CÔNG NGHỆ SỬ LÝ BỀ MẶT PVD

Chương 4 các công nghệ xử lý bề mặt bằng PVD Physical Vapour Deposition PVD là công nghệ xử lý bề mặt mới nhờ áp dụng các tác động vật lý vào quá trình tạo thành lớp phủ như : lực điện

Chương 4

các công nghệ xử lý bề mặt bằng PVD

(Physical Vapour Deposition)

PVD là công nghệ xử lý bề mặt mới nhờ áp dụng các tác động vật lý vào quá trình tạo thành lớp phủ như : lực điện từ, hiện tượng phóng điiện phát quang trong pha khí, sự bay hơi, Sự tạo thành lớp phủ gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau là : Hoá hơi chất phủ → chuyển chất phủ đến bề mặt chi tiết → ngưng tụ và tạo thành lớp phủ

4.1 Phân loại các công nghệ PVD

Các công nghệ PVD còn đang được phát triển do đó các cách phân loại còn có thể được thay đổi Hay dùng các cách phân loại sau :

Tuỳ theo tác động vật lý để hoá hơi chất phủ và vận chuyển chất phủ đến bề mặt chi tiết, người ta chia PVD thành ba nhóm chính là :

+ Bốc hơi và ngưng tụ kim loại trong chân không

+ Hoá hơi kim loại và phủ ion

+ Hoá bụi catôt và phủ ion

Trong các công nghệ PVD, chi tiết trong quá trình phủ thường được phân cực catôt Tuỳ theo điện thế phân cực của chi tiết mà người ta phân ra các công nghệ PVD khác nhau :

Bay hơi và ngưng tụ trong chân không, điện thế phân cực vài chục vol

BARE (Bias Activated Reactive Evaporation), điện thế phân cực đến 200 V

Phủ ion-IP (Ion plating), điện thế phân cực khoảng 1 KV

Dựa trên kỹ thuật hoá hơi chất phủ, người ta chia PVD thành hai nhóm công nghệ lớn là :

Kỹ thuật PVD dựa trên sự hoá hơi kim loại

Nhóm này lại được phân thành ba loại tuỳ theo môi trường sử dụng :

1 Bay hơi và phủ ion (IP), bốc hơi trong môi trường khí trơ

2 Bay hơi trong môi trường hoạt tính và phủ ion (RIP- Reactive Ion Plating), bốc hơi

trong môi trường khí hoạt tính

4 Bay hơi trong môi trường hoạt tính có kích thích và phủ ion - công nghệ BARE, môi trường hoạt tính và có kích thích

Tuỳ theo đặc điểm sử dụng và nguồn gốc của electron kích thích người ta lại chia BARE ra thành ba dạng công nghệ :

* Sự hoá hơi chất phủ là do tác dụng của chùm electron có năng lượng cao (electron sơ cấp) bắn phá lên bề mặt của chất phủ ở thể rắn Công nghệ này là sự cải tiến và phát triển của công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích (ARE ), hoạt tính của hơi chất phủ là do va chạm với các electron thứ cấp (electron trong plasma) có năng lượng thấp

* Hoá hơi chất phủ do bắn phá của các electron năng lượng thấp (khoảng 100 eV) Các electron này do nguồn sợi đốt phát ra vừa để hoá hơi chất phủ vừa để hoạt tính hơi chất phủ

* Sử dụng electron năng lượng thấp (giống như trường hợp trên) để hoá hơi chất phủ, chỉ khác là súng phát electron là loại có catôt rỗng (HCD-Hollow Cathode Discharge Deposition)

Kỹ thuật PVD dựa trên sự hoá bụi chất phủ ở thể rắn

1 Công nghệ sử dụng nhiều hồ quang

Người ta sử dụng các hồ quang nhỏ để làm xói mòn và hoá hơi chất phủ ở thể rắn,

được gọi là công nghệ hoá hơi chất phủ bằng hồ quang điện và phủ ion (công nghệ này xuất xứ từ Nga có tên là PUSK-Plasmenii Uskoritel)

