December 11, 2017
------------ của Donald M. Mattox, Giám đốc Kỹ thuật SVC
Giới thiệu
Hút chân không là môi trường nơi áp suất khí thấp hơn xung quanh. Một plasma là một môi trường khí, trong đó có đủ ion và điện tử để có thể có được tính dẫn điện đáng kể. Phủ chân không là sự lắng đọng của màng hoặc lớp phủ trong môi trường không áp suất (hoặc áp suất thấp). Nói chung thuật ngữ này được áp dụng cho các quy trình chứa các nguyên tử (hoặc phân tử) tại một thời điểm như sự lắng đọng hơi vật lý (PVD) hoặc các quá trình lắng đọng hóa học áp suất thấp (LP-CVD) hoặc huyết tương cải thiện huyết tương (PECVD). Trong quy trình PVD, vật liệu được lắng đọng xuất phát từ sự bốc hơi của bề mặt rắn hoặc lỏng. Trong quá trình CVD, vật liệu được lắng đọng xuất phát từ các loài tiền chất hóa học bị phân huỷ bằng cách giảm hoặc phân hủy nhiệt - chủ yếu là trên một bề mặt nóng.
Trong một số trường hợp, vật liệu được lắng đọng phản ứng với môi trường khí hoặc một loài được mã hoá để tạo thành một màng của vật liệu hợp chất như oxit, nitride, cacbua hoặc carbonitride. Trong quá trình xử lý CVD, việc sử dụng plasma để phân tách tiền chất hóa học trong pha hơi cho phép quá trình phân hủy hoặc giảm được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn so với kích hoạt nhiệt một mình. PECVD có thể được thực hiện ở áp suất thấp như áp dụng trong chế biến PVD (áp suất thấp PECVD, LP-PECVD), nơi mà hơi tiền chất bị phân hủy chủ yếu trong plasma. Trong một số trường hợp, quá trình lắng tụ lai của PVD và LP-PECVD được sử dụng để lắng các hợp kim, compozit hoặc hợp chất. Một ví dụ là cacbonitrit kim loại, trong đó cacbon có nguồn gốc từ một chất hóa học hơi hóa học như acetylene; lượng nitơ đến từ khí; và kim loại từ bốc hơi, xáo trộn, hoặc bốc hơi hồ quang của một bề mặt rắn hoặc lỏng.
Phim dẫn điện
Màng kim loại là loại phim điện dẫn phổ biến nhất. Màng kim loại có thể được sử dụng làm kim loại hóa "chăn" hoặc có thể được tạo thành các đường dẫn rời rạc ("sọc") bằng cách che mặt nền trong quá trình lắng đọng hoặc bằng quá trình khắc axit photolithographic. Dây dẫn được sử dụng trong công nghệ vi mạch vòng và trong sản xuất các thiết bị bán dẫn. Thông thường, các dây dẫn điện là các lớp đa lớp (stacks), nơi mỗi lớp có một chức năng. Ví dụ, bộ phim ống dẫn có thể có thành phần: thủy tinh-Ti-Pd-Cu-Au. Titan (Ti) là lớp "keo", palladium (Pd) cung cấp khả năng chống ăn mòn, đồng (Cu) là chất dẫn điện và vàng (Au) bảo vệ ăn mòn. Các dây dẫn kim loại được lưu giữ trong "Vias" được sử dụng trong việc thiết lập mối liên hệ điện giữa các lớp khác nhau trong sản xuất thiết bị bán dẫn. Chốt bằng kim loại được sử dụng để cung cấp nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu tần số vô tuyến (RFI) che chắn các cấu trúc như vỏ nhựa cho điện thoại di động, điện cực cho điện cực tụ cứng và linh hoạt, và bề mặt cho "phiến" radar.
