Deposición fisica de vapor
La deposición física de vapor (PVD) es una tecnología avanzada que utiliza medios físicos para vaporizar materiales en átomos, moléculas o iones en un entorno de vacío y depositarlos en la superficie de un sustrato para formar una película delgada.
- Recubrimiento de iones al vacío
- Recubrimiento por pulverización catódica al vacío
- Recubrimiento por evaporación al vacío
- Más de 2000 opciones de materiales de destino
- Películas desde 5 nanómetros hasta 50 micras
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La guía definitiva sobre la deposición física de vapor
En el campo de la ciencia de los materiales modernos y la ingeniería de superficies, la tecnología de deposición física de vapor (PVD) ocupa un lugar fundamental. Desde productos electrónicos e instrumentos ópticos de precisión hasta componentes clave en sectores de alta gama como el aeroespacial, la tecnología PVD está presente en todas partes. Permite depositar una capa delgada con funciones especiales sobre la superficie del material. Estas películas no solo mejoran las propiedades físicas del material, como la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la conductividad, sino que también le otorgan propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas únicas, ampliando considerablemente su rango de aplicación. Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, los requisitos de rendimiento de los materiales son cada vez más estrictos. La tecnología PVD también está en constante innovación y evolución, ofreciendo un sólido soporte técnico para satisfacer las necesidades de diversas industrias.
Breve historia
El origen de tecnología de deposición física de vapor Su origen se remonta a principios del siglo XX. En aquel entonces, tuvo algunas aplicaciones preliminares, pero debido a las condiciones técnicas, su desarrollo fue lento. El verdadero desarrollo rápido comenzó en los últimos 20 años. Con el continuo progreso de la tecnología de vacío, la tecnología de plasma y la ciencia de los materiales, la tecnología PVD ha madurado gradualmente y se ha utilizado ampliamente en diversos campos.
En la década de 1960, la tecnología de recubrimiento iónico fue propuesta por DMMattox, sentando una base importante para el desarrollo de la tecnología PVD. Posteriormente, en la década de 1970, Bunshah y Juntz introdujeron el recubrimiento iónico por evaporación reactiva (ARIP), depositando con éxito películas superduras como TiN y TiC. Estas películas superduras presentan una dureza y resistencia al desgaste extremadamente altas, lo que expandió considerablemente la aplicación de la tecnología PVD en el ámbito industrial, como el recubrimiento de herramientas. Simultáneamente, Moley y Smith desarrollaron y perfeccionaron el recubrimiento iónico de cátodo hueco caliente y, en 1973, el recubrimiento iónico por radiofrecuencia (RFIP), ampliando aún más los métodos y el ámbito de aplicación de la tecnología PVD.
En la década de 1980, surgieron sucesivamente el recubrimiento iónico por pulverización catódica magnetrónica (MSIP) y el recubrimiento iónico multiarco (MAIP). El recubrimiento iónico por pulverización catódica magnetrónica combina las ventajas de ambos, mejorando la velocidad de deposición y la calidad de la película. El recubrimiento iónico multiarco se ha consolidado en el campo del tratamiento de superficies gracias a sus altas tasas de ionización y deposición, y se utiliza ampliamente en la preparación de recubrimientos superficiales para moldes, piezas mecánicas, etc.
A principios de la década de 1990, la tecnología PVD se ha extendido cada vez más en la industria relojera, especialmente en el tratamiento de superficies de piezas metálicas de alta gama. Su exquisito efecto de recubrimiento y su buena resistencia al desgaste añaden un encanto y un valor únicos a los relojes. Con la continua innovación de la tecnología PVD, han surgido diversas tecnologías avanzadas, como el recubrimiento iónico multiarco y la tecnología compatible con la pulverización catódica magnetrónica, grandes objetivos rectangulares de arco largo y... objetivos de pulverizaciónBlancos de pulverización catódica con magnetrón desequilibrado, blancos gemelos, recubrimiento de bobinado por deposición multiarco con espuma en tiras, recubrimiento de bobinado con tejido de fibra en tiras, etc. Los equipos de recubrimiento utilizados también están evolucionando hacia la automatización completa por computadora y la escala industrial a gran escala. Esto los convierte en indispensables en diversos campos, como la aeroespacial, la electrónica, la óptica, la maquinaria, la construcción, la industria ligera y la metalurgia.