2 Công nghệ hoá bụi catôt (sputtering)

Trong công nghệ này, người ta làm hoá hơi chất phủ nhờ bắn phá catôt bằng chùm ion trong môi trường có thể là khí hoạt tính hoặc khí trơ Hơi chất phủ phải qua plasma lạnh trước khi phủ lên bề mặt chi tiết Chi tiết thông thường được phân cực catôt với điện thế thấp

Trong các cách phân loại trên, thì cách phân loại thứ nhất là tổng quát hơn cả

và thường hay được nói đến khi đề cập những vấn đề chung về PVD, còn các cách phân loại sau là dùng cho các nhà kỹ thuật

4.2 Bốc hơi và ngưng tụ kim loại trong chân không

Hình 4.1 là sơ đồ nguyên lý của thiết bị bốc hơi và ngưng tụ kim loại trong chân không Trong số các công nghệ PVD, đây là công nghệ ra đời sớm hơn cả, trang thiết bị đơn giản và chất lượng lớp phủ cũng thấp hơn so với các phương pháp khác

4.2.1 Bay hơi và ngưng tụ trực tiếp trong chân không

Cần sử dụng một thiết bị kín để có thể tạo chân không Người ta dùng điện trở, dòng

điện cảm ứng hoặc chùm electron để nung nóng kim loại cần phủ lên trên nhiệt độ chẩy và để bay hơi Phương pháp này có các đặc điểm cơ bản sau :

- Vận chuyển kim loại bay hơi đến bề mặt mẫu là do chuyển động đối lưu tự nhiên của các phần tử kim loại thể hơi dưới áp suất khoảng 10-2 Pa, không có bất kỳ tác

động bên ngoài nào

- Hơi kim loại ngưng tụ một cách tự nhiên, ở khắp mọi nơi trong buồng kín do đó hiệu suất sử dụng kim loại rất thấp

- Năng lượng của các hạt ngưng tụ nhỏ e = 3/2 KT ≈ 0,1 eV (K là hằng số Boltzman), chất phủ chỉ được bám lên trên bề mặt, không có lực bắn vào bề mặt chi tiết nên bám dính kém, độ xít chặt của lớp phủ không cao

- Bề mặt của chi tiết hầu như không ảnh hưởng đến lớp phủ, chi tiết không bị phân cực, có thể phủ lên các vật liệu không dẫn điện như ceranic, polymer,

- Chất phủ thường là các kim loại dễ chẩy như : Sn, Pb, Al,

- Tốc độ phủ chậm, lớp phủ mỏng

Hoá hơi kim loại bằng nhiệt : trường hợp này có thể sử dụng graphit làm nồi chứa kim loại, người ta có thể dùng chính nồi graphit làm điện trở để nung nóng kim loại Khi dùng dây điện trở hoặc cảm ứng người ta có thể đặt trực tiếp kim loại (Al) lên dây nung

Dùng cảm ứng, dùng chùm điện tử, tia Laser để bay hơi các kim loại có nhiệt độ chảy cao

Công nghệ bốc hơi và ngưng tụ trong chân không ngày càng phát triển đa dạng, buồng bốc hơi kim loại ngày càng hiện đại bao gồm hệ thống chân không, nguồn năng lượng để hoá hơi kim loại, bàn gá mẫu (chi tiết cần phủ) quay, thiết bị đo tại

chỗ chiều dày lớp phủ Mỗi khi thay đổi, cải tiến một bộ phận chức năng lại hình thành một phương án công nghệ mới, thiết bị mới được mô tả trong các catalog và tài liệu chào hàng Tuy nhiên, vì lớp phủ mỏng nên hạn chế ứng dụng trong ngành Cơ khí

4.2.2 Bay hơi hoạt tính và ngưng tụ (RE) (hình 4.2.)

(Reactive Evaporation)