Nitrit kim loại, cacbua, và silicide thường có tính dẫn điện (Si 3 N 4 và AlN là những ngoại lệ quan trọng). Trong một số ứng dụng, phim của các vật liệu chịu lửa này được sử dụng để tạo ra các rào chắn khuếch tán giữa các vật liệu. Ví dụ, trong quá trình kim loại bán dẫn, vật liệu điện cực nhôm hoặc vàng sẽ khuếch tán vào silicon trong quá trình xử lý nhiệt độ cao. Một lớp dẫn điện nitride dẫn điện trên bề mặt silicon trước khi điện cực kim loại được lắng đọng sẽ ngăn chặn sự khuếch tán. Tạo ra các liên lạc bán dẫn bằng kim loại ổn định, dẫn điện, không sửa chữa kim loại hoặc các hợp chất kim loại-silicide là một khía cạnh quan trọng trong việc chế tạo thiết bị bán dẫn. Nitơ kim loại như nitrit tantali (TaN) được sử dụng làm vật liệu điện trở màng mỏng. Các oxit dẫn điện không ổn định như chromium trioxide (Cr 2 O 3 ), oxit chì (PbO) và ruthenium oxygen (RuO) được sử dụng làm điện cực trong môi trường oxy hoá oxy hoá ở nhiệt độ cao.
Chất dẫn điện là vật liệu có điện trở suất điện trở gần bằng 0 dưới nhiệt độ tới hạn (T c ). Low-T c (ít hơn [<] 10 Kelvin [K]) chất siêu dẫn thường là kim loại. Một vật liệu siêu dẫn đặc trưng cao T c (lớn hơn [> 50 K) là hỗn hợp oxit (Yttrium-bismuth-copper [Y-Bi-Cu] oxides, YBCO). Các màng siêu dẫn High-T c thường được lắng đọng bởi sự cắt bỏ laser trong chân không.
Transparent điện Conductors
Các màng oxide dẫn điện trong suốt (TCO), như indi trioxide (In 2 O 3 ), thiếc dioxide (SnO 2 ), oxit kẽm (ZnO) và hợp kim oxit indo và oxit thiếc (ITO) có nhiều ứng dụng như lò sưởi trên các cửa sổ để làm tan băng, lớp phủ chống tĩnh điện trên màn hình hiển thị, điện cực trên màn hình phẳng và các thiết bị điệnchromic, và các điện cực trên cả màn hình cảm ứng linh hoạt (màn hình điện trở) và màn hình cảm ứng cứng (màn hình điện dung). Điện trở suất cho các màng TCO có thể thay đổi từ hơn 1.000 ohm cho mỗi "hình vuông" xuống dưới 10 ohms cho mỗi ô vuông với khả năng truyền dẫn quang tốt.
Điện cách điện
Điện cách điện phim được sử dụng để điện cô lập các thành phần dẫn điện trong các thiết bị bán dẫn, và như một điện môi trong tụ điện. Các vật liệu màng cách điện thông thường là silicon dioxide (SiO 2 ), oxy nhôm (Al 2 O 3 ), tantali pentoxit (Ta 2 O 5 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) và nhôm nitride (AlN). Gắn một màng oxit mỏng giữa một màng kim loại và một chất bán dẫn cho phép tạo ra thiết bị bán dẫn kim loại-oxit-kim loại quan trọng. Lớp phủ dày của SiO 2 , với hệ số giãn nở nhiệt thấp, có thể được lắng đọng. Các lớp cách điện SiO2, SiO 2 (Si 2 N 3 ), và thủy tinh được PECVD gửi cho các lớp đóng gói và lớp cách điện trong quá trình chế tạo chất bán dẫn.
