möglichkeiten und der Anwendungsbereich der PVD-Technologie weiter erweitert wurden.

In den 1980er Jahren kamen nacheinander das Magnetronsputtern-Ionenplattieren (MSIP) und das Mehrbogen-Ionenplattieren (MAIP) auf den Markt. Das Magnetronsputtern-Ionenplattieren vereint die Vorteile des Magnetronsputterns und des Ionenplattierens und verbessert so die Abscheidungsrate und die Filmqualität. Das Mehrbogen-Ionenplattieren hat sich aufgrund seiner hohen Ionisations- und Abscheidungsrate im Bereich der Oberflächenbehandlung etabliert und wird häufig zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungen für Formen, mechanische Teile usw. eingesetzt.

Seit den 1990er Jahren findet die PVD-Technologie in der Uhrenindustrie zunehmend Anwendung, insbesondere bei der Oberflächenbehandlung hochwertiger Uhrenteile aus Metall. Ihre exquisite Beschichtung und hohe Verschleißfestigkeit verleihen Uhren einzigartigen Charme und Wert. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der PVD-Technologie sind eine Reihe fortschrittlicher Technologien entstanden, darunter die Mehrbogen-Ionenplattierung und die Magnetron-Sputter-kompatible Technologie, große rechteckige Langbogentargets und Sputtertargets, unsymmetrische Magnetron-Sputtertargets, Doppeltargets, Streifenschaum-Mehrbogen-Wicklungsbeschichtung, Streifenfasergewebe-Wicklungsbeschichtung usw. Die verwendeten Beschichtungsanlagen entwickeln sich ebenfalls in Richtung computergestützter Vollautomatisierung und großindustrieller Fertigung. Dadurch spielen sie in vielen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Optik, dem Maschinenbau, dem Bauwesen, der Leichtindustrie, der Metallurgie usw. eine unverzichtbare Rolle.

PVD-Funktionsprinzip

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) bezeichnet die Technologie, bei der die Oberfläche der Materialquelle (fest oder flüssig) unter Vakuumbedingungen durch physikalische Methoden zu gasförmigen Atomen, Molekülen oder teilweise ionisierten Ionen verdampft wird. Anschließend wird durch Niederdruckgas (oder Plasma) ein dünner Film mit bestimmten Spezialfunktionen auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden. Das Grundprinzip lässt sich in drei Hauptschritte unterteilen:

Verdampfung

Das Beschichtungsmaterial wird durch Erhitzen, Sputtern, Lichtbogen usw. verdampft, sublimiert oder gesputtert, um eine Verdampfungsquelle für das Beschichtungsmaterial zu bilden. Beispielsweise wird bei der Vakuumverdampfung das feste Beschichtungsmaterial durch Widerstandsheizung, Elektronenstrahlheizung usw. auf die Verdampfungstemperatur erhitzt, sodass es in gasförmige Atome oder Moleküle umgewandelt wird. Bei der Sputterbeschichtung wird das Zielmaterial mit hochenergetischen Ionen beschossen, sodass die Atome an seiner Oberfläche genügend Energie erhalten, um zu entweichen und gasförmige Atome oder Moleküle zu bilden.

Migration

Die verdampften Atome, Moleküle oder Ionen der Beschichtung wandern in einer Vakuumumgebung oder in Niederdruckgas bzw. Plasma. Während des Wanderungsprozesses kollidieren sie mit anderen Partikeln, was zu verschiedenen Reaktionen wie Streuung und Anregung führt. Beispielsweise werden Ionen in einer Plasmaumgebung durch die Einwirkung des elektrischen Felds beschleunigt, kollidieren mit Gasmolekülen und ionisieren diese, wodurch die Dichte und Aktivität des Plasmas weiter erhöht wird.

Ablage

Die an die Substratoberfläche wandernden Plattierungsatome, -moleküle oder -ionen werden dort adsorbiert, diffundiert, bilden Keime und wachsen dort und bilden schließlich einen zusammenhängenden Film. Während der Abscheidung finden Atome oder Ionen eine geeignete Position auf der Substratoberfläche, um sich anzulagern, und sammeln sich allmählich zu winzigen Kristallkeimen. Mit dem Eintreffen weiterer Atome oder Ionen wachsen die Kristallkeime weiter, verbinden sich miteinander und bilden schließlich einen vollständigen Film.

Arten von PVD

Die PVD-Technologie wird im Wesentlichen in drei Kategorien unterteilt: Vakuumverdampfungsbeschichtung, Vakuumsputterbeschichtung und Vakuumionenbeschichtung. Vergleichen wir die drei PVD-Technologien in einer Tabelle:

Typ	Unterklassifizierung	Prinzip
Vakuum-Aufdampfbeschichtung	Widerstandserwärmung durch Aufdampfen	Fließt elektrischer Strom durch einen Widerstand, entsteht Wärme. Die Wärme lässt das Beschichtungsmaterial verdampfen. Das verdampfte Material kondensiert auf der Substratoberfläche und bildet einen Film. Beispielsweise legt man bei der Herstellung eines Metallfilms das Metall oder Blech auf eine widerstandsbeheizte Verdampfungsquelle (z. B. einen Wolframfaden). Nach der Elektrifizierung erzeugt das Heizelement Wärme, die das Metallmaterial verdampfen und beschichten lässt.
	Elektronenstrahlverdampfungsbeschichtung	Beschießt das Beschichtungsmaterial mit einem energiereichen Elektronenstrahl. Die kinetische Energie der Elektronen wird in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch das Beschichtungsmaterial verdampft. Der Elektronenstrahl wird von einer Elektronenkanone erzeugt. Verdampft das Beschichtungsmaterial in einer Hochvakuumumgebung, um eine hohe Verdampfungstemperatur zu erreichen. Es wird häufig zur Herstellung optischer Dünnschichten, Halbleiter-Dünnschichten usw. verwendet, beispielsweise zur Verdampfung von Titandioxid (\(TiO_2\)) zur Herstellung optischer Antireflexionsfilme.
	Lichtbogenentladungs-Aufdampfbeschichtung	Erzeugen Sie einen Lichtbogen zwischen Kathode und Anode, um das Beschichtungsmaterial zu verdampfen und zu ionisieren. Die hohe Temperatur des Lichtbogens lässt das Beschichtungsmaterial schnell verdampfen und ionisieren. Die Ionen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und lagern sich auf der Substratoberfläche ab. Beispielsweise können Sie bei der Herstellung einer Hartmetallbeschichtung durch Lichtbogenentladung Metallverbindungen verdampfen und eine Hartbeschichtung auf der Werkzeugoberfläche abscheiden.
	Laserstrahlverdampfungsbeschichtung	Bestrahlen Sie das Beschichtungsmaterial mit einem hochenergetischen Laserstrahl, sodass es gleichzeitig verdampft und ionisiert wird. Die hohe Energie des Lasers ermöglicht eine präzise Steuerung von Verdampfungsfläche und -menge und eignet sich zur Herstellung spezieller Dünnschichten und Mikro- und Nanostrukturschichten. Wählen Sie beispielsweise bei der Herstellung einer ultraharten Schicht auf einem Werkzeug geeignete Materialien aus und stellen Sie sicher, dass die Laserablation den Designanforderungen entspricht.
Vakuum-Sputterbeschichtung	DC-Sputterbeschichtung	In einer Vakuumumgebung wird ein Inertgas (z. B. Argon) eingeführt. Durch Gleichspannung erzeugt das Gas Plasma zwischen den Elektroden. Positive Ionen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und bombardieren das Zielmaterial. Die gesputterten Zielatome lagern sich auf der Substratoberfläche ab und bilden einen Film. Dieses Verfahren wird häufig zur Abscheidung von Metallfilmen verwendet, beispielsweise zum Aufsprühen eines Metallfilms auf Glas, um metallbeschichtetes Glas für die Reflexion vorzubereiten.
	HF-Sputterbeschichtung	Bei Isoliermaterialien wird mithilfe einer HF-Stromversorgung ein HF-elektrisches Feld erzeugt, das ein Gasplasma erzeugt. Das HF-elektrische Feld lässt Elektronen im elektrischen Feld schwingen, mit Gasmolekülen kollidieren und ionisieren, wodurch Plasma erzeugt wird. Dadurch wird die Sputterbeschichtung von Isoliermaterialien realisiert. Es kann zur Herstellung von Oxid-, Nitrid- und anderen Isolierschichten verwendet werden, beispielsweise durch Sputtern von Siliziumdioxid (\(SiO_2\)) Folie zur Isolierung integrierter Schaltkreise.
	Magnetron-Sputter-Beschichtung	Ein Magnetfeld wird in die Sputterkammer eingebracht. Durch die Einwirkung des Magnetfelds verlängert sich die Bewegungsbahn der Elektronen, wodurch die Kollisionswahrscheinlichkeit zwischen Elektronen und Gasmolekülen steigt, die Ionisierungsrate des Gases verbessert und die Targetauslastung erhöht wird. Es wird häufig bei der Herstellung verschiedener Dünnschichten eingesetzt, beispielsweise beim Sputtern einer transparenten und leitfähigen Indiumzinnoxid-Schicht (ITO) auf Flachbildschirmen.
Vakuum-Ionenbeschichtung	Ionenbeschichtung	Das Beschichtungsmaterial wird durch Verdampfen, Zerstäuben oder andere Methoden in einem elektrischen Feld ionisiert. Unter der Einwirkung des elektrischen Felds auf das Substrat werden die Ionen beschleunigt und lagern sich dort ab, wo sie einen Film bilden. Die Ionenbeschichtung hat eine starke Film-Substrat-Bindungskraft, und die Filmschicht ist dicht und gleichmäßig. Sie eignet sich für die Oberflächenbeschichtung verschiedener Materialien, beispielsweise zum Beschichten einer Formoberfläche mit einem Titannitridfilm (TiN) zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit.
	Reaktive Ionenbeschichtung	Während des Ionenbeschichtungsprozesses wird ein reaktives Gas (wie Sauerstoff, Stickstoff usw.) eingeführt, das mit den verdampften Atomen des Beschichtungsmaterials auf der Substratoberfläche reagiert und einen Verbundfilm bildet. Beispielsweise reagieren die verdampften Titanionen bei der Sauerstoffzufuhr mit Sauerstoff zu Titandioxid (\(TiO_2\)) Film auf der Substratoberfläche, der in der Optik, Photokatalyse und anderen Bereichen verwendet werden kann.
	Multi-Arc-Ionenbeschichtung	Durch Kathodenbogenentladung werden mehrere Lichtbogenpunkte auf der Zieloberfläche erzeugt. Das Beschichtungsmaterial an den Lichtbogenpunkten wird gleichzeitig verdampft und ionisiert. Die Ionen werden unter Einwirkung des elektrischen Felds beschleunigt und lagern sich auf der Substratoberfläche ab. Die Ionisierungsrate des Beschichtungsmaterials der Mehrfach-Lichtbogen-Ionenbeschichtung ist hoch, und die Abscheidungsrate ist schnell. Sie wird häufig zur Herstellung dekorativer und funktioneller Beschichtungen verwendet, beispielsweise zur Beschichtung von Oberflächen mit Goldfolien zur Dekoration.