Principio de funcionamiento del PVD
La deposición física de vapor (PVD) se refiere a la tecnología que consiste en vaporizar la superficie de la fuente de material (sólido o líquido) en átomos gaseosos, moléculas o parcialmente ionizados en iones al vacío mediante métodos físicos, y depositar una película delgada con funciones especiales sobre la superficie del sustrato mediante gas a baja presión (o plasma). Su principio básico se divide en tres pasos clave:
Vaporización
El material de recubrimiento se evapora, sublima o pulveriza mediante calor, pulverización catódica, arco eléctrico, etc., para formar una fuente de vaporización. Por ejemplo, en el recubrimiento por evaporación al vacío, el material sólido se calienta a la temperatura de evaporación mediante calentamiento por resistencia, calentamiento por haz de electrones, etc., para convertirlo en átomos o moléculas gaseosas. En el recubrimiento por pulverización catódica, se utilizan iones de alta energía para bombardear el material objetivo, de modo que los átomos en su superficie obtengan suficiente energía para escapar y formar átomos o moléculas gaseosas.
Migración
Los átomos, moléculas o iones vaporizados del recubrimiento migran en un entorno de vacío, gas o plasma a baja presión. Durante el proceso de migración, colisionan con otras partículas, lo que provoca diversas reacciones, como dispersión y excitación. Por ejemplo, en un entorno de plasma, los iones se aceleran bajo la acción del campo eléctrico, colisionan con las moléculas de gas y las ionizan, aumentando aún más la densidad y la actividad del plasma.
Declaración
Los átomos, moléculas o iones que migran a la superficie del sustrato se adsorben, difunden, nuclean y crecen en ella, formando finalmente una película continua. Durante la deposición, los átomos o iones encuentran una posición adecuada en la superficie del sustrato para adherirse y se agrupan gradualmente para formar diminutos núcleos cristalinos. Con la llegada de más átomos o iones, los núcleos cristalinos continúan creciendo y conectándose entre sí, formando finalmente una película completa.
Tipos de PVD
La tecnología PVD se divide principalmente en tres categorías: recubrimiento por evaporación al vacío, recubrimiento por pulverización catódica al vacío y recubrimiento iónico al vacío. Comparemos las tres tecnologías PVD en una tabla:
| Tipo: | Subclasificación | Principio |
| Recubrimiento por evaporación al vacío | Recubrimiento por evaporación por calentamiento por resistencia | Cuando una corriente eléctrica pasa a través de una resistencia, se genera calor. Este calor hace que el material de recubrimiento se evapore. El material evaporado se condensa en la superficie del sustrato para formar una película. Por ejemplo, al preparar una película metálica, se coloca el metal o la lámina metálica sobre una fuente de evaporación calentada por una resistencia (como un filamento de tungsteno). Tras la electrificación, el elemento calefactor genera calor para que el material metálico se evapore y se recubra. |
| Recubrimiento por evaporación por haz de electrones | Se utiliza un haz de electrones de alta energía para bombardear el material de recubrimiento. La energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica para evaporar el material. El haz de electrones se genera mediante un cañón de electrones. El material de recubrimiento se evapora en un entorno de alto vacío para lograr una evaporación de alto punto. Se utiliza a menudo para preparar películas delgadas ópticas, películas delgadas semiconductoras, etc., como la evaporación de dióxido de titanio.\(TiO_2\)) para preparar películas antirreflejos ópticos. | |
| Recubrimiento por evaporación por descarga de arco | Se genera un arco entre el cátodo y el ánodo para que el material de recubrimiento se evapore e ionice. La alta temperatura del arco puede provocar que el material de recubrimiento se evapore e ionice rápidamente. Los iones son acelerados por el campo eléctrico y se depositan sobre la superficie del sustrato. Por ejemplo, al preparar un recubrimiento de aleación dura, se utiliza una descarga de arco para evaporar los compuestos metálicos y depositar un recubrimiento duro sobre la superficie de la herramienta. | |
| Recubrimiento por evaporación con rayo láser | Se utiliza un rayo láser de alta densidad energética para irradiar el material de recubrimiento, de modo que este se evapore e ionice simultáneamente. La alta energía del láser permite controlar con precisión el área y la cantidad de evaporación, y es ideal para la preparación de películas delgadas especiales y películas de microestructuras nanométricas. Por ejemplo, al preparar una película ultradura en una herramienta, seleccione los materiales adecuados y asegúrese de que la ablación láser cumpla con los requisitos de diseño. | |
| Recubrimiento por pulverización catódica al vacío | Recubrimiento de farfulla CC | En un entorno de vacío, introduzca un gas inerte (como el argón). Use una tensión continua para que el gas genere plasma entre los electrodos. El campo eléctrico acelera los iones positivos para bombardear el material objetivo, y los átomos pulverizados se depositan sobre la superficie del sustrato para formar una película. Se utiliza a menudo para la deposición de películas metálicas, como la pulverización catódica de una película metálica sobre vidrio para preparar un vidrio recubierto de metal para la reflexión. |