Phim quang học
Màng quang, thường là các màng nhiều lớp ("stacks"), là các màng ảnh hưởng đến việc truyền dẫn quang học hoặc phản xạ bề mặt. Chúng thường là các lớp xen kẽ các vật liệu có hàm lượng cao (gecmani, Si, TiO2, zirconi dioxit [ZrO2], SiO, xeri dioxit [CeO2]) và thấp (magiê fluoride [MgF 2 ], SiO 2 ) khúc xạ. Một ứng dụng chính là các lớp phủ chống phản xạ (AR) trên thấu kính. Các ngăn xếp phim quang học có thể được sử dụng làm bộ lọc quang học. Mật độ trung tính hoặc các bộ lọc xám làm giảm cường độ ánh sáng bằng nhau cho tất cả các bước sóng; các bộ lọc băng thông rộng ảnh hưởng đến việc truyền bức xạ qua một dải bước sóng rộng, trong khi các bộ lọc hẹp hoặc đơn sắc ảnh hưởng đến truyền qua một vùng bước sóng rất hẹp. Một ví dụ về bộ lọc băng thông rộng là một "bộ lọc cạnh" mà "cắt bỏ" tia cực tím (UV) phát ra từ đèn hơi thủy ngân. Ví dụ về bộ lọc dải hẹp là các bộ lọc màu được sử dụng trong nhiếp ảnh và trong máy chiếu.
Một số ngăn xếp phim là một loại phim quang học đặc biệt có màu sắc liên quan đến góc quan sát (OVID). Những bộ phim này cho phép hình ảnh giống như hình ba chiều. Những phim OVID này được sử dụng làm thiết bị an ninh để ngăn ngừa hàng giả. Những bộ phim này là một sự gia tăng của các bộ phim có màu can thiệp được sử dụng cho phim trang trí, và khi bị nghiền thành bột màu.
Sơn tĩnh điện
Thành phần của các lớp phủ điều khiển nhiệt trên cửa sổ khác với kết quả cuối cùng mong muốn. Nếu đối tượng là để giữ bức xạ mặt trời từ cửa ra vào, có thể sử dụng một lớp kính nhiều lớp TiO2-Cr-TiO2 (lớp phủ điều khiển bằng năng lượng mặt trời). Nếu đối tượng là để giữ nhiệt trong phòng, một màng mỏng bạc có thể được sử dụng để phản xạ 85% đến 95% bức xạ hồng ngoại nhiệt độ thấp vào phòng (lớp phủ E thấp). Một "lớp phủ đôi E" như vậy là thủy tinh ZnO-Ag- (Ti) -ZnO-Ag- (Ti) -ZnO-TiO2. ZnO cung cấp một lớp phủ chống phản xạ.
Các loại lớp phủ điều khiển nhiệt khác được sử dụng để hấp thụ bức xạ mặt trời (hấp thụ năng lượng mặt trời), hấp thụ một cách có chọn lọc bức xạ mặt trời và không phát ra bức xạ hồng ngoại (các bộ hấp thụ năng lượng mặt trời chọn lọc) hoặc có độ phát xạ cao để làm mát bằng bức xạ. Các lớp phủ rào cản nhiệt được sử dụng để giảm vận chuyển nhiệt từ môi trường nóng lên bề mặt. Zirconium oxide (ZrO 2 ) được ổn định với oxit canxi (CaO), MgO, hoặc Y 2 O 3 được sử dụng làm lớp bảo vệ nhiệt cho lưỡi xoáy động cơ máy bay.
Sơn phản quang
Màng kim loại được sử dụng rộng rãi cho bề mặt phản xạ. Bạc thường được sử dụng khi sự ăn mòn không phải là vấn đề, chẳng hạn như đối với gương mặt sau. Nhôm có thể được sử dụng như một mặt trước hoặc bề mặt phản xạ. Thông thường, kính phản xạ mặt trước nhạt, như gương phản chiếu, được tráng phủ bằng lớp màng polyme bảo vệ (lớp phủ trên). Chromium được sử dụng trên các phản xạ mặt trước khi sự ăn mòn là một vấn đề mặc dù độ phản xạ của nó trong khả năng nhìn thấy (60%) ít hơn so với nhôm (> 90%). Phim phản chiếu được sử dụng trong nhiều ứng dụng thường gặp, chẳng hạn như trên đĩa compact để lưu trữ video và âm nhạc, đèn phản chiếu và gương chiếu hậu như gương chiếu hậu cho xe ô tô. Trong một số trường hợp, các loại phim nhiều lớp, tương tự như các bộ phim quang nhiều lớp, được sử dụng để phản ánh một cách có chọn lọc các bước sóng nhất định chứ không phải các bước sóng khác. Ví dụ như "gương lạnh" phản chiếu bức xạ nhìn thấy nhưng không phải là bước sóng hồng ngoại và "gương phản chiếu" phản chiếu hồng ngoại nhưng không nhìn thấy được. Gương nhiệt được sử dụng để tăng nhiệt độ bên trong của đèn halogen. Gương lạnh được sử dụng để giảm nhiệt của ánh sáng sân khấu trên diễn viên.