PVD-Betriebsschritte

Materialvorbereitung: Wählen Sie geeignete Beschichtungs- und Substratmaterialien. Die Auswahl der Beschichtungsmaterialien sollte auf die Leistung und Anwendung der gewünschten Schicht abgestimmt sein. Für eine verschleißfeste Beschichtung können beispielsweise TiN, CrN und andere Materialien verwendet werden. Beim Substratmaterial sollte die Kompatibilität mit der Schicht und das Anwendungsszenario berücksichtigt werden. Metallsubstrate werden beispielsweise häufig für die Beschichtung mechanischer Teile verwendet. Glassubstrate werden häufig für optische Schichten verwendet. Stellen Sie die Reinheit und Qualität der Beschichtungs- und Substratmaterialien sicher, entfernen Sie Verunreinigungen, Ölflecken und Oxide von der Oberfläche und nutzen Sie chemische Reinigung, Ultraschallreinigung und andere Vorbehandlungsmethoden. Für einige Anwendungen mit extrem hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität kann auch Polieren erforderlich sein.

Ausrüstungsvorbereitung: Überprüfen und debuggen Sie die PVD-Ausrüstung, einschließlich Vakuumsystem, Heizsystem, Stromversorgungssystem, Gasversorgungssystem usw. Stellen Sie sicher, dass das Vakuumsystem den erforderlichen Vakuumgrad erreichen kann. PVD muss im Allgemeinen in einer Hochvakuumumgebung durchgeführt werden, und der Vakuumgrad muss normalerweise 10⁻³ – 10⁻⁶ Pa oder sogar weniger erreichen. Das Heizsystem muss die Temperatur genau regeln können, um die Anforderungen der Beschichtungsvergasung zu erfüllen. Das Stromversorgungssystem muss stabil und zuverlässig sein und die entsprechende Spannung und Stromstärke für verschiedene Ionisierungs- und Sputterprozesse bereitstellen. Das Gasversorgungssystem muss die Reinheit und den Durchfluss des Gases gewährleisten. Abhängig von den verschiedenen PVD-Verfahren und Dünnschichtmaterialien müssen möglicherweise Argon, Stickstoff, Sauerstoff und andere Gase zugeführt werden.

Ofenbeladung: Installieren Sie das vorbehandelte Substrat und das Beschichtungsmaterial in der Vakuumkammer der PVD-Anlage. Das Substrat sollte so positioniert werden, dass es die Beschichtung gleichmäßig aufnehmen kann. Zur Fixierung des Substrats kann eine spezielle Vorrichtung oder ein Aufhänger verwendet werden. Das Beschichtungsmaterial wird in der Verdampfungsquelle, dem Targetmaterial und anderen Positionen installiert. Beispielsweise wird bei der Widerstandsverdampfung das Beschichtungsmaterial auf dem Widerstandsheizelement platziert; bei der Sputterbeschichtung wird das Targetmaterial auf der Sputterkathode installiert. Während des Installationsprozesses ist darauf zu achten, dass keine neuen Verunreinigungen und Kontaminationen eingeführt werden.

Staubsauger: Starten Sie das Vakuumsystem und saugen Sie die Luft in der Vakuumkammer ab, um den gewünschten Vakuumgrad zu erreichen. In der Regel wird eine mechanische Pumpe zum Grobpumpen verwendet, um den Vakuumgrad auf etwa 1–10 Pa zu senken. Anschließend wird eine Diffusionspumpe, Molekularpumpe usw. zum Hochpumpen eingesetzt, um den Vakuumgrad weiter auf den Zielwert zu senken. Während des Vakuumiervorgangs sollten die Veränderungen des Vakuumgrads überwacht werden, um den normalen Betrieb des Vakuumsystems sicherzustellen. Sollten Probleme wie Luftlecks auftreten, sollten diese umgehend überprüft und behoben werden.