| Recubrimiento por pulverización catódica de RF | Para materiales aislantes, utilice una fuente de alimentación de RF para generar un campo eléctrico de RF y generar plasma de gas. Este campo eléctrico de RF puede hacer que los electrones oscilen en el campo eléctrico, colisionen con moléculas de gas para ionizarse y generar plasma, lo que permite el recubrimiento por pulverización catódica de materiales aislantes. Se puede utilizar para preparar películas de óxido, nitruro y otras películas aislantes, como la pulverización catódica de dióxido de silicio (\(SiO_2\)) película para el aislamiento de circuitos integrados. | |
| Recubrimiento de pulverización de magnetrón | Se introduce un campo magnético en la cámara de pulverización catódica. Bajo la acción del campo magnético, se extiende la trayectoria de los electrones, lo que aumenta la probabilidad de colisión entre electrones y moléculas de gas, mejorando la tasa de ionización del gas y la tasa de utilización del objetivo. Se utiliza ampliamente en la preparación de diversas películas delgadas, como la pulverización catódica de una película de óxido de indio y estaño (ITO) transparente y conductora sobre una pantalla plana. | |
| Recubrimiento de iones al vacío | Recubrimiento iónico | El material de recubrimiento se evapora, se pulveriza o se genera por otros medios en un campo eléctrico para ionizarlo. Bajo la acción del campo eléctrico sobre el sustrato, los iones se aceleran y se depositan en él para formar una película. La fuerza de unión entre la película y el sustrato del recubrimiento iónico es fuerte, y la capa de película es densa y uniforme, lo que permite el recubrimiento de superficies de diversos materiales, como el recubrimiento de una película de nitruro de titanio (TiN) sobre la superficie de un molde para mejorar la resistencia al desgaste. |
| Recubrimiento de iones reactivos | Durante el proceso de recubrimiento iónico, se introduce un gas reactivo (como oxígeno, nitrógeno, etc.) que reacciona con los átomos del material de recubrimiento evaporado en la superficie del sustrato para formar una película compuesta. Por ejemplo, al introducir oxígeno, los iones de titanio evaporados reaccionan con el oxígeno para formar dióxido de titanio (\(TiO_2\)) película sobre la superficie del sustrato, que se puede utilizar para óptica, fotocatálisis y otros campos. | |
| Recubrimiento iónico multiarco | Se utiliza una descarga de arco catódico para generar múltiples puntos de arco en la superficie objetivo. El material de recubrimiento en los puntos de arco se evapora e ioniza simultáneamente. Los iones se aceleran y se depositan sobre la superficie del sustrato bajo la acción del campo eléctrico. La tasa de ionización del material de recubrimiento del recubrimiento iónico multiarco es alta y la velocidad de deposición es rápida. Se utiliza a menudo para preparar recubrimientos decorativos y funcionales, como el recubrimiento de una película de oro sobre superficies de hardware para decoración. |
Pasos de la operación de PVD
Preparación del materialSeleccione los materiales de recubrimiento y los sustratos adecuados. Los materiales de recubrimiento deben seleccionarse según el rendimiento y la aplicación de la película requerida. Por ejemplo, si desea preparar un recubrimiento resistente al desgaste, puede elegir TiN, CrN y otros materiales. El material del sustrato debe considerar su compatibilidad con la película y el escenario de aplicación, como los sustratos metálicos que se utilizan a menudo para el recubrimiento de piezas mecánicas. Los sustratos de vidrio se utilizan a menudo para películas ópticas. Asegúrese de la pureza y la calidad del material de recubrimiento y los materiales del sustrato, elimine impurezas, manchas de aceite y óxidos de la superficie, y utilice limpieza química, limpieza ultrasónica y otros pretratamientos. Para algunas aplicaciones con requisitos de calidad superficial extremadamente altos, también puede ser necesario el pulido.
Preparación del equipo: Verifique y depure el equipo de PVD, incluyendo el sistema de vacío, el sistema de calentamiento, el sistema de energía, el sistema de suministro de gas, etc. Asegúrese de que el sistema de vacío pueda alcanzar el grado de vacío requerido. Generalmente, el PVD debe llevarse a cabo en un entorno de alto vacío, y el grado de vacío generalmente se requiere para alcanzar 10⁻³ – 10⁻⁶ Pa o incluso menos. El sistema de calentamiento debe poder controlar con precisión la temperatura para cumplir con los requisitos de la gasificación del recubrimiento. El sistema de energía debe ser estable y confiable, proporcionando el voltaje y la corriente adecuados para diversos procesos de ionización y pulverización catódica. El sistema de suministro de gas debe garantizar la pureza y el flujo del gas. Dependiendo de los diferentes métodos de PVD y materiales de película delgada, puede ser necesario introducir argón, nitrógeno, oxígeno y otros gases.