Bao bì
Lớp phủ rào chắn được sử dụng trên các màng polyme linh hoạt và giấy để đóng gói thực phẩm để giảm tốc độ truyền nước (WVTR) và tỷ lệ truyền oxy (OTR) qua giấy hoặc màng polymer. Các vật liệu phủ rào cản phổ biến nhất là nhôm, được lắng đọng trên các cuộn của màng polymer (web), sau đó được cung cấp cho "người chuyển đổi" người chế tạo bao bì. Trong một số trường hợp, các lớp phủ kim loại được lắng đọng trên bề mặt và sau đó "truyền" sang màng bao bì. Các lớp phủ rào chắn trong suốt là mong muốn trong nhiều trường hợp. Các lớp SiO 2-x , bằng cách bốc hơi phản ứng và PECVD và các lớp phủ tổng hợp của SiO 2 : 30% Al 2 O 3 bằng cách bốc hơi chùm tia E được sử dụng để tạo thành các lớp chắn trong suốt. Vật liệu lớp phủ composite dày đặc và linh hoạt hơn vật liệu lắng đọng SiO2 hoặc Al 2 O 3 một mình. Các màng nhôm được sử dụng cho các quả bóng bay bằng heli chứa polymer để giảm sự mất mát của hêli.
Sơn trang trí / Trang trí / Mang
Metallization cho mục đích trang trí nghiêm ngặt là một thị trường lớn. Các ứng dụng khác nhau từ các lớp phủ polymer - sau đó được chuyển sang sử dụng trang trí như bong bóng và nhãn - để kim loại hóa các mặt hàng ba chiều, chẳng hạn như các danh hiệu thể thao, khuôn đúc kẽm và các đồ trang trí bằng nhựa polyme đúc, và các hộp đựng mỹ phẩm. Thường thì các lớp phủ này bao gồm một lớp phủ nhôm phản chiếu được phủ lên trên lớp nền cơ bản mịn, sau đó được phủ một lớp sơn nhuộm để tạo lớp phủ cho màu sắc và kết cấu mong muốn cũng như khả năng chống ăn mòn và mài mòn.
Trong một số ứng dụng, ngoài khía cạnh trang trí của lớp phủ, lớp phủ được yêu cầu chịu được mài mòn. Ví dụ, titanium nitrit (TiN) có màu vàng, và titanium carbonitride (TiC x Ny) có thể thay đổi màu từ vàng sang tím tùy theo thành phần. Zirconium nitride (ZrN) có màu đồng và có khả năng chịu mài mòn và trầy xước cao hơn đồng thau. Lớp trang trí / mài mòn được sử dụng cho phần cứng cửa, đồ đạc ống nước, mặt hàng thời trang, phần cứng hàng hải và các ứng dụng khác.
Sơn cứng và chịu mài mòn
Các lớp phủ cứng thường được gọi là lớp phủ luyện kim và là một loại lớp phủ tribologic. Các lớp phủ cứng được sử dụng để tăng hiệu quả cắt và tuổi thọ của các dụng cụ cắt và để duy trì dung sai kích thước của các thành phần được sử dụng trong các ứng dụng mà việc mài mòn có thể xảy ra, chẳng hạn như khuôn phun. Ngoài ra, lớp phủ có thể hoạt động như một rào cản khuếch tán khi nhiệt độ cao được tạo ra bởi sự chuyển động giữa các bề mặt hoặc chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt. Có nhiều lớp vật liệu phủ cứng. Chúng bao gồm: oxit kim loại liên kết ion (Al 2 O 3 , ZrO 2 , và TiO 2 ), các vật liệu liên kết hóa trị (SiC, boron carbon [B4C], kim cương, kim cương giống như cacbon [DLC], TiC, AlN, CrC, hợp chất cacbua, hợp chất nitrit và cacbonitrit, và nitơ boron khối), và một số hợp kim (cobalt crôm nhôm yttri], NiAl, NiCrBSi. Trong một số trường hợp, lớp phủ có thể được lớp để kết hợp các tính chất.