Erhitzen und VerdampfenJe nach gewähltem PVD-Verfahren wird das Beschichtungsmaterial erhitzt, um es zu verdampfen. Bei der Vakuumverdampfung wird das Beschichtungsmaterial mittels Widerstandsheizung, Elektronenstrahlheizung usw. erhitzt und verdampft; bei der Sputterbeschichtung wird das Zielmaterial im Plasma mit Ionen beschossen, um die Zielatome herauszusputtern; bei der Ionenplattierung wird das Beschichtungsmaterial mittels Lichtbogenentladung usw. verdampft und ionisiert. Während des Heiz- und Verdampfungsprozesses müssen Parameter wie Temperatur und Leistung präzise kontrolliert werden, um die Stabilität der Verdampfungsrate und die Qualität des Beschichtungsmaterials zu gewährleisten.

Ablage: Atome, Moleküle oder Ionen gasförmiger Beschichtungsmaterialien wandern in einer Vakuumumgebung zur Substratoberfläche und lagern sich dort ab, wo sie einen dünnen Film bilden. Während des Abscheidungsprozesses kann das Substrat je nach Bedarf erwärmt oder gekühlt werden, um die Wachstumsrate und Qualität des Films zu steuern. Beispielsweise kann eine entsprechende Erhöhung der Substrattemperatur die Diffusion von Atomen auf der Substratoberfläche fördern und den Film dichter machen; eine Senkung der Substrattemperatur kann hingegen zu erhöhten Spannungen im Film führen. Gleichzeitig lassen sich Struktur und Eigenschaften des Films durch die Steuerung von Parametern wie Energie und Einfallswinkel der Ionen anpassen.

Kühlen und Entladen: Nach Abschluss der Abscheidung wird die Erwärmung unterbrochen und die Temperatur in der Vakuumkammer allmählich absinken gelassen. Sobald die Temperatur auf einen geeigneten Bereich gesunken ist, wird die Vakuumkammer geöffnet und das mit dem Film beschichtete Substrat entnommen. Beim Abkühlen ist darauf zu achten, dass Probleme wie Risse oder Ablösen des Films durch schnelle Temperaturschwankungen vermieden werden. Die entnommenen Proben können anschließend getestet und weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Messung der Filmdicke, zur Analyse der Zusammensetzung oder zu Leistungstests.

PVD-Technologiematerialien

Aufdampfbeschichtung

Für die Aufdampfbeschichtung ist ein niedriger Schmelzpunkt und Dampfdruck des Beschichtungsmaterials erforderlich. Daher eignen sich Metalle (wie Aluminium, Kupfer, Gold usw.) und einige niedrigschmelzende Legierungen (wie Zinn-Blei-Legierungen) besser für die Aufdampfbeschichtung. Um die Gleichmäßigkeit und Qualität der Filmschicht zu gewährleisten, müssen Temperatur und Verdampfungsrate der Verdampfungsquelle genau kontrolliert werden.

Sputterbeschichtung

Die Anforderungen an das Beschichtungsmaterial beim Sputtern sind relativ gering. Metalle, Legierungen, Keramiken, Halbleiter usw. sind geeignet. Die Sputterrate und die Sputtereigenschaften verschiedener Materialien unterscheiden sich. Entsprechend den Materialeigenschaften, wie z. B. Sputtergasart, Sputterleistung und Sputtergasdruck, müssen geeignete Sputterparameter ausgewählt werden.

Ionenplattierung

Die Ionenplattierung kombiniert die Vorteile der Aufdampf- und Sputterbeschichtung, um die Haftfestigkeit zwischen Filmschicht und Substrat sowie die Qualität der Filmschicht zu verbessern. Bei der Ionenplattierung werden die Beschichtungspartikel ionisiert und beschleunigt, sodass das Beschichtungsmaterial eine gute Leitfähigkeit aufweisen oder unter bestimmten Bedingungen ionisiert werden muss.

Metallindustrie

Aluminium (Al), Titan (Ti), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag) usw. Aluminiumfilme haben eine gute Leitfähigkeit und Reflektivität und werden häufig in Elektroden und optischen Reflektoren elektronischer Geräte verwendet. Titanfilme haben eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität und werden häufig in medizinischen Geräten, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen verwendet. Chromfilme haben eine hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit und werden oft zur Oberflächenbeschichtung mechanischer Teile verwendet. Gold- und Silberfilme werden aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit und chemischen Stabilität in den Bereichen Elektronik und Dekoration bevorzugt.

Legierung

Legierungsfilme wie Titan-Aluminium-Legierungen (TiAl) und Nickel-Chrom-Legierungen (NiCr) vereinen die Vorteile mehrerer Metalle. Beispielsweise vereint ein TiAl-Legierungsfilm die Eigenschaften von Titan und Aluminium: hohe Temperaturfestigkeit, geringe Dichte, gute Oxidationsbeständigkeit usw. Er eignet sich für die Beschichtung von Hochtemperaturteilen wie Flugzeugtriebwerken. NiCr-Legierungsfilme weisen eine gute Hitze- und Korrosionsbeständigkeit auf und werden häufig in Heizelementen und Korrosionsschutzbeschichtungen eingesetzt.

Verbindungen

Carbide: wie Titankarbid (TiC), Chromkarbid (CrC) usw. Karbidfilme haben eine extrem hohe Härte, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit und werden häufig für Oberflächenbeschichtungen von Werkzeugen, Formen usw. verwendet.

