Applicazioni di tecnologia del rivestimento di vuoto di PVD

Applicazioni del rivestimento di vuoto

------------da Donald M. Mattox, direttore tecnico di SVC

Introduzione
Il vuoto è un ambiente in cui la pressione del gas è di meno che ambientale. Un plasma è un ambiente gassoso in cui ci sono abbastanza ioni ed elettroni perché ci sia conduttività elettrica apprezzabile. Il rivestimento di vuoto è il deposito di un film o di un rivestimento in un ambiente plasma a bassa pressione o (di vuoto). Il termine si applica generalmente ai processi che depositano gli atomi (o molecole) uno alla volta quali applicazione a spruzzo fisica (PVD) o processi chimici a bassa pressione di applicazione a spruzzo (LP-CVD) o CVD plasma-migliorato (PECVD). Nei processi di PVD, il materiale che è depositato viene dalla vaporizzazione di una superficie solida o liquida. Nei processi di CVD, il materiale che è depositato viene dalle specie del prodotto chimico di un precursore del vapore che è decomposto dalla decomposizione-principalmente del termale o di riduzione su una superficie calda.

Il materiale che è depositato reagisce in alcuni casi con l'ambiente gassoso o specie codeposited per formare un film di un materiale composto quali un ossido, un nitruro, il carburo, o un carbonitride. Nel CVD che elabora, l'uso di un plasma spezzettare il precursore chimico del vapore nella fase di vapore permette che i processi di riduzione o della decomposizione continuino alle temperature più insufficienti che con l'attivazione termica sola. PECVD può essere eseguito alle pressioni basse quanto quelle utilizzate in PVD che elabora (PECVD, LP-PECVD a bassa pressione), dove il vapore del precursore è decomposto pricipalmente nel plasma. In alcuni casi un processo ibrido del deposito di PVD e di LP-PECVD è usato per depositare le leghe, i composti, o i composti. Un esempio è metallo carbonitrides dove il carbonio viene da un precursore chimico del vapore quale acetilene; l'azoto viene da un gas; ed il metallo da evaporazione, farfugliare, o da vaporizzazione dell'arco di una superficie solida o liquida.

Film elettricamente conduttivi
I film del metallo sono i film del conduttore elettrici più comuni. I film del metallo possono essere usati come metalizzazioni «generali» o possono essere formati nelle linee discrete del conduttore («bande») mascherando il substrato durante il deposito o tramite i processi fotolitografici successivi incisione. Le linee del conduttore sono utilizzate nella tecnologia del microcircuito ibrido e nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Spesso, i conduttori elettrici sono film a più strati (pile) dove ogni strato ha una funzione. Per esempio, la pila del film del conduttore ha potuto avere la composizione: Vetro-Ti-Palladio-Cu-Au. (Ti) di titanio è lo strato «