PVD涂层原理及工艺2013

1、http/提纲真空基础知识真空基础知识PVD涂层概述涂层概述PVD涂层设备及工艺介绍涂层设备及工艺介绍PVD涂层在切削刀具中的应用涂层在切削刀具中的应用http/真空基础知识 PVD(物理气相沉积)的概念：PVD（Physical Vapor Deposition）工艺是一种原子沉积工艺，其是在真空或低压（等离子）条件下，涂层物质从液相或固相的材料源逸出并气化，以原子或分子的形态传输并沉积在基体表面的一种涂层工艺。为加强PVD涂层基本理论的需要了解(a)涂层与衬底的界面形态与结合机理,(b)真空和低压气体环境(c)低压等离子工艺环境等相关内容。http/1.1涂层与衬底的界面形态与结合机理涂层

2、与衬底的界面可能有不同的化学键合、元素的相互扩散、涂层的内应力、界面杂质、和界面缺陷等具体情况，因而实际涂层附着力的规律极为复杂。它不仅取决于涂层与衬底之间的界面能量，还取决于具体的沉积方法和界面状态。涂层与衬底间的界面可以分为下面四种类型：（1）平界面；（2）形成化合物界面；（3）元素扩散界面；（4）机械啮合界面；http/根据界面形态，涂层与衬底的附着可能涉及下面三种机理：（1）机械结合-是机械啮和界面产生的附着的过程，涂层与衬底表面凹凸不平提高了相互接触的界面面积，并可促进界面两侧物质间形成微观尺度的相互交合。在纯机械结合的情况下，涂层的附着力很低。（2）物理结合-不同物质分子或原子之间

3、最普遍的相互作用就是范德华力，这种力随着界面两侧物质间距的增加而迅速降低。虽然引力的数值较小，每对分子或原子的作用能只有0.1eV量级，但它仍然会造成很强的涂层附着力。如果界面两侧的材料都是导体，且二者的费米能级不同，涂层的形成会发生一方到另一方的电荷转移，在界面附近出现双电子层，进而引发相互静电吸引作用，也对涂层与衬底间产生附着力。（3）化学键合-界面两侧原子间可能形成相互的化学键，包括金属键、离子键和共价键等。化学键的形成对于提高涂层附着力具有重要的贡献。如果界面两侧原子形成化学键合，则涂层的附着能可能达到每对原子1-10eV能级。PVD涂层前通过涂层前通过喷砂喷砂（涂层前处理）和（涂层前

4、处理）和刻蚀刻蚀（涂层工艺中的一个步骤）一方（涂层工艺中的一个步骤）一方面对产品表面起到清洁作用，另一方面提高了工件表面的微观粗糙度，改善面对产品表面起到清洁作用，另一方面提高了工件表面的微观粗糙度，改善了界面结合状况，有利于提高界面结合。了界面结合状况，有利于提高界面结合。http/1.2真空和低压气体环境 PVD涂层是一个真空、低气压过程系统中进行的工艺过程，体系中气体分子含量很低，气体分子碰撞的名义自由程很高，对体系中工艺气体总量及其他污染气体的控制要求比较严格。因此，真空泵系统，交换系统，进气系统及相关的管接设计要求就很高，另外工装夹具及产品的表面状况和清洁程度对于涂层系统也十分重要。

5、真空的划分http/真空度测量压力计类型适用范围 （Torr）准确度电容膜片(CDG)大气压-10-60.02-0.2%导热（Piriani）大气压-10-45%热阴极电离（HCIG）（Penning） 10-1-10-91% 粘度（自璇转子）1-10-81-10%Baratron ： 电容膜片(CDG) TPR:导热（Piriani）IKR: 热阴极电离 (Penning)PKR:结合了Piriani和 Penning两种原理http/ 气体压力的单位换算: 1Pa=10-5bar=10-2mbar=9.869210-6atm =750.0610-5Torr=7.5mTorr=1.45041