Carga del hornoInstale el sustrato pretratado y el material de recubrimiento en la cámara de vacío del equipo de PVD. El sustrato debe colocarse en una posición adecuada para asegurar que reciba uniformemente la deposición del material. Se puede utilizar un soporte o colgador especial para fijar el sustrato. El material de recubrimiento se instala en la fuente de evaporación, el material objetivo y otras posiciones. Por ejemplo, en el recubrimiento por evaporación por resistencia, el material de recubrimiento se coloca sobre el elemento calefactor por resistencia; en el recubrimiento por pulverización catódica, el material objetivo se instala sobre el cátodo de pulverización catódica. Durante la instalación, se debe tener cuidado para evitar la introducción de nuevas impurezas y contaminación.
Pasar la aspiradoraArranque el sistema de vacío y extraiga el aire de la cámara para alcanzar el vacío requerido. Generalmente, se utiliza una bomba mecánica para el bombeo inicial y reduce el vacío a aproximadamente 1-10 Pa, y posteriormente, una bomba de difusión, una bomba molecular, etc., para el bombeo a alta presión, lo que reduce aún más el vacío hasta el valor objetivo. Durante el proceso de vacío, se deben monitorear los cambios en el vacío para garantizar el correcto funcionamiento del sistema. Si se detectan problemas, como fugas de aire, se deben revisar y solucionar de inmediato.
Calentamiento y vaporizaciónSegún el método de PVD seleccionado, el material de recubrimiento se calienta hasta su vaporización. En el recubrimiento por evaporación al vacío, el material se calienta y evapora mediante calentamiento por resistencia, calentamiento por haz de electrones, etc.; en el recubrimiento por pulverización catódica, el material objetivo se bombardea con iones en el plasma para pulverizar los átomos objetivo; en el recubrimiento iónico, el material se evapora e ioniza mediante descarga de arco, etc. Durante el proceso de calentamiento y vaporización, es necesario controlar con precisión parámetros como la temperatura y la potencia para garantizar la estabilidad de la velocidad de vaporización y la calidad del material de recubrimiento.
DeclaraciónLos átomos, moléculas o iones del material de recubrimiento gaseoso migran a la superficie del sustrato en un entorno de vacío y se depositan en ella para formar una película delgada. Durante el proceso de deposición, el sustrato puede calentarse o enfriarse según sea necesario para controlar la velocidad de crecimiento y la calidad de la película. Por ejemplo, un aumento adecuado de la temperatura del sustrato puede promover la difusión de átomos en su superficie y aumentar la densidad de la película; mientras que una disminución de la temperatura del sustrato puede aumentar la tensión en la película. Al mismo tiempo, la estructura y las propiedades de la película también pueden ajustarse controlando parámetros como la energía y el ángulo de incidencia de los iones.
Enfriamiento y descargaTras finalizar la deposición, detenga el calentamiento y deje que la temperatura en la cámara de vacío disminuya gradualmente. Una vez que la temperatura alcance un rango adecuado, abra la cámara de vacío y retire el sustrato recubierto con la película. Durante el proceso de enfriamiento, tenga cuidado para evitar problemas como grietas o desprendimientos de la película debido a cambios bruscos de temperatura. Las muestras extraídas pueden someterse a pruebas y procesos posteriores, como la medición del espesor de la película, el análisis de la composición, las pruebas de rendimiento, etc.
Materiales con tecnología PVD
El recubrimiento por evaporación requiere que el material tenga un punto de fusión y una presión de vapor más bajos. Por lo tanto, los metales (como el aluminio, el cobre, el oro, etc.) y algunas aleaciones de bajo punto de fusión (como las de estaño y plomo) son más adecuados para el recubrimiento por evaporación. Controle con precisión la temperatura y la velocidad de evaporación de la fuente de evaporación para garantizar la uniformidad y la calidad de la capa de película.
El recubrimiento por pulverización catódica tiene requisitos relativamente flexibles en cuanto al material de recubrimiento, y se aceptan metales, aleaciones, cerámicas, semiconductores, etc. La velocidad y las características de pulverización catódica varían según el material. Es necesario seleccionar los parámetros de pulverización catódica adecuados según las propiedades del material, como el tipo de gas de pulverización, la potencia de pulverización, la presión del gas de pulverización, etc.
El recubrimiento iónico combina las ventajas del recubrimiento por evaporación y el recubrimiento por pulverización catódica para mejorar la resistencia de la unión entre la película y el sustrato, así como la calidad de esta. En el recubrimiento iónico, las partículas se ionizan y aceleran, por lo que el material debe tener buena conductividad o estar ionizado en ciertas condiciones.
Metales
Aluminio (Al), titanio (Ti), cromo (Cr), níquel (Ni), cobre (Cu), oro (Au), plata (Ag), etc. La película de aluminio tiene buena conductividad y reflectividad, y se usa a menudo en electrodos y reflectores ópticos de dispositivos electrónicos; la película de titanio tiene excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, y se usa ampliamente en dispositivos médicos, aeroespacial y otros campos; la película de cromo tiene alta dureza y buena resistencia al desgaste, y se usa a menudo para el recubrimiento de superficies de piezas mecánicas; las películas de oro y plata son favorecidas en los campos de la electrónica y la decoración debido a su buena conductividad y estabilidad química.
