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真空鍍膜技術(shù)及其發(fā)展趨勢及技術(shù)原理
來源: | 作者:admin | 發(fā)布時間: 2024-06-18 | 370 次瀏覽 | 分享到:

真空鍍膜技術(shù)簡稱PVD,在真空條件下,采用物理方法,使材料源表面氣化成原子、分子或離子,在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。真空鍍膜設(shè)備鍍膜技術(shù)主要分為蒸鍍、濺射和離子鍍?nèi)箢?。而蒸發(fā)鍍膜技術(shù)也分為三種,電阻蒸發(fā),電子束蒸發(fā),感應(yīng)加熱蒸發(fā)。三種蒸發(fā)鍍膜技術(shù),各自有各自的特點,

盡管后來發(fā)展起來的濺射鍍和離子鍍在許多方面要比蒸鍍優(yōu)越,但真空蒸發(fā)技術(shù)仍有許多優(yōu)點,如設(shè)備與工藝相對比較簡單,即可鍍制非常純凈的膜層,又可制備具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的膜層等,仍然是當今非常重要的鍍膜技術(shù)。近年來,由于電子轟擊蒸發(fā),高頻感應(yīng)蒸發(fā)及激光蒸發(fā)等技術(shù)在蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中的廣泛應(yīng)用,使這一技術(shù)更趨完善。

近年來,該法的改進主要是在蒸發(fā)源上。為了抑制或避免薄膜原材料與蒸發(fā)加熱器發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改用耐熱陶瓷坩堝,如 BN坩堝。為了蒸發(fā)低蒸氣壓物質(zhì),采用電子束加熱源或激光加熱源。為了制造成分復(fù)雜或多層復(fù)合薄膜,發(fā)展了多源共蒸發(fā)或順序蒸發(fā)法。為了制備化合物薄膜或抑制薄膜成分對原材料的偏離,出現(xiàn)了反應(yīng)蒸發(fā)法等。

二、熱蒸鍍工作原理:

真空蒸發(fā)鍍膜包括以下三個基本過程∶

(1)加熱蒸發(fā)過程。包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合唷鷼庀啵┑南嘧冞^程。每種蒸發(fā)物質(zhì)在不同溫度時有不相同的飽和蒸氣壓;蒸發(fā)化合物時,其組分之間發(fā)生反應(yīng),其中有些組分以氣態(tài)或蒸氣進入蒸發(fā)空間。
(2)氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運過程,即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù),取決于蒸發(fā)原子的平均自由程,以及從蒸發(fā)源到基片之間的距離,常稱源-基距。
(3)蒸發(fā)原子或分子在基片表面上的沉積過程,即是蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠低于蒸發(fā)源溫度,因此,沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的相轉(zhuǎn)變過程。

將膜材置于真空鍍膜室內(nèi),通過蒸發(fā)源加熱使其蒸發(fā),當蒸發(fā)分子的平均自由程大于真空鍍膜室的線性尺寸時,蒸汽的原子和分子從蒸發(fā)源表面逸出后,在飛向基片表面過程中很少受到其他粒子(主要是殘余氣體分子)的碰撞阻礙,可直接到達被鍍的基片表面,由于基片溫度較低,便凝結(jié)其上而成膜,為了提高蒸發(fā)分子與基片的附著力,對基片進行適當?shù)募訜崾潜匾摹槭拐舭l(fā)鍍膜順利進行,應(yīng)具備蒸發(fā)過程中的真空條件和制膜過程中的蒸發(fā)條件。

蒸發(fā)過程中的真空條件:真空鍍膜室內(nèi)蒸汽分子的平均自由程大于蒸發(fā)源與基片的距離(稱做蒸距)時,就會獲得充分的真空條件。為此,增加殘余氣體的平均自由程,借以減少蒸汽分子與殘余氣體分子的碰撞概率,把真空鍍膜室抽成高真空是非常必要的。否則,蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞,使膜層受到嚴重污染,甚至形成氧化物;或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀;或者由于空氣分子的碰撞阻擋,難以形成均勻連續(xù)的薄膜。 

三、真空蒸鍍特點: 

優(yōu)點:設(shè)備比較簡單 、操作容易;制成的薄膜純度高、質(zhì)量好,厚度可較準確控制;成膜速率快,效率高;薄膜的生長機理比較簡單;

缺點:不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜;所形成的薄膜在基板上的附著力較?。还に囍貜?fù)性不夠好等。


電阻蒸發(fā)鍍膜技術(shù)采用電阻加熱蒸發(fā)源的蒸發(fā)鍍膜技術(shù),一般用于蒸發(fā)低熔點材料,如鋁、金、銀、硫化鋅、氟化鎂、三氧化二鉻等;加熱電阻一般采用鎢、鉬、鉭等。奇優(yōu)點,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。缺點材料易與坩堝反應(yīng),影響薄膜純度,不能蒸鍍高熔點的介電薄膜;蒸發(fā)率低。
電子束蒸發(fā),利用高速電子束加熱使材料汽化蒸發(fā),在基片表面凝結(jié)成膜的技術(shù)。電子束熱源的能量密度可達104-109w/cm2,可達到3000℃以上,可蒸發(fā)高熔點的金屬或介電材料如鎢、鉬、鍺、SiO2、AL2O3等。
電子束加熱的蒸鍍源有直槍型電子槍和e型電子槍兩種(也有環(huán)行),電子束自源發(fā)出,用磁場線圈使電子束聚焦和偏轉(zhuǎn),對膜料進行轟擊和加熱。其優(yōu)點可蒸發(fā)任何材料,薄膜純度高,直接作用于材料表面,熱效率高。缺點電子槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價高,化合物沉積時易分解,化學(xué)比失調(diào)。
感應(yīng)加熱蒸發(fā),利用高頻電磁場感應(yīng)加熱,使材料汽化蒸發(fā)在基片表面凝結(jié)成膜的技術(shù)。其優(yōu)點蒸發(fā)速率大,可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右,蒸發(fā)源的溫度穩(wěn)定,不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象,坩堝溫度較低,坩堝材料對膜導(dǎo)污染較少。其缺點蒸發(fā)裝置必須屏蔽,造價高、設(shè)備復(fù)雜。
發(fā)真空鍍膜設(shè)備這三種蒸發(fā)鍍膜技術(shù)雖然原理都是一樣,都是通過高溫蒸發(fā)材質(zhì)汽化的方式鍍膜,但是所應(yīng)用的環(huán)境卻不一樣,鍍的膜材和基材也有不同的要求。

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