6、0-4psi 分子运动 分子速度与温度T密切相关。 名义自由程与密度相关，即压力（温度相同条件下） 碰撞几率与以上两者都相关http/1.3低压等离子工艺环境等离子是含有足够离子和电子的一种气体环境，具有良好的导电性。一般来说PVD工艺过程的等离子环境，离化率并不是很高，还含有许多的中性气体。等离子的产生等离子的产生:由外加的电场能量来促使气体内的电子获得能量並加速撞击不带电中性粒子，由于不带电中性粒子受加速电子的撞击后会产生离子与另一带能量的加速电子，这些被释放出的电子，在经由电场加速与其他中性粒子碰撞。如此反复不断，从而使气体产生击穿效应(gas breakdown)，形成等离子状态。 在

7、持续的等离子体中，电子在电场中被加速。电子的产生可以来源于以下几个方面：（1）离子或电子轰击表面产生的二次电子（2）离子碰撞使得原子失去电子、（3）热电子发射源（热阴极）发出的电子http/溅射沉积溅射沉积:高电压，低电流高电压，低电流阴极弧沉积：阴极弧沉积：低电压，高电流低电压，高电流辉光放电http/辉光放电过程中的电子碰撞：辉光放电过程中的电子碰撞：在电子能量低于ZeV时，电子与其他粒子的碰撞多为弹性碰撞。但当电子能量较高时，则发生非弹性碰撞的几率迅速增加。在非弹性碰撞时可能发生许多不同的过程，其中比较有代表性的几种如下：（1）电离过程，如 eAr Ar+2 e它导致电子数目增加，从而使

8、得发电过程得以继续；（2）激发过程，如eN2 2N*+e其中*号表示相应的粒子处于能量较高的激发状态；（3）分解反应，如 eCH4 C*+4H*+e导致分子被分解成反应基团，其化学活性明显高于原来的分子。除了有电子参加的碰撞过程之外，中性原子、离子之间的碰撞也同时发生。就其重要性而言，电子参与的碰撞过程在放电过程中起着最为重要的作用。http/2.1 PVD涂层方法 刀具PVD涂层工艺主要方式： （1）溅射；）溅射； CemeCon （2）阴极弧；）阴极弧；balzers IonbondPVD涂层概述http/磁控溅射沉积示意图磁控溅射沉积示意图http/阴极弧沉积示意图阴极弧沉积示意图htt

9、p/阴极弧http/2.2 PVD涂层物质 基本上所有的金属及非金属材料都可以采用PVD涂层的方式进行涂层，它可以通过靶材或蒸发源等材料源直接沉积而获得源物质的涂层材料，也可以在此基础上通入其他的反应性气体，并通过反应沉积获得包含源物质成分和反应气体成分的化合物涂层材料。http/ 硬质涂层按化学成分大致分类如下： （1）金属氮化物； （2）金属碳化物； （3）金属氧化物； （4）金属硼化物； （5）其他金属合金及化合物； 另外还有软涂层(润滑涂层):如DLC, WC/C，MoS2等。http/常用常用PVD硬质涂层材料硬质涂层材料 TiN TiCN TiAlN AlTiN CrAlN TiA

10、lSiN 等http/涂层的多元合金化TiN(Ti,Al)NTi(C,N)Ti-Al-X-N多元涂层多元涂层CrN(Cr,Al)NCr-Al-X-N多元涂层多元涂层http/几种典型的几种典型的PVD涂层结构涂层结构柱状晶结构柱状晶结构 (Columnar)纳米复合结构纳米复合结构 ( Nanocomposition )复合层结构复合层结构 ( Multilayer )梯度结构梯度结构 ( Gradient )双层结构双层结构 (Double-layer )纳米层结构纳米层结构 (Nano-layer )2.3 PVD涂层结构http/PVD涂层结构演变趋势涂层结构演变趋势http/涂层内应力