Nitride: wie Titannitrid (TiN), Chromnitrid (CrN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN) usw. Nitridschichten sind nicht nur hart, sondern weisen auch eine gute chemische Stabilität und dekorative Eigenschaften auf. TiN-Schichten sind goldgelb und werden häufig für dekorative Goldimitationsbeschichtungen verwendet. Sie sind auch ein gängiges Material für Werkzeugbeschichtungen. TiAlN-Schichten behalten auch bei hohen Temperaturen ihre hohe Härte und Oxidationsbeständigkeit und eignen sich für Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge.

Oxides: wie Titandioxid (Verbindungs-Sputtertargets), Zinkoxid (ZnO), Indiumzinnoxid (ITO) usw. TiO₂-Filme haben eine photokatalytische Aktivität, sind lichtdurchlässig und korrosionsbeständig und werden für die photokatalytische Zersetzung von Schadstoffen, Solarzellen und optischen Geräten verwendet; ZnO-Filme sind piezoelektrisch, haben Halbleitereigenschaften und sind UV-abschirmend und werden in Sensoren, elektronischen Geräten und Sonnenschutzmaterialien verwendet; ITO-Filme sind transparente, leitfähige Filme, die häufig in elektronischen Geräten wie Flüssigkristallanzeigen und Touchscreens verwendet werden.

Borid: wie Titanborid (TiB₂), Zirkoniumborid (ZrB₂) usw. Boridfilme haben eine hohe Härte, einen hohen Schmelzpunkt und eine gute Leitfähigkeit und werden für verschleißfeste Beschichtungen, Elektrodenmaterialien usw. verwendet.

Vorteile der PVD-Beschichtung

Gute Leistung

PVD-Beschichtungen zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften wie hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aus. Beispielsweise kann die Härte einer TiN-Beschichtung 2000–2500 HV erreichen, was der drei- bis vierfachen Härte von Schnellarbeitsstahl entspricht.

Starke Verbindung mit dem Untergrund

Wenn die Plattierungsatome oder -ionen auf der Substratoberfläche abgeschieden werden, diffundieren sie und verbinden sich chemisch mit den Substratatomen, wodurch eine starke Bindung entsteht. Dies gewährleistet die langfristige Wirksamkeit und Stabilität der Beschichtung.

Mehrere Materialoptionen

Eine Vielzahl von Materialien wie Metalle, Legierungen und Verbindungen werden als Beschichtungsmaterialien verwendet, um Filme mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und Eigenschaften herzustellen. Kontrollieren Sie Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften des Films präzise, um den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Bereiche gerecht zu werden.

Gleichmäßige und kontrollierbare Beschichtungsdicke

Die PVD-Technologie ermöglicht eine gleichmäßige Beschichtungsabscheidung auf der Oberfläche komplex geformter Substrate. Berechnen Sie Abscheidungszeit, Leistung, Gasfluss usw. genau, um die Beschichtungsdicke präzise zu steuern. Von wenigen Nanometern bis zu mehreren zehn Mikrometern.

Keine Verschmutzung

Im Vergleich zur herkömmlichen Galvanisierung wird die PVD-Technologie in einer Vakuumumgebung durchgeführt, verwendet keine großen Mengen chemischer Lösungen, vermeidet die Entstehung von Abwasser, Abgasen und Abfallrückständen usw. und ist umweltfreundlich.

Gute dekorative Wirkung

PVD-Beschichtungen können in verschiedenen Farben und mit unterschiedlichem Glanz erhältlich sein, z. B. in Gold, Silber, Schwarz, Roségold usw. Die Farbe ist langlebig und stabil und verblasst nicht so leicht. Sie verbessern die Optik und den dekorativen Effekt von Schmuck, Uhren usw.

Anwendungsbereiche

Die PVD-Technologie deckt nahezu alle Bereiche der modernen Industrie ab, von Elektronik, Optik, Maschinenbau bis hin zu Dekoration, Medizin, Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen, und spielt eine unverzichtbare Rolle. Sie verbessert nicht nur die Leistung und Qualität von Teilen, sondern erfüllt auch die Bedürfnisse der Menschen nach Schönheit, Umweltschutz und anderen Aspekten.

Mechanische Fertigung

PVD-Beschichtungen werden hauptsächlich zur Leistungssteigerung von Werkzeugen, Formen und mechanischen Teilen eingesetzt. Werkzeuge werden üblicherweise mit TiN-, TiCN-, TiAlN- und anderen Beschichtungen beschichtet, um Härte, Verschleißfestigkeit und Schneidleistung zu verbessern. Die Formoberfläche wird häufig mit Cr-, TiAl-Legierungen und anderen Beschichtungen beschichtet, um den Reibungskoeffizienten zwischen Form und Werkstück zu verringern. Bei mechanischen Teilen wie Lagern und Zahnrädern kann eine DLC-Beschichtung (diamantähnlicher Kohlenstoff) eingesetzt werden, um Reibungsverluste zu reduzieren und die Bewegungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Teile zu verbessern.