Lớp phủ cứng cũng được sử dụng để giảm thiểu tình trạng mỏi mòn, như được tìm thấy trong vòng bi. Lớp phủ chống mài mòn cũng có thể được áp dụng cho các bề mặt có tải nhẹ hoặc định kỳ. Ví dụ, lớp phủ cứng được lắng đọng trên plastic để cải thiện khả năng chống xước. Các ứng dụng được đặt trên thấu kính nhựa đúc và máy bay nhựa canopies. Trong một số trường hợp, mài mòn lớp phủ, như SiO2 hoặc Al 2 O 3 , có thể được áp dụng cho các bề mặt cứng, như thủy tinh, để tăng khả năng chống xước.
Phim hoạt hình điện
Các loại film silicon được kích hoạt được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn, và những phim này thường được gửi bằng một kỹ thuật bay hơi tinh vi PVD được gọi là epitaxy chùm phân tử (MBE) hoặc một kỹ thuật CVD của epitaxy pha hơi (VPE). Silicon vô định hình cho tế bào năng lượng mặt trời được PECVD lưu giữ trên các lớp nền cứng và nền. Các màng quang điện thay đổi chuyển đổi quang học khi áp dụng điện áp phụ thuộc vào sự khuếch tán của các loài di động trong màng dưới điện trường. Phim của một vật liệu như selen có thể trở thành điện tích khi tiếp xúc với ánh sáng. Những bộ phim như vậy được sử dụng để giữ mực trong máy photocopy.
Phương tiện lưu trữ từ
Vật liệu từ tính được phân loại là "cứng" hoặc "mềm" tùy theo mức độ từ trường, từ khỏ, hoặc "chuyển đổi" từ trường. Các vật liệu từ mềm như Permalloys (sắt [Fe]: 40 đến 80% Ni) và Y 2 Fe 5 O 12 (garnet) được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ bộ nhớ nơi dữ liệu được thay đổi thường xuyên. Các vật liệu từ cứng như Fe3O4, Co: Ni: vonfram [W], Cohenen [Re], gadolinium [Gd]: Co, và Gd: terbium [Tb]: Fe được sử dụng trong các phương tiện ghi hình thường xuyên hơn như băng âm thanh. Nhiều kỹ thuật được sử dụng để xác định từ trường hoạt động như các vị trí lưu trữ.
Sơn chống ăn mòn
Bảo vệ khỏi môi trường hóa học hung hãn có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Bề mặt có thể được tráng bằng vật liệu trơ hoặc với vật liệu tạo thành bề mặt bảo vệ sau khi phản ứng với môi trường hoặc bằng vật liệu sẽ được dỡ bỏ một cách tự nhiên để bảo vệ vật liệu bên dưới. Tantali, bạch kim và cacbon bị trơ ở nhiều môi trường hóa học. Ví dụ, lớp phủ cacbon được sử dụng trên kim loại được cấy vào cơ thể con người để cung cấp khả năng tương thích. Trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ được nhôm tráng bởi quá trình lắng đọng hơi ion (IVD) của PVD để ngăn chặn sự ăn mòn điện của các vật liệu không tương đồng tiếp xúc.
Chromium, nhôm, silic, và MCrAlY (trong đó M là hợp chất Ni, Co, Fe) sẽ phản ứng với oxy để tạo thành một lớp oxit bảo vệ mạch lạc trên bề mặt. Nếu các ion kim loại (Fe, Cu) khuếch tán nhanh hơn oxy qua oxit, một oxit dày sẽ hình thành trên bề mặt. Nếu oxy khuếch tán nhanh hơn oxit hơn các ion kim loại (Al, Si, Ti, Zr - kim loại "van"), oxy hóa sẽ xảy ra ở giao diện và một oxit mỏng sẽ được hình thành. Các lớp phủ hợp kim MCrAlY được sử dụng làm lớp phủ bảo vệ trên lưỡi tuabin động cơ của máy bay. Cadmium, nhôm, và Al: Các hợp kim Zn được sử dụng làm lớp mạ điện trên thép. Việc mạ cadmium (chân không cadmium) có ưu điểm hơn cadmium mạ điện trong đó không có khả năng làm kẽ hở hydro bằng thép có độ bền cao khi xử lý bằng chân không được sử dụng.
Dầu bôi trơn phim / Chất bôi trơn thấp
NASA đã đi tiên phong trong việc sử dụng chất bôi trơn dạng rắn mỏng. Chất bôi trơn có hai loại: dầu bôi trơn kim loại có tỷ trọng thấp như bạc và chì và các vật liệu kết hợp cắt lớp mỏng như molibden disulfide (MoS 2 ). Chất bôi trơn bằng kim loại có độ mài mòn thấp được sử dụng trong các ứng dụng mô men xoắn cao như các anốt quay trong ống tia X. Các vật liệu hỗn hợp cắt thấp được sử dụng trong các ứng dụng chịu lực cơ học trong chân không và nơi mà các chất bôi trơn "leo" có thể là vấn đề. Bởi vì chỉ có một màng mỏng rất cần cho việc bôi trơn, việc áp dụng màng bôi trơn không dẫn đến những thay đổi đáng kể về kích thước. Các lớp phủ ma sát có chứa kim loại thấp (Me-C) được sử dụng để giảm sự mài mòn trong các ứng dụng tiếp xúc cơ học
Cấu trúc tự do
Các cấu trúc tự do có thể được tạo ra bằng cách phủ một lớp phủ lên một bề mặt (trục trặc), sau đó tách lớp phủ khỏi bề mặt trục trặc hoặc giải thể tròng. Kỹ thuật này rất hữu ích cho việc chế tạo cấu trúc rất mỏng, bề mặt phức tạp, hoặc lá hoặc tấm vật liệu khó có thể biến dạng bằng cách lăn. Ví dụ như các cửa sổ beryllium được sử dụng để truyền tia X, các hình nón boron mỏng cho loa âm thanh tần số cao và các lá kim hợp kim Ti-V-Al. Một ứng dụng tương đối mới là sản xuất các thiết bị hệ thống cơ điện tử (MEMS) nơi cấu trúc rất nhỏ được chế tạo bằng cách sử dụng quá trình lắng đọng và khắc.
Áo choàng cơ điện
Các vật liệu khó để mạ điện do sự hình thành oxit nhanh có thể có lớp phủ cơ bản gắn kết được ứng dụng bởi các quá trình PVD và sau đó lớp phủ được tích tụ bằng điện phân. Ví dụ là mạ trên titanium, uranium và zirconium, nơi một lớp phủ cơ bản của vật liệu như niken hoặc đồng được áp dụng bằng quá trình PVD trước khi lớp phủ mạ điện được xây dựng.
Phim Polymer
Có sự quan tâm ngày càng tăng trong việc đưa các màng polyme hữu cơ và vô cơ vào chân không. Những màng này có thể được hình thành bằng cách ngưng tụ một monomer theo sau là chùm tia E hoặc tia cực tím để trùng hợp monomer hoặc bằng quá trình trùng hợp plasma của monomer. Tiền thân monomer có thể tạo ra một vật liệu polymer cacbon, silic, hoặc boron thường chứa hydrogen, chlorine, hoặc flo. Các màng chứa florua được sử dụng để tạo thành bề mặt k hydro nước.