Là một dạng cải tiến của bay hơi và ngưng tụ trong chân không, nhờ đưa vào trong buồng bay hơi kim loại các chất khí hoạt tính Tuỳ theo chất khí hoạt tính đưa vào, người ta có thể tạo các lớp phủ khác nhau : nitrit - khí hoạt tính là N2 hoặc khí chứa nitơ (NH3), cacbit - khí hoạt tính là các cacbua hydro hoặc các khí chứa cacbon khác, oxyt - khí hoạt tính là oxy hoặc các khí chứa oxy khác, áp suất trong buồng phủ từ 0,01 đến 1 Pa Do chiều dày lớp phủ nhỏ, lớp phủ không xít chặt, độ bám dính thấp nên lĩnh vực áp dụng chủ yếu của các công nghệ bốc hơi và ngưng tụ trong chân không (có hoạt tính và không có hoạt tính) là ngành Điện tử, Quang học

và trang trí, trong lĩnh vực Cơ khí, các áp dụng này còn hạn chế

Phần lớn các hạn chế của công nghệ bốc hơi và ngưng tụ trong chân không được khắc phục nhờ áp dụng kỹ thuật plasma lạnh

4.2.3 Công nghệ bốc hơi hoạt tính có kích thích - ARE

(Activated Reactive Evaporation) 4.2.3.1 Tạo plasma lạnh

Thay việc nung nóng kim loại bằng điện trở hoặc cảm ứng, để hoá hơi kim loại (hoặc chất phủ nói chung), người ta dùng chùm hạt mang điện (hình 4.3.) có năng lượng vài trăm eV gọi là chùm electron sơ cấp Plasma tạo thành là do hiện tượng phóng điện và phát quang trong pha khí, bao gồm các ion, electron và cả các phân

tử trung hoà về điện Do nhiệt độ không cao, nên plasma tạo thành này được gọi là plasma lạnh Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo plasma và vận chuyển chất phủ đến bề mặt chi tiết (hình 4.3.)

Phương pháp tạo plasma điển hình nhất là phương pháp dựa trên sự phóng điện phát quang trong pha khí Trong một buồng kín, sau khi tạo chân không, người ta

đưa khí Ar vào với áp suất từ 0,1 đến vài trăm Pa Tiếp theo, người ta đặt một điện trường đều có hiệu điện thế từ 1 đến 10 KV Dưới tác dụng của từ trường, khí Ar bị ion hoá tạo thành Ar+, các ion này, dưới tác dụng của từ trường, sẽ di chuyển đến catôt với năng lượng 10-2 w/(cm2 bề mặt catôt) Catôt được chế tạo bằng chính kim loại phủ, dòng cation bắn phá vào catôt, làm bốc hơi kim loại Ngoài ra, chuyển

động của các phần tử mang điện còn gây nên sự ion hoá do va chạm với các phân

tử khí tạo thành các ion và electron mới Kết quả là một plasma lạnh được hình thành, trong đó mức độ ion hoá đạt từ 10-7 đền 10-4 ( số mol khí đưa vào chia cho tổng số hạt mang điện) Trong số các phần tử có mặt trong plasma thì electron có nhiệt độ cao nhất, pha khí còn lại chỉ ở nhiệt độ từ 300 đến 1000 K

Chế độ điện

Quan hệ giữa hiệu điện thế V và dòng điện I được biểu diễn trên đồ thị hình 4.4 Bình thường, khi tăng dần điện áp thì dòng điện I tăng đến khi gây ra hiện tượng phóng điện Trong quá trình tăng hiệu điện thế, người ta thấy xuất hiện một giai

đoạn bất thường (hình 4.4.), hiệu điện thế giảm và dòng điện I cứ tiếp tục tăng Sau

đó, nếu ta tăng hiệu điện thế, chúng ta lại trở lại quy luật bình thường, tức là dòng

điện tăng và nếu tiếp tục tăng hiệu điện thế chúng ta sẽ có hiện tượng phóng hồ quang

Hình 4.1 Bốc hơi và ngưng tụ

kim loại trong chân không Hình 4.2 Công nghệ ARE

Người ta tìm cách để duy trì chế độ làm việc ở khu vực bất bình thường nhưng không sang phóng hồ quang bằng cách sử dụng các anôt dạng lưới, một mặt tăng công suất , một mặt tạo chế độ bất thường (hiệu quả lớn nhất)