Bereich Elektronik

Die PVD-Beschichtungstechnologie wird häufig bei der Herstellung integrierter Schaltkreise, Flachbildschirmen, Sensoren usw. eingesetzt. Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise werden hochreine Metallmaterialien (wie Kupfer und Aluminium) und Halbleitermaterialien (wie Silizium) zum Beschichten benötigt, um Elektroden, Verbindungen und Halbleiterbauelemente herzustellen. Im Bereich der Flachbildschirme werden ITO-Filme häufig als transparente leitfähige Elektroden in LCD-, OLED- und anderen Anzeigegeräten verwendet. Im Bereich der Sensoren können Sensoren durch das Beschichten von Filmen mit spezifischen Funktionen (wie gasempfindlichen Filmen, feuchtigkeitsempfindlichen Filmen usw.) bestimmte physikalische oder chemische Größen erkennen.

Optisches Feld

In der Optik wird PVD-Beschichtung hauptsächlich zur Herstellung optischer Dünnschichten wie Reflexions-, Antireflex- und Filterfolien eingesetzt. Je nach den Anforderungen an die optische Leistung werden geeignete optische Materialien und Beschichtungstechnologien ausgewählt. Beispielsweise ist bei optischen Instrumenten wie Teleskopen und Mikroskopen die Beschichtung mit mehreren Schichten Antireflexionsfolien erforderlich, um den Reflexionsverlust auf der Linsenoberfläche zu reduzieren und die Lichtdurchlässigkeit und Abbildungsqualität des Instruments zu verbessern. Bei Lasergeräten ist die Beschichtung mit hochreflektierenden Reflexionsfolien erforderlich, um die Ausgangsleistung und Stabilität des Lasers zu verbessern.

Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt wird die PVD-Beschichtungstechnologie hauptsächlich zur Leistungssteigerung von Flugzeugtriebwerksteilen und Flugzeugoberflächen eingesetzt. Beispielsweise kann das Beschichten von Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken mit TiAl-Legierungsschichten deren Hochtemperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und thermische Korrosionsbeständigkeit verbessern. Das Beschichten von Flugzeugoberflächen mit Anti-Strahlungsschichten blockiert wirksam kosmische Strahlung und Sonneneinstrahlung und schützt so die Sicherheit von Ausrüstung und Personal im Flugzeug.

Dekoration

Im Bereich der Dekoration wird PVD-Beschichtung hauptsächlich eingesetzt, um Produkten ein schönes Aussehen und eine gute Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Gängige dekorative Beschichtungsmaterialien sind TiN, ZrN, CrN und Gold. TiN- und ZrN-Beschichtungen können ein goldenes Aussehen erzeugen und werden häufig in Produkten wie Uhren, Brillengestellen und Schmuck verwendet. CrN-Beschichtungen können schwarz wirken und werden häufig in Produkten wie Autofelgen und Badezimmerarmaturen verwendet. Vergoldungen verleihen Produkten ein luxuriöses, goldenes Aussehen und werden häufig im Bereich der hochwertigen Dekoration eingesetzt.

PVD vs. CVD

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sind zwei wichtige Technologien zur Dünnschichtherstellung. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Prinzipien, Prozesseigenschaften und Anwendungsgebiete. Nachfolgend finden Sie einen detaillierten Vergleich von PVD und CVD in Tabellenform:

Vergleichsartikel	PVD (Sputtern, thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, gepulste Laserabscheidung, Kathodenzerstäubung, Magnetronsputtern).	CVD (Chemical Vapor Deposition, am Beispiel von herkömmlicher thermischer CVD und plasmaverstärkter CVD).
Prinzip	Vergasen Sie das Beschichtungsmaterial durch physikalische Methoden wie Erhitzungsverdampfung, Ionenzerstäubung usw. Anschließend lagert sich das gasförmige Beschichtungsmaterial auf der Substratoberfläche ab und bildet einen Film.	Verwenden Sie gasförmige chemische Substanzen, um unter Bedingungen wie hohen Temperaturen oder Plasma chemische Reaktionen durchzuführen, um feste Substanzen zu erzeugen und diese auf der Substratoberfläche abzuscheiden, um einen Film zu bilden.
Abscheidungstemperatur	Im Allgemeinen relativ niedrig, meist unter 500 °C. Einige Prozesse, wie beispielsweise die Elektronenstrahlverdampfung, können bei Raumtemperatur durchgeführt werden.	Normalerweise relativ hoch. Thermische CVD liegt im Allgemeinen zwischen 800 und 1200 °C. Plasmagestützte CVD kann auf 300 – 800 °C reduziert werden.掳C, aber es ist immer noch relativ hoch.
Dünnschichtqualität	Die Filmschicht ist dicht, weist eine starke Haftung auf dem Substrat, eine hohe Oberflächengüte und einen geringen Verunreinigungsgehalt auf.	Die Filmschicht ist relativ dick, weist eine gute Kristallinität und eine gleichmäßige Struktur auf, kann jedoch eine geringe Menge an Verunreinigungen enthalten und die Oberflächenbeschaffenheit ist relativ gering.
Ablagerungsrate	Relativ niedrig, insbesondere bei Verfahren wie Sputtern. Die Abscheidungsrate liegt im Allgemeinen zwischen einigen Nanometern pro Sekunde und Dutzenden von Nanometern pro Sekunde. Thermische Verdampfung und Elektronenstrahlverdampfung sind vergleichsweise schneller.	Relativ hoch. Die Abscheidungsrate bei thermischer CVD kann Dutzende Nanometer pro Sekunde bis mehrere Mikrometer pro Sekunde erreichen. Auch die Abscheidungsrate bei plasmaunterstützter CVD ist relativ hoch.
Ausrüstungskosten	Die Ausrüstung ist komplex und der Preis ist relativ hoch, da zahlreiche Präzisionskomponenten wie Vakuumsysteme und Stromversorgungssysteme erforderlich sind.	Die Ausrüstung ist relativ einfach, erfordert jedoch Hochtemperatur-Heizgeräte und Gasversorgungssysteme. Die Gesamtkosten sind ebenfalls relativ hoch, und die Wartungskosten für Hochtemperaturgeräte sind ebenfalls relativ hoch.
Prozesskomplexität	Es gibt viele Prozessparameter und hohe Anforderungen an die Kontrolle von Vakuumgrad, Temperatur, Leistung usw. Der Betriebsaufwand ist relativ groß.	Der Prozess beinhaltet chemische Reaktionen und erfordert eine präzise Kontrolle von Parametern wie Durchflussrate, Anteil und Temperatur des Reaktionsgases. Hohe Anforderungen an die Überwachung und Kontrolle des Reaktionsprozesses.
Einfluss auf das Substrat	Die Niedertemperaturabscheidung hat nur einen geringen thermischen Einfluss auf das Substrat und führt kaum zu Verformungen und Leistungseinbußen. Ein Beschuss mit hochenergetischen Ionen kann jedoch zu Schäden an der Substratoberfläche führen.	Die Hochtemperaturabscheidung kann zu Struktur- und Leistungsänderungen des Substratmaterials führen, beispielsweise zu Kornwachstum und thermischer Belastung des Substrats. Es gelten bestimmte Anforderungen an Material und Struktur des Substrats.
Anwendbare Materialien	Geeignet für die Beschichtung verschiedener Materialien wie Metalle, Legierungen und Keramik. Es können dünne Metallfilme, zusammengesetzte dünne Filme usw. hergestellt werden.	Geeignet für verschiedene Substratmaterialien. Es eignet sich zur Herstellung verschiedener Dünnschichten, z. B. aus Keramik, Halbleitern und Metallen. Es eignet sich besonders zur Herstellung von Dünnschichten aus hochschmelzenden Materialien und Dünnschichten mit komplexen Strukturen.
Anwendungsgebiete	Weit verbreitet in Bereichen wie Elektronik, Optik, Maschinenbau und Dekoration, wie z. B. Metallverdrahtung bei der Chipherstellung, Antireflexionsfolien für optische Linsen, verschleißfeste Beschichtungen für Schneidemaschinen, dekorative Beschichtungen für Uhren usw.	Wird hauptsächlich in der Halbleiterherstellung (wie etwa der Herstellung von Isolierschichten und Diffusionsschichten in integrierten Schaltkreisen), bei Hartmetall-Schneidbeschichtungen, in optischen Bereichen (wie etwa der Herstellung von Glasfaser-Vorformen) usw. für Bereiche mit hohen Anforderungen an die Qualität und Struktur dünner Filme verwendet.

PVD vs. Galvanisieren

PVD und Galvanisieren sind beides gängige Oberflächenbehandlungstechnologien. Sie unterscheiden sich deutlich in Prinzip, Prozesseigenschaften, Leistung usw. Nachfolgend ein tabellarischer Vergleich:

Vergleichsartikel	PVD (Sputtern, thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, gepulste Laserabscheidung, Kathodenzerstäubung, Magnetronsputtern).	CVD (Chemical Vapor Deposition, am Beispiel der herkömmlichen thermischen CVD und der plasmaverstärkten CVD).
Prinzip	Vergasen Sie das Beschichtungsmaterial durch physikalische Methoden wie thermische Verdampfung, Ionenzerstäubung usw. Anschließend lagert sich das gasförmige Beschichtungsmaterial auf der Substratoberfläche ab und bildet einen Film.	Nutzen Sie gasförmige chemische Substanzen, um unter Bedingungen wie hohen Temperaturen oder Plasma chemische Reaktionen durchzuführen und so feste Substanzen zu erzeugen, die sich dann auf der Substratoberfläche ablagern und einen Film bilden.
Abscheidungstemperatur	Im Allgemeinen relativ niedrig, meist unter 500掳C. Einige Prozesse, wie beispielsweise die Elektronenstrahlverdampfung, können bei Raumtemperatur durchgeführt werden.	Normalerweise relativ hoch. Thermische CVD liegt im Allgemeinen im Bereich von 800 bis 1200 °C. Plasmaunterstützte CVD kann auf 300 bis 800 °C reduziert werden, ist aber immer noch relativ hoch.
Dünnschichtqualität	Die Filmschicht ist dicht, weist eine starke Bindungskraft mit dem Substrat, eine hohe Oberflächengüte und einen geringen Verunreinigungsgehalt auf.	Die Filmschicht ist relativ dick, weist eine gute Kristallinität und eine gleichmäßige Struktur auf, kann jedoch eine geringe Menge an Verunreinigungen enthalten und die Oberflächenbeschaffenheit ist relativ gering.
Ablagerungsrate	Relativ niedrig. Insbesondere bei Verfahren wie dem Sputtern liegt die Abscheidungsrate im Allgemeinen zwischen einigen Nanometern pro Sekunde und Dutzenden von Nanometern pro Sekunde. Thermische Verdampfung und Elektronenstrahlverdampfung sind vergleichsweise schneller.	Relativ hoch. Die Abscheidungsrate bei thermischer CVD kann Dutzende Nanometer pro Sekunde bis hin zu mehreren Mikrometern pro Sekunde erreichen. Auch die Abscheidungsrate bei plasmaunterstützter CVD ist relativ hoch.
Ausrüstungskosten	Die Ausrüstung ist komplex und relativ teuer und umfasst zahlreiche Präzisionskomponenten wie Vakuumsysteme und Stromversorgungssysteme.	Die Ausrüstung ist relativ einfach, erfordert jedoch Hochtemperatur-Heizgeräte und Gasversorgungssysteme. Die Gesamtkosten sind ebenfalls relativ hoch, und die Wartungskosten für Hochtemperaturgeräte sind ebenfalls relativ hoch.
Prozesskomplexität	Es gibt viele Prozessparameter und hohe Anforderungen an die Kontrolle von Vakuumgrad, Temperatur, Leistung usw., und der Betriebsaufwand ist relativ groß.	Der Prozess umfasst chemische Reaktionen, die eine präzise Kontrolle von Parametern wie Durchflussrate, Anteil und Temperatur des Reaktionsgases erfordern, sowie hohe Anforderungen an die Überwachung und Kontrolle des Reaktionsprozesses stellen.
Einfluss auf das Substrat	Die Niedertemperaturabscheidung hat nur einen geringen thermischen Einfluss auf das Substrat und führt kaum zu Verformungen und Leistungseinbußen. Ein Beschuss mit hochenergetischen Ionen kann jedoch zu Schäden an der Substratoberfläche führen.	Durch die Abscheidung bei hohen Temperaturen können sich Struktur und Leistung des Substratmaterials verändern, beispielsweise Kornwachstum und thermische Spannungen im Substrat auftreten. An das Material und die Struktur des Substrats werden bestimmte Anforderungen gestellt.
Anwendbare Materialien	Geeignet für die Beschichtung verschiedener Materialien wie Metalle, Legierungen und Keramiken und kann zur Herstellung dünner Metallfilme, dünner Verbundfilme usw. verwendet werden.	Geeignet für verschiedene Substratmaterialien und zur Herstellung verschiedener dünner Filme wie Keramik, Halbleiter und Metalle. Es eignet sich besonders zur Herstellung dünner Filme aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt und dünner Filme mit komplexen Strukturen.
Anwendungsgebiete	Weit verbreitet in Bereichen wie Elektronik, Optik, Maschinenbau und Dekoration, beispielsweise als Metallverdrahtung bei der Chipherstellung, als Antireflexionsfolie für optische Linsen, als verschleißfeste Beschichtung für Schneidgeräte, als dekorative Beschichtung für Uhren usw.	Wird hauptsächlich in der Halbleiterherstellung (wie etwa der Herstellung von Isolierschichten und Diffusionsschichten in integrierten Schaltkreisen), bei Hartmetall-Schneidbeschichtungen, in optischen Bereichen (wie etwa der Herstellung von Glasfaser-Vorformen) usw. verwendet, in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Qualität und Struktur dünner Filme.

Fazit

Als eine der Schlüsseltechnologien der modernen Materialoberflächenbehandlung bietet die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) einzigartige Vorteile und breite Anwendungsmöglichkeiten. Die PVD-Technologie umfasst verschiedene Arten, wie z. B. Vakuumverdampfungsbeschichtung, Vakuumsputtern und Vakuumionenbeschichtung. Jede Art hat ihre eigenen Eigenschaften und Anwendungsbereiche und bietet vielfältige Möglichkeiten für unterschiedliche Materialien und Anwendungsszenarien. Gleichzeitig bietet die PVD-Technologie eine große Auswahl an Materialien, darunter Metalle, Legierungen und Verbindungen. Sie ermöglicht die Herstellung von Schichten, die unterschiedlichen Leistungsanforderungen gerecht werden, wie z. B. verschleißfesten, korrosionsbeständigen, optischen, elektrischen und anderen Funktionsschichten.

Im Anwendungsbereich deckt die PVD-Technologie nahezu alle Aspekte der modernen Industrie ab, von Hightech-Bereichen wie Elektronik, Optik und Maschinenbau bis hin zu alltäglichen und anspruchsvollen Anwendungsbereichen wie Dekoration, Medizin und Luft- und Raumfahrt. Sie spielt eine unverzichtbare Rolle. Im Vergleich zu anderen Oberflächenbehandlungstechnologien wie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und der Galvanisierung weist die PVD-Technologie deutliche Unterschiede hinsichtlich ihrer Prinzipien, Prozesseigenschaften, Filmeigenschaften usw. auf und eignet sich für unterschiedliche Anwendungsszenarien.

Physikalische Gasphasenabscheidung

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