Aleación
Como las aleaciones de titanio y aluminio (TiAl), níquel-cromo (NiCr), etc., las películas de aleación combinan las ventajas de múltiples metales. Por ejemplo, la película de aleación de TiAl posee las características del titanio y el aluminio, con alta resistencia a altas temperaturas, baja densidad y buena resistencia a la oxidación, lo que la hace ideal para el recubrimiento de piezas de alta temperatura, como motores de aeronaves. La película de aleación de NiCr presenta buena resistencia al calor y a la corrosión, y se utiliza a menudo en elementos calefactores y recubrimientos anticorrosivos.
Compuestos
Carburos:como carburo de titanio (TiC), carburo de cromo (CrC), etc. Las películas de carburo tienen una dureza extremadamente alta, excelente resistencia al desgaste y resistencia a altas temperaturas, y a menudo se utilizan para recubrimientos de superficies de herramientas, moldes, etc.
NitrurosComo el nitruro de titanio (TiN), el nitruro de cromo (CrN), el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN), etc. Las películas de nitruro no solo son duras, sino que también poseen buena estabilidad química y propiedades decorativas. Las películas de TiN son de color amarillo dorado y se utilizan a menudo para recubrimientos decorativos de imitación de oro. También son un material común para recubrimientos de herramientas; las películas de TiAlN mantienen una alta dureza y resistencia a la oxidación a altas temperaturas, y son adecuadas para herramientas de corte de alta velocidad.
óxidos: como dióxido de titanio (compuestos objetivos de pulverización catódica), óxido de zinc (ZnO), óxido de indio y estaño (ITO), etc. La película de TiO₂ tiene actividad fotocatalítica, transmitancia óptica y resistencia a la corrosión, y se utiliza para la descomposición fotocatalítica de contaminantes, células solares y dispositivos ópticos; la película de ZnO tiene piezoelectricidad, propiedades semiconductoras y propiedades de protección UV, y se utiliza en sensores, dispositivos electrónicos y materiales de protección solar; la película de ITO es una película conductora transparente, ampliamente utilizada en dispositivos electrónicos como pantallas de cristal líquido y pantallas táctiles.
boruro:como boruro de titanio (TiB₂), boruro de circonio (ZrB₂), etc. Las películas de boruro tienen alta dureza, alto punto de fusión y buena conductividad, y se utilizan para recubrimientos resistentes al desgaste, materiales de electrodos, etc.
Ventajas del recubrimiento PVD
Buen rendimiento
El recubrimiento PVD posee excelentes propiedades, como alta dureza, alta resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción. Por ejemplo, la dureza del recubrimiento TiN puede alcanzar entre 2000 y 2500 HV, lo que equivale a entre 3 y 4 veces la dureza del acero de alta velocidad.
Fuerte unión con el sustrato
Cuando los átomos o iones del recubrimiento se depositan sobre la superficie del sustrato, se difunden y se unen químicamente con los átomos del sustrato para formar una unión fuerte. Esto garantiza la eficacia y estabilidad a largo plazo del recubrimiento.
Múltiples opciones de materiales
Se utilizan diversos materiales, como metales, aleaciones y compuestos, como materiales de recubrimiento para preparar películas con diferentes composiciones químicas y propiedades. Controle con precisión la composición, la estructura y las propiedades de la película para satisfacer las diversas necesidades de los diferentes campos.
Espesor de recubrimiento uniforme y controlable
La tecnología PVD permite una deposición uniforme del recubrimiento sobre la superficie de sustratos de formas complejas. Calcule con precisión el tiempo de deposición, la potencia, el flujo de gas, etc., para controlar con precisión el espesor del recubrimiento, desde unos pocos nanómetros hasta decenas de micras.
Sin contaminacion
En comparación con la galvanoplastia tradicional, la tecnología PVD se lleva a cabo en un entorno de vacío, no utiliza una gran cantidad de soluciones químicas, evita la generación de aguas residuales, gases residuales y residuos, etc., y es respetuosa con el medio ambiente.
Buen efecto decorativo
El recubrimiento PVD ofrece una variedad de colores y brillos, como oro, plata, negro, oro rosa, etc., y el color es duradero y estable, y no se decolora fácilmente. Mejora la calidad de la apariencia y el efecto decorativo de joyas, relojes, etc.
Solicitud
La tecnología PVD abarca prácticamente todos los aspectos de la industria moderna, desde la electrónica, la óptica y la maquinaria hasta la decoración, la medicina, la industria aeroespacial y otros sectores, desempeñando un papel indispensable. No solo mejora el rendimiento y la calidad de las piezas, sino que también satisface las necesidades de belleza, protección del medio ambiente y otros aspectos.