Sơ đồ vận chuyển chất Sự tạo thành plasma

Hình 4.3 Sơ đồ tạo plasma và ứng dụng Hình 4.4 Chế độ điện

4.2.3.2 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng

Để tạo ra hiện tượng phóng điện phát quang trong pha khí thì áp suất khí trong buồng phải nhỏ Tuy nhiên cũng cần giá trị nhất định 10-2 mbar trở lên Người ta thay một phần hoặc toàn bộ khí Ar bằng khí hoạt tính, sau khi tạo plasma, các ion, các electron vừa hình thành có năng lượng lớn, ta nói pha khí hoạt tính ở trạng thái kích thích ở trạng thái kích thích, hoạt tính hoá học của pha khí rất cao Các phản ứng hoá giữa các phần tử trong pha khí và giữa pha khí với bề mặt chi tiết đều xảy ra mãnh liệt hơn Đặc biệt, do các chất tham gia phản ứng ở trạng thái kích thích nên phản ứng có thể xảy ra ở ngoài phạm vi cân bằng hoá học thông thường, ví dụ, ở

Khí hoạt tính

Hơi kim loại

Màng ngăn

Chi tiết

e -

e -

Kim loại Bơm

Chùm elec

Hơi kim loại

Màng ngăn

Chi tiết

e -

e

-Kim loại Bơm Chùm elec

Phóng điện catôt nung

Phóng điện

do dòng một chiều

Phóng điện nhờ cảm ứng

Phóng điện nhờ cảm ứng tần số siêu âm

Phóng điện

hồ quang

V

I Bất thường Hồ quang

nhiệt độ thấp hơn Đây là một lợi thế của phương pháp, lợi thế này cho phép xử lý ở nhiệt độ thấp, tránh được ứng suất và biến đổi tổ chức của vật liệu chi tiết như khi xử

lý ở nhiệt độ cao Ngoài ra, công nghệ ARE còn có một số ưu điểm sau :

- Cho phép phủ được các kim loại có nhiệt độ chảy cao Các nguyên tử bứt ra có năng lượng khá lớn, lớn hơn bay hơi bình thường Chuyển động của chất phủ đến bề mặt chi tiết qua plasma, được truyền năng lượng động học nhờ các va chạm đàn hồi

và phi đàn hồi với các phần tử trong plasma do đó lớp phủ bám dính tốt hơn

- Thông thường, vật liệu phủ (cible) được phân cực catôt do đó phải là các vật liệu dẫn điện, nhưng bằng kỹ thuật đảo chiều (1MHz) người ta có thể hoá bụi mọi vật liệu kể cả không dẫn điện

- Lớp phủ gần như có cùng thành phần với catôt Ví dụ, muốn muốn phủ TiN thì catôt (cible) phải có thành phần tương ứng với TiN

- Sử dụng plasma lạnh cho phép tăng tốc độ vận chuyển chất đến bề mặt chi tiết do

đó tốc độ phủ nhanh

Sử dụng kỹ thuật plasma đánh dấu một bước tiến bộ quan trọng trong việc áp dụng công nghệ PVD, nhờ đó mà chất phủ được hoạt tính và vận chuyển đến bề mặt chi tiết nhanh hơn, chất lượng lớp phủ cao hơn Trên thực tế, plasma đã mở ra một thời

kỳ mới của các công nghệ PVD với các lĩnh vực áp dụng rộng rãi hơn, hiệu quả cao hơn

Trong công nghệ PVD có sử dụng plasma, chất phủ sau khi hoá hơi phải đi qua plasma, được hoạt tính hoá (ion hoá, được truyền năng lượng động học), thực hiện các phản ứng hoá học sau đó được phủ lên bề mặt chi tiết

Chi tiết trong quá trình phủ thường được phân cực catôt Sự phân cực catôt của chi tiết phủ, làm cho các cation chất phủ được chuyển động đến bề mặt phủ với gia tốc, cho phép tăng tốc độ phủ, tăng độ bám dính, tăng độ xít chặt của lớp phủ Ngoài ra,

sự phân cực còn giúp quá trình tạo mầm, điều chỉnh sự phát triển và định hướng tinh thể của lớp phủ

Tuy người ta sử dụng chủ yếu công nghệ ARE trong các ngành : quang học, điện tử, trang trí, ít dùng trong cơ khí vì dính bám của lớp phủ lên chi tiết chưa đủ cao, nhất là lớp phủ dày Lớp phủ có độ xít chặt không cao, hoạt tính của khí ở nhiệt độ thấp không đủ để tạo các nitrit và cacbit của kim loại khó chảy

4.3 hoá hơi kim loại và phủ Ion (Ion Plating)

Là quá trình bốc hơi kim loại trong môi trường khí trơ hoặc khí hoạt tính, hơi kim loại

đi qua môi trường khí đang có hiện tượng phóng điện và phát quang dưới tác dụng của từ trường, được ion hoá và được phủ lên bề mặt chi tiết được phân cực catôt Do lớp phủ được hình thành từ các ion nên còn gọi là lớp phủ ion

4.3.1 Công nghệ IP (Ion Plating)

Chi tiết (mẫu thử) cần phủ được phân cực catôt Hình 4.5 là mô hình thu gọn cổ điển của công nghệ phủ ion, người ta thực hiện các bước sau:

+ Đặt từ trường 1KV tạo quá trình phóng điện phát quang trong pha khí ở chế độ bất thường

+ Hoá hơi kim loại bằng cách dùng điện trở hoặc cảm ứng để nung kim loại lên nhiệt độ cao Ngày nay người ta còn bắn một chùm electron để tăng cường quá trình bay hơi

+ Ion hoá hơi kim loại do bay hơi trong từ trường đang có hiện tượng phóng điện

+ Ion kim loại, dưới tác dụng của điện trường, chuyển động với gia tốc hướng về cực

âm

áp suất của pha khi thông thường nằm trong khoảng từ 0,5 đến 5 Pa Trên vách ngăn áp suất (hình 4.5.) người ta thiết kế một cửa nhỏ để chùm electron đi qua đồng thời duy trì áp suất ở vùng gần súng electron khoảng 0,05 Pa

Kim loại phủ được đặt trong chén nhỏ, được nung nóng bằng điện trở hoặc cảm ứng Chi tiết cần phủ được phân cực catôt trong từ trường với cường độ từ 1 - 5 KV

Giai đoạn trước khi phủ :

Chi tiết được đặt trong từ trường và được bắn phá bằng các ion để:

- Làm sạch hoàn toàn tại chỗ bề mặt chi tiết trước khi phủ

- Nung nóng sơ bộ bề mặt chi tiết đến nhiệt độ thích hợp cho quá trình phủ

Giai đoạn bắn phá ion sơ bộ bề mặt chi tiết không được mạnh quá để không làm biến dạng bề mặt chi tiết, không hoá bụi vật liệu chi tiết làm ngăn cản sự dính bám của lớp phủ sau này

Giai đoạn phủ :

Quá trình phủ ion kim loại lên bề mặt chi tiết xảy ra liên tục kể từ khi kim loại bị bốc hơi ở giai đoạn đầu, khi nhiệt độ còn thấp (chưa ổn định), có thể có quá trình sinh mầm giúp cho sự phát triển các pha và tạo lớp phủ xít chặt sau này Trong quá trình phủ ion, một phần chất phủ có thể bị hoá bụi trở lại, sự hoá bụi trở lại một cách chọn lọc làm thay đổi thành phần và tính chất của lớp phủ

Vận tốc phủ khi phủ ion chỉ xấp xỉ như công nghệ ARE nhưng sự dính bám, khả năng đồng đều và xít chặt của lớp phủ thì lớn hơn nhiều

ứng dụng của công nghệ phủ ion

Trong ngành điện tử, quang học, ngành điện để phủ các tiếp điểm, dùng trong trang trí nhưng quan trọng hơn cả là ngành cơ khí để tạo lớp phủ Al, Cr, Mo, TiN lên thép Nhược điểm lớn nhất là ít phù hợp cho sản xuất hàng loạt , giá thành thiết bị cao, do

đó giá thành phủ còn cao

Hình 4.5 Sơ đồ thiết bị IP Hình 4.6 Sơ đồ thiết bị BARE (1)

4.3.2 Công nghệ BARE

Dựa trên cơ sở của công nghệ phủ ion, trong công nghệ BARE các ion kim loại cũng

được chuyển đến bề mặt catôt (bề mặt chi tiết cần phủ) với một gia tốc do đó bám dính của lớp phủ rất cao Cấu trúc của lớp phủ, tuỳ theo công nghệ phủ, có thể được

Khí vào

Hơi kim loại Màng e -

e

-Kim loại Bơm

+ Chi tiết 2

4

3

5

1

Khí Khí vào

Hơi kim loại

Màng ngăn

Chi tiết

e -

e -

Kim loại Bơm

xem như là cấu trúc vi tinh thể Nếu trong Plasma có mặt của các khí hoạt tính (như

đã nêu trên) thì các phản ứng sẽ xẩy ra mãnh liệt hơn, ngay cả ở nhiệt độ thấp, mà thông thường ở nhiệt độ này các phản ứng xảy ra chậm hoặc không xảy ra

Phương án 1

Trong công nghệ BARE, người ta sử dụng bộ phận hoá hơi kim loại giống như công nghệ AER: kim loại bốc hơi nhờ chùm electron có năng lượng cao (hình 4.6) Các electron sơ cấp này được tạo từ súng electron, phát ra các chùm electron thứ cấp

có năng lượng nhỏ (khoảng 100 eV) ở vùng lân cận chén kim loại nóng chảy

Để cung cấp năng lượng, người ta thiết kế một buồng tạo xung ion Buồng tạo xung này bao gồm một catôt phụ dạng lưới giữa nguồn kim loại bay hơi và chi tiết Điện cực phụ tập có nhiệm vụ tập trung các electron thứ cấp trong vùng đưa khí hoạt tính vào (hình 4.6.) Dưới tác dụng của điện trường, mức độ ion hoá của Plasma rất lớn,

đồng thời hoạt tính của hơi kim loại và của khí lớn Một số thiết bị có lắp thêm bộ phận nung nóng anôt (bằng nguồn điện 100V) liên tục dể tạo hoạt tính cho các electron

Vận tốc phủ lớn, cấu trúc lớp phủ đồng đều không sợ hiện tượng phân lớp khi tốc độ phủ lớn

Công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích không phân cực của chi tiết phủ (ARE) có các đặc điểm là : tuy môi trường có hoạt tính lớn, nhưng độ dính bám của lớp phủ chưa đủ cao Công nghệ BARE khác ARE ở chỗ chi tiết được phân cực canôt, chất phủ được thu hút đến catôt với gia tốc nên độ dính bám và chất lượng của lớp phủ cao

Nhiều loại lớp phủ cacbit, nitrit, oxyt được chế tạo bằng công nghệ BARE đã được sử dụng hữu hiệu trong ngành cơ khí Tuy rằng việc chủ động công nghệ ở quy mô công nghiệp chưa thật hoàn chỉnh, nhưng ý tưởng thiết lập phản ứng giữa các electron năng lượng thấp với khí hoạt tính và hơi kim loại là bước tiến cơ bản trong kỹ thuật bay hơi và ngưng tụ trong chân không

Phương án 2

Sơ đồ nguyên lý của công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích, theo phương án 2,

được phát triển ở quy mô công nghiệp và được trình bày trên hình 4.7

Một dòng electron có công suất lớn được tạo thành từ các electron có năng lượng thấp (60 đến 100 eV) cho phép làm bay hơi kim loại Dây tóc của máy phát electron

ở phía trên tạo điều kiện cho các electron, khí hoạt tính, hơi kim loại đi ngược chiều

và phản ứng trực tiếp với nhau, do đó tạo nên Plasma có hoạt tính rất lớn và mật độ ion rất cao ( khoảng 0,1) Dòng ion tiến thẳng đến bề mặt chi tiết đã được phân cực catôt (vài chục vol) Trong điều kiện đó, độ bám dính của lớp phủ tốt cho dù nhiệt độ

xử lý thấp Công nghệ đặc biệt áp dụng cho lớp phủ TiN lên thép gió

Phương án thứ 3

Dựa trên nguyên lý của phương pháp 2, điểm khác là dòng electron sơ cấp được tạo

từ súng electron có catôt rỗng (hình 4.8)

Nói chung tất cả lớp phủ tạo bằng công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích thì pha khí đều có hoạt tính cao, độ bám dính tốt Một ưu điểm đáng lưu ý là các công nghệ này chỉ sử dụng chùm electron sơ cấp có năng lượng thấp, không cần sử dụng các loại bơm khuếch tán để tạo độ chân không cao, mẫu thử trong quá trình phủ luôn

được phân cực anôt với điện thế thấp áp dụng quan trọng nhất là tạo lớp phủ TiN

lên thép Tạo lớp các lớp phủ cacbit bằng công nghệ này không hoàn toàn thích hợp vì cacbua hydrô kém ổn định, phân huỷ quá nhanh trong plasma nhưng lại ổn định nhiệt quá cao (so với NH3) Nói chung sự đồng đều về thành phần hoá học của lớp phủ không cao, vì theo chiều cao hơi kim loại phân bố không đều

Bay hơi không hoạt tính chỉ dùng để phủ kim loại trong một số trường hợp, ví dụ khi cần phủ nhanh mà không đòi hỏi chất lượng cao lắm

Hình 4.7 Sơ đồ công nghệ BARE – 2 Hình 4.8 Sơ đồ công nghệ BARE - 3

4.4 Hoá bụi catôt và phủ ion

Trong các công nghệ hoá bụi catôt và phủ ion, plasma luôn luôn được sử dụng như

là một phương tiện cơ bản cho phép chế tạo tất cả các loại lớp phủ mỏng (kim loại, hợp kim, hợp chất xen kẽ, ceramic) lên nhiều loại vật liệu dẫn điện hoặc không dẫn

điện, miễn là chịu được nhiệt độ từ 120 đến 800 oC Sau đây là đặc điểm của một số thiết bị điển hình của công nghệ này

4.4.1 Thiết bị sử dụng diôt

Thiết bị đơn giản và sơ khai nhất của công nghệ hoá bụi catôt và phủ ion trình bày trên hình 4.9 Các thông số kỹ thuật cơ bản là:

áp suất làm việc từ 0,01 đến 1 Pa, hiệu điện thế từ 1 đến 10 KV Với mức điện áp này cho phép tạo hiện tượng phóng điện phát quang trong pha khí ở chế độ bất thường Cả chi tiết cần phủ và chất phủ ở thể rắn (cible) đều được phân cực catôt: chất phủ - (2-10 KV); chi tiết - (0,05 - 1KV)

Quá trình phủ thực hiện nhờ vận chuyển các nguyên tử, các ion chất phủ đến bề mặt chi tiết Các nguyên tử và các ion này được tạo thành do các ion khác bắn phá lên

bề mặt catôt - cible

Khi tăng nhiệt độ catôt (cible), thì đầu tiên xảy ra quá trình khử hấp phụ bề mặt, sau

đó phát ra các electron thứ cấp, tia X và các photon mà người ta có thể khai thác các hiện tượng vật lý này

Hiệu suất hoá bụi chất phủ phụ thuộc vào các yếu tố sau :

Sự hoá bụi chỉ xẩy ra từ một mức năng lượng nhất định phụ thuộc vào bản chất của các hạt đập vào

Khí vào

Hơi kim loại

e -

e -

Cuộn

dây

kích

từ

Khí vào

Hơi kim loại

Chi tiết

e -

Kim loại Bơm

Chi tiết

Súng elec.

Phụ thuộc vào bản chất của chất phủ (cible)

Hệ thống diôt không phải là một hệ thống tạo ion tốt, mặt khác tốc độ hoá bụi chất phủ chậm (từ 0,1 đến 1àm/h) do đó chưa đủ để tạo được các lớp phủ dày sử dụng trong ngành Cơ khí Chiều dày lớp phủ tạo thường chỉ khoảng 5 àm

4.4.2 Thiết bị sử dụng triôt

Hệ thống thiết bị triôt trình bày trên hình 4.10 gồm một anôt có điện thế 50-100 V, hai catôt có điện thế phân cực catôt cao là: chất phủ ở thể rắn cible; bàn gá chi tiết cần phủ Ngoài ba cực này, người ta còn đặt thêm một điện cực phụ, được phân cực 30-50 V (so với anôt), đó là một sợi đốt bằng W được nung nóng bằng dòng điện bên ngoài, có chức năng tạo ra các electron (4- hình 4.10)

Cấu trúc của thiết bị cho phép tạo ra một từ trường vuông góc với phương nối cible- chi tiết làm cho chuyển động của của các nguyên tử và ion chất phủ đến bề mặt chi tiết theo đường xoắn Điều đó có tác dụng làm tăng số lượng va chạm nên mức độ ion hoá và động năng của hơi chất phủ lớn hơn (hình 4.10.) do đó chất lượng lớp phủ cao

Hình 4.9 Sơ đồ thiết bị điôt Hình 4.10 Sơ đồ thiết bị triôt

4.4.3 Thiết bị sử dụng diôt magnhêtron và triôt magnhêtron

Trên hệ thống diôt magnhêtron người ta lắp thêm một nam châm vĩnh cửu thích hợp phía sau cible (chất phủ ở thể rắn cần hoá bụi) Nguyên tắc này áp dụng cho các vật liệu không có từ tính

Công dụng của cible magnhêtron : Thu hút các electron tập trung ở vùng xung quanh cible làm cho hiệu quả của Plasma tăng lên do đó điện áp kích thích sự phóng điện phát quang trong pha khí giảm xuống 300-500 V (bình thường cần từ 1

đến 10 kV)

Mật độ công suất tăng lên đến vài chục W/cm2 bề mặt cible Thông thường, mật

độ công suất tỷ lệ với vận tốc hoá bụi Cible magnhêtron cho phép tăng tốc độ hoá bụi lên 30 àm/h gấp trên 30 lần cible bình thường

Nhiệt độ của cible rất cao do đó phải được làm nguội bằng nước

Khí vào

Chi tiết phủ

-

Vật liệu phủ

Bơm

2-10kV

0,05-1kV

+

+ +

+

+

+

e - e -

e -

e -

Plasma +

e -

- electron

e

ion +

- nguyên tử

plasma

Từ trường

e

-e

-e

-+ +

+

+

e

-e -

e -

e -

e -

Bơm

50-100V

2-10kV

+ Khí vào

Nhiệt độ chi tiết thấp, electron tập trung ở cible là hai đặc điểm quan trọng khi dùng cible magnhêtron ở quy mô công nghiệp người ta chế tạo cible magnhêtron thành hai loại chính là: cible dưới dạng catôt trụ rỗng và cible phẳng (hình 4.11)

Công nghệ sử dụng diôt magnhêtron cho phép nhận được lớp phủ bám dính tốt lên

bề mặt chi tiết Độ dính bám sẽ càng tốt hơn nếu chi tiét đón trực tiếp tác động của dòng Plasma Để đạt được mục đích này, người ta sử dụng hệ thống thiết bị triôt magnhêtron (hình 4.12)

Công nghệ sử dụng triôt magnhêtron này cho phép hoá bụi catôt và phủion cho chất lượng lớp phủ tốt nhất và vận tốc tạo lớp phủ cao

Để nhận được lớp phủ có tính chất đặc biệt, người ta đưa khí hoạt tính vào buồng phủ Trong trường hợp sử dụng khí hoạt tính, phải tránh để khí không phản ứng với chất phủ rắn (cible) làm giảm tốc độ hoá bụi chất phủ

(a) (b)

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của catôt manhêtrông

a - catôt hình trụ, b - catôt phẳng

Trên thị trường đã có bán nhiều loại thiết bị phủ bằng bắn phá catôt và phủ ion loại triôt magnhêtron áp dụng cho các chi tiết nhỏ (kích thước không quá 200mm) Lĩnh vực sử dụng chủ yếu là quang học và trang trí Trong lĩnh vực cơ khí, y tế đang từng bước mở rộng áp dụng công nghệ này

Hình 4.12 Sơ đồ thiết bị triôt manhêtrông

catôt

B

e

E

N

N

S N

Nam châm vĩnh cửu

anôt

vùng xói mòn

catôt

đường sức từ trường

Gá chi tiết phủ

Cuộn dây kích từ

Điện cực phụ

sợi đốt W

Catôt (cible) manhêtrông