11、状况涂层内应力状况拉应力拉应力压应力压应力压应力过大压应力过大一般情况下PVD为压应力状态，CVD涂层为拉应力状态http/ 3.1 涂层设备 目前在工具镀膜中应用较为广泛的涂层系统为磁控溅射和阴极弧设备。目前我公司两种类型的设备都有。其中CemeCon公司生产的CC800/XL设备涂层原理为磁控溅射，而Balzers公司生产的RCS和INNOVA设备以及Ionbond公司的ROAD RUNNER采用的是阴极弧原理。PVD涂层设备及工艺http/Balzer公司涂层设备设备型号:RCS1、气体：Ar, N2, H2, He2、电弧源：6个电弧源，根据工艺要求每个电弧源配置特定的靶材及相应的磁性

12、系统。3、冷却水系统：（1）冷冻水（用于冷却分子泵，电器柜）；（2）温冷却水（用于冷却其他部件）；（3）应急冷却水（即自来水，用于异常紧急状态下冷却）4、真空系统：1个前级泵，1个罗茨泵，1个分子泵5、加热方式：电阻丝加热和等离子加热，另外采用H2作为传热介质，进一步提高加热效率。6、离子腔：高电流钨丝发射电子，使气体电离另外INNOVA设备主体结构与RCS比较接近，主要区别在于INNONA设备比RCS设备增加了2个弧源，但该2弧源仅可以作为刻蚀时使用，不用于涂层，目前标准涂层工艺暂未应用。http/ （1）CC800/XL设备概况： 1、气体：Ar, N, Kr, C2H4, He 2、阴极

13、：四个阴极，其中1号，2号极性相同，3号，4号极性相同。 3、冷却水系统：正常状态下外部循环温冷却水进行冷却，异常状态下启动设备内部水循环系统冷却。 4、真空系统：1个前级泵，2个分子泵 5、加热方式：电阻丝加热 6、Booster：等离子增强装置，提高气体分子离化率CemeCon公司涂层设备http/3.2 涂层工艺完整的PVD涂层工艺流程一般包括：涂层前处理、涂层及涂层后处理三个步骤。根据工艺要求及一些特殊产品的实际情况需要增加或删减部分步骤。以下列举了我公司各类产品的完整涂层工艺流程：（1）、常规数控刀片：预清洗-微喷砂-清洗-涂层- (根据工艺要求是否进行涂层后喷砂-清洗)（2）、特别

14、锋利数控刀片（铝加工刀片）：清洗-涂层（3）、常规整体刀具：预清洗-微喷砂-清洗-涂层（4）、特别锋利整体刀具（铝，铜加工刀具）和微小径整体刀具(刃径小于1mm)：清洗-涂层（5）、带内冷孔整体刀具：预清洗-蒸汽清洗内冷孔-清洗-真空脱油-微喷砂-蒸汽清洗内冷孔-清洗-涂层http/PVD涂层工艺曲线 PVD涂层工艺曲线包括：加热、刻蚀、涂层、冷却四个阶段。 加热:将工件加热到合适的涂层温度,并且最大限度去除残余气体. 刻蚀:在微观尺度上改善工件表面的质量,进一步提高涂层与工件的结合力(一般需要使用到Ar气) 涂层:根据设计需要沉积所需的涂层物质,既可以是单层涂层,也可以是多层涂层.(一般需要

15、使用到N2气,溅射法还需要使用到Ar气) 冷却:涂层后冷却到合适的放空温度出炉(一般使用分子量小的惰性气体He气).http/PVD涂层在切削刀具中的应用 涂层的作用 1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与末涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。 2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力和切削刃温度有一定降低。 3)涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。 4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。http/Q tot2Q S2材料材料刀具刀具切屑切屑Q tot1Q S1Q W1v c1材料材料刀具刀具切屑切屑Q W2v c2涂层涂层Q tot1左：无涂层刀片右：涂层刀片QS2QS1, QW2QW1，