Fabricación Mecánica
El recubrimiento PVD se utiliza principalmente para mejorar el rendimiento de herramientas, moldes y piezas mecánicas. Las herramientas suelen utilizar TiN, TiCN, TiAlN y otros recubrimientos para mejorar la dureza, la resistencia al desgaste y el rendimiento de corte. La superficie del molde suele recubrirse con Cr, aleación de TiAl y otros recubrimientos para reducir el coeficiente de fricción entre el molde y la pieza. En piezas mecánicas, como rodamientos y engranajes, se puede utilizar el recubrimiento DLC (carbono tipo diamante) para reducir la pérdida por fricción y mejorar la precisión y fiabilidad del movimiento de las piezas.
Campo de la electrónica
La tecnología de recubrimiento PVD se utiliza ampliamente en la fabricación de circuitos integrados, pantallas planas, sensores, etc. En la fabricación de circuitos integrados, se requieren materiales metálicos de alta pureza (como cobre y aluminio) y materiales semiconductores (como silicio) para el recubrimiento a fin de preparar electrodos, interconexiones y dispositivos semiconductores; en el campo de las pantallas planas, las películas de ITO se utilizan ampliamente como electrodos conductores transparentes en LCD, OLED y otros dispositivos de visualización; en el campo de los sensores, al recubrir películas con funciones específicas (como películas sensibles a gases, películas sensibles a la humedad, etc.), los sensores pueden detectar cantidades físicas o químicas específicas.
campo óptico
En el campo óptico, el recubrimiento PVD se utiliza principalmente para preparar películas delgadas ópticas, como películas reflectantes, antirreflectantes y filtros, entre otras. Según los diferentes requisitos de rendimiento óptico, es necesario seleccionar los materiales ópticos y la tecnología de recubrimiento adecuados. Por ejemplo, en instrumentos ópticos como telescopios y microscopios, es necesario recubrir múltiples capas de películas antirreflectantes para reducir la pérdida de luz por reflexión en la superficie de la lente y mejorar la transmitancia de la luz y la calidad de imagen del instrumento. En dispositivos láser, es necesario recubrir películas reflectantes de alta reflectividad para mejorar la potencia de salida y la estabilidad del láser.
Aeroespacial
En el sector aeroespacial, la tecnología de recubrimiento PVD se utiliza principalmente para mejorar el rendimiento de las piezas de motores de aeronaves y las superficies de las aeronaves. Por ejemplo, el recubrimiento con películas de aleación de TiAl en la superficie de los álabes de turbinas de motores de aeronaves puede mejorar su resistencia a altas temperaturas, a la oxidación y a la corrosión térmica. El recubrimiento con películas antirradiación en la superficie de aeronaves puede bloquear eficazmente los rayos cósmicos y la radiación solar, y proteger la seguridad de los equipos y del personal a bordo.
Deco
En el campo de la decoración, el recubrimiento PVD se utiliza principalmente para conferir a los productos una apariencia atractiva y una buena resistencia a la corrosión. Los materiales de recubrimiento decorativo más comunes incluyen TiN, ZrN, CrN, oro, etc. Los recubrimientos de TiN y ZrN pueden presentar una apariencia dorada y se utilizan a menudo en productos como relojes, monturas de gafas y joyería; los recubrimientos de CrN pueden presentar una apariencia negra y se utilizan a menudo en productos como ruedas de automóviles y herrajes para baño; el chapado en oro puede conferir a los productos una lujosa apariencia dorada y se utiliza a menudo en el campo de la decoración de alta gama.
