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物理氣相沉積（PVD）種類、特點及應用介紹

2023-05-09

什么是物理氣相沉積（PVD）？

物理氣相沉積（Physical vapor deposition，PVD）是一種在真空條件下采用物理方法，將固體或液體材料表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能薄膜的技術。

物理氣相沉積技術不僅可以沉積金屬膜、合金膜，還可以沉積化合物、陶瓷、半導體、聚合物膜等，是具有廣泛應用前景的新材料制造技術。采用此技術制備的超硬薄膜不僅具有超高硬度，且超薄、耐高溫、無污染、幾乎零排放，適合于工具、零件和摩擦磨損件表面的耐磨損、抗氧化、防腐蝕、自潤滑等特殊性能要求，是現(xiàn)代表面工程技術中最有發(fā)展前途和應用價值的一種技術。

物理氣相沉積種類

PVD	優(yōu)點	缺點	應用
真空蒸鍍	● 原理簡單，操作方便，沉積參數(shù)易于控制 ● 薄膜純度高，可用于薄膜性質(zhì)研究 ● 沉積速率快、效率高，可多塊同時蒸鍍 ● 適用材料較多 ● 是PVD工藝中成本最低的	薄膜與襯底的附著性相對較差，工藝重復性不太理想	真空蒸鍍用于高、低折射率材料的光學干涉鍍膜、鏡面鍍膜、裝飾鍍膜、軟包裝材料上的滲透阻隔膜、導電膜、防腐蝕涂層等。沉積金屬時，真空蒸鍍有時也稱為真空金屬化。
濺射沉積	● 薄膜與襯底附著性好 ● 薄膜純度高 ● 致密性好、無氣孔 ● 適用于大多數(shù)固體材料（特別是熔點高的材料），材料適用范圍大 ● 濺射鍍工藝可控性和重復性好，便于工業(yè)化生產(chǎn)	● 設備復雜，沉積參數(shù)控制較難 ● 沉積速率較低 ● 沉積方向性不如真空蒸鍍 ● 濺射靶材通常較為昂貴 ● 濺射沉積過程中，需仔細控制氣體成分，防止靶材中毒	濺射沉積廣泛用于在半導體材料上沉積薄膜金屬化、建筑玻璃上的涂層、聚合物上的反射涂層、存儲介質(zhì)的磁性薄膜、玻璃和柔性網(wǎng)上的透明導電薄膜、干膜潤滑劑、耐磨涂層在工具和裝飾涂層上。
離子鍍	● 薄膜與襯底附著性好 ● 致密性高 ● 耐磨耐腐蝕性好 ● 材料適用范圍大	● 有許多加工變量需要控制 ● 通常很難在襯底表面獲得均勻的離子轟擊，導致薄膜特性發(fā)生變化 ● 襯底可能加熱過度 ● 轟擊氣體可能會融入生長的薄膜中	離子鍍用于在復雜表面上沉積復合材料的硬質(zhì)涂層、附著金屬涂層、高密度光學涂層和保形涂層。使用離子鍍在航空航天部件上沉積鋁膜稱為離子氣相沉積。

真空蒸鍍

真空蒸鍍即真空蒸發(fā)鍍膜，是薄膜制備中最常見和最廣泛的方法，其原理是在真空環(huán)境下，利用外界提供的熱量使膜材（薄膜材料）受熱液化后氣化，或直接氣化成氣態(tài)，沉積到基體上形成薄膜的技術。根據(jù)熱量來源分為：電阻蒸發(fā)鍍(Resistance Evaporation Plating)、電子束蒸發(fā)鍍 (electron beam(EB)-coating)、脈沖激光沉積(pulsed laser deposition，PLD)感應加熱蒸發(fā)鍍(Induction-heatedevaporation)等。

濺射沉積

是在真空條件下，通過氣體放電產(chǎn)生離子(Ar)，利用帶正電荷的氟離子轟擊帶負電位的固體靶材，使靶材原子濺射出來并沉積到基體表面形成薄膜的鍍膜技術。真空濺射鍍按不同濺射裝置分為：二極、三極或四極濺射，直流或射頻線射，磁控濺射、反應濺射、離子束濺射等。其中，得到廣泛應用的是磁控濺射鍍膜，包括直流平面磁控濺射鍍、柱狀靶磁控濺射鍍、非平衡磁控濺射鍍、脈沖直流磁控濺射鍍、射頻磁控濺射鍍及中頻磁控濺射鍍等。

離子鍍

離子鍍是發(fā)展最快、應用最廣的鍍膜技術之一，膜材（薄膜材料）是由固態(tài)變成氣態(tài)的方式如同蒸發(fā)鍍或如同濺射鍍，但是氣態(tài)膜材在隨后輸運過程中與工作氣體一起參與輝光放電，部分被離化成離子和電子，離子和中性粒子沉積到帶負電位的基體上形成薄膜。離子鍍基本可以分為三大類：等離子體離子鍍（ion plating）、電弧離子鍍（arc vapor deposition）和束流離子鍍（ion beam deposition）。離子鍍區(qū)別于蒸發(fā)鍍和濺射鍍的最典型特征是:①在離子鍍中，氣化的膜材原子經(jīng)歷一個離化過程，②在離子鍍中，基體通常施加負偏壓。滿足這兩個條件的鍍膜基本上可以歸類為離子鍍。

常見的應用

物理氣相沉積（PVD）應用的范圍越來越多。薄膜通常分為不同的類別：

彩色PVD涂層——增強產(chǎn)品的耐用性、美感和價值

高性能涂層——耐熱/耐冷/耐壓/耐水垢/耐腐蝕、生物相容性

類金剛石碳——最大限度地提高耐用性、減少摩擦或改善外觀

PVD 鍍鉻替代品一種美觀、耐用且安全的硬鉻替代品

銅涂層——銅可用于其獨特的外觀和抗菌性能

家居產(chǎn)品：涂有 PVD 薄膜以改變顏色和耐用性。水龍頭里可能還包括涂有 PVD 類金剛石碳層 (DLC) 薄膜的內(nèi)部水計量閥，以實現(xiàn)持久的性能。

汽車：PVD 涂層可以讓發(fā)動機零件和傳動系統(tǒng)部件使用壽命更長，由于摩擦力更低、運行效率更高、耐高溫和耐腐蝕。用于內(nèi)燃機、ICE/EV 車輛的動力傳動系統(tǒng)部件以及內(nèi)部/外部裝飾件的涂層。

醫(yī)療設備：醫(yī)療設備需要基材不具備的特性，如：出色的硬度和韌性、生物相容性、低摩擦系數(shù)以及與清潔劑和其他溶劑的相容性。用于骨科植入物、手術器械、種植牙等