PVD frente a CVD
Deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD) Son dos tecnologías importantes de preparación de películas delgadas. Presentan ciertas diferencias en sus principios, características del proceso y campos de aplicación. A continuación, se presenta una comparación detallada de PVD y CVD en forma de tabla:
| Elementos de comparación | PVD (pulverización catódica, evaporación térmica, evaporación por haz de electrones, deposición por láser pulsado, deposición por arco catódico, pulverización catódica con magnetrón). | CVD (deposición química de vapor, tomando como ejemplos la CVD térmica común y la CVD mejorada con plasma). |
| Principio | Haga que el material de recubrimiento se gasifique a través de métodos físicos, como evaporación por calentamiento, pulverización iónica, etc. Luego, el material de recubrimiento gaseoso se deposita en la superficie del sustrato para formar una película. | Utilizar sustancias químicas gaseosas para someterlas a reacciones químicas en condiciones como alta temperatura o plasma para generar sustancias sólidas y depositarlas sobre la superficie del sustrato para formar una película. |
| Temperatura de deposición | Generalmente relativamente baja, generalmente por debajo de los 500 °C. Algunos procesos, como la evaporación por haz de electrones, pueden llevarse a cabo a temperatura ambiente. | Generalmente relativamente alta. La CVD térmica se encuentra generalmente entre 800 y 1200 °C. La CVD mejorada con plasma puede reducirse a 300-800 °C.掳C, pero todavía es relativamente alto. |
| Calidad de película delgada | La capa de película es densa, tiene una fuerte adhesión al sustrato, un alto acabado superficial y un bajo contenido de impurezas. | La capa de película es relativamente gruesa, tiene buena cristalinidad y estructura uniforme, pero puede contener una pequeña cantidad de impurezas y el acabado de la superficie es relativamente bajo. |
| Tasa de deposición | Relativamente baja, especialmente para métodos como la pulverización catódica. La velocidad de deposición suele oscilar entre varios nanómetros por segundo y decenas de nanómetros por segundo. La evaporación térmica y la evaporación por haz de electrones son relativamente más rápidas. | Relativamente alta. La velocidad de deposición del CVD térmico puede alcanzar desde decenas de nanómetros por segundo hasta varios micrómetros por segundo. La velocidad de deposición del CVD mejorado con plasma también es relativamente rápida. |
| Costo de equipo | El equipo es complejo y el precio relativamente alto, involucrando múltiples componentes de precisión como sistemas de vacío y sistemas de suministro de energía. | El equipo es relativamente sencillo, pero requiere equipos de calefacción de alta temperatura y sistemas de suministro de gas. El coste total también es elevado, al igual que el coste de mantenimiento de los equipos de alta temperatura. |
| Complejidad del proceso | Hay muchos parámetros de proceso y altos requisitos para el control del grado de vacío, temperatura, potencia, etc. La dificultad de operación es relativamente grande. | El proceso implica reacciones químicas y requiere un control preciso de parámetros como el caudal, la proporción y la temperatura del gas de reacción. Existen altos requisitos para la monitorización y el control del proceso de reacción. |
| Influencia sobre el sustrato | La deposición a baja temperatura tiene poca influencia térmica en el sustrato, por lo que no es fácil causar deformaciones ni cambios en su rendimiento. Sin embargo, el bombardeo de iones de alta energía puede causar ciertos daños en la superficie del sustrato. | La deposición a alta temperatura puede provocar cambios en la estructura y el rendimiento del material del sustrato, como el crecimiento de grano y la tensión térmica. Existen ciertos requisitos para el material y la estructura del sustrato. |
| Materiales aplicables | Adecuado para el recubrimiento de diversos materiales, como metales, aleaciones y cerámicas. Permite preparar películas delgadas metálicas, películas delgadas compuestas, etc. | Adecuado para diversos materiales de sustrato. Permite preparar diversas películas delgadas, como cerámicas, semiconductores y metales. Es especialmente adecuado para la preparación de películas delgadas de materiales con alto punto de fusión y películas delgadas con estructuras complejas. |
| Los campos de aplicación | Ampliamente utilizado en campos como la electrónica, la óptica, la maquinaria y la decoración, como el cableado de metal en la fabricación de chips, películas antirreflejos para lentes ópticas, recubrimientos resistentes al desgaste para cortadores, recubrimientos decorativos para relojes, etc. | Se utiliza principalmente en la fabricación de semiconductores (como la preparación de capas aislantes y capas de difusión en circuitos integrados), recubrimientos de cortadores de aleaciones duras, campos ópticos (como la preparación de preformas de fibra óptica), etc. para campos con altos requisitos de calidad y estructura de película delgada. |
PVD vs. galvanoplastia
El PVD y la galvanoplastia son tecnologías comunes de tratamiento de superficies. Presentan diferencias evidentes en cuanto a principios, características del proceso, rendimiento, etc. A continuación, se presenta una comparación en forma de tabla:
| Elementos de comparación | PVD (pulverización catódica, evaporación térmica, evaporación por haz de electrones, deposición por láser pulsado, deposición por arco catódico, pulverización catódica con magnetrón). | CVD (deposición química de vapor, tomando como ejemplos la CVD térmica común y la CVD mejorada con plasma). |
| Principio | Gasificar el material de recubrimiento a través de métodos físicos, como evaporación térmica, pulverización iónica, etc. Luego, el material de recubrimiento gaseoso se deposita sobre la superficie del sustrato para formar una película. | Utilizar sustancias químicas gaseosas para experimentar reacciones químicas en condiciones como alta temperatura o plasma para generar sustancias sólidas, que luego se depositan en la superficie del sustrato para formar una película. |
| Temperatura de deposición | Generalmente relativamente bajo, en su mayoría por debajo de 500掳C. Algunos procesos, como la evaporación por haz de electrones, pueden llevarse a cabo a temperatura ambiente. | Generalmente, la temperatura es relativamente alta. La CVD térmica suele estar entre 800 y 1200 °C. La CVD mejorada con plasma puede reducirse a entre 300 y 800 °C, pero sigue siendo relativamente alta. |
| Calidad de película delgada | La capa de película es densa, tiene una fuerte fuerza de unión con el sustrato, un alto acabado superficial y un bajo contenido de impurezas. | La capa de película es relativamente gruesa, tiene buena cristalinidad y estructura uniforme, pero puede contener una pequeña cantidad de impurezas y el acabado de la superficie es relativamente bajo. |
| Tasa de deposición | Relativamente baja. Especialmente en métodos como la pulverización catódica, la velocidad de deposición suele oscilar entre varios nanómetros por segundo y decenas de nanómetros por segundo. La evaporación térmica y la evaporación por haz de electrones son relativamente más rápidas. | Relativamente alta. La velocidad de deposición del CVD térmico puede alcanzar desde decenas de nanómetros por segundo hasta varios micrómetros por segundo. La velocidad de deposición del CVD mejorado con plasma también es relativamente rápida. |
| Costo de equipo | El equipo es complejo y relativamente costoso e involucra múltiples componentes de precisión, como sistemas de vacío y sistemas de suministro de energía. | El equipo es relativamente sencillo, pero requiere equipos de calefacción de alta temperatura y sistemas de suministro de gas. El coste total también es elevado, al igual que el coste de mantenimiento de los equipos de alta temperatura. |
| Complejidad del proceso | Hay muchos parámetros de proceso y altos requisitos para el control del grado de vacío, temperatura, potencia, etc., y la dificultad de operación es relativamente grande. | El proceso implica reacciones químicas, que requieren un control preciso de parámetros como el caudal, la proporción y la temperatura del gas de reacción, y altos requisitos de monitoreo y control del proceso de reacción. |
| Influencia sobre el sustrato | La deposición a baja temperatura tiene poca influencia térmica en el sustrato, por lo que no es fácil causar deformaciones ni cambios en su rendimiento. Sin embargo, el bombardeo de iones de alta energía puede causar ciertos daños en la superficie del sustrato. | La deposición a alta temperatura puede provocar cambios en la estructura y el rendimiento del material del sustrato, como provocar crecimiento de grano y estrés térmico del sustrato, y existen ciertos requisitos para el material y la estructura del sustrato. |
| Materiales aplicables | Adecuado para el recubrimiento de diversos materiales como metales, aleaciones y cerámicas, y puede preparar películas delgadas de metal, películas delgadas compuestas, etc. | Es adecuado para diversos materiales de sustrato y permite preparar diversas películas delgadas, como cerámicas, semiconductores y metales. Es especialmente adecuado para la preparación de películas delgadas de materiales con alto punto de fusión y películas delgadas con estructuras complejas. |
| Los campos de aplicación | Ampliamente utilizado en campos como la electrónica, la óptica, la maquinaria y la decoración, como el cableado de metales en la fabricación de chips, películas antirreflejos para lentes ópticas, recubrimientos resistentes al desgaste para cortadores, recubrimientos decorativos para relojes, etc. | Se utiliza principalmente en la fabricación de semiconductores (como la preparación de capas aislantes y capas de difusión en circuitos integrados), recubrimientos de cortadores de aleaciones duras, campos ópticos (como la preparación de preformas de fibra óptica), etc., para campos con altos requisitos de calidad y estructura de película delgada. |
Conclusión
Como una de las tecnologías clave en el campo del tratamiento moderno de superficies de materiales, la tecnología de deposición física de vapor (PVD) ofrece ventajas únicas y un amplio abanico de aplicaciones. La tecnología PVD incluye diversos tipos, como el recubrimiento por evaporación al vacío, el recubrimiento por pulverización catódica al vacío y el recubrimiento iónico al vacío. Cada tipo tiene sus propias características y ámbito de aplicación, lo que ofrece una amplia gama de opciones para diferentes materiales y escenarios de aplicación. Asimismo, la tecnología PVD ofrece una amplia gama de materiales, como metales, aleaciones, compuestos, etc., y permite producir películas que cumplen diversos requisitos de rendimiento, como resistencia al desgaste, a la corrosión, ópticas, eléctricas y otras características funcionales.
En cuanto a su campo de aplicación, la tecnología PVD abarca prácticamente todos los aspectos de la industria moderna, desde sectores de alta tecnología como la electrónica, la óptica y la maquinaria, hasta aplicaciones cotidianas y de alta gama como la decoración, la medicina y la industria aeroespacial. Desempeña un papel indispensable. En comparación con otras tecnologías de tratamiento de superficies, como la deposición química en fase de vapor (CVD) y la galvanoplastia, la tecnología PVD presenta diferencias evidentes en cuanto a principios, características del proceso, propiedades de la película, etc., y cada una es adecuada para diferentes escenarios de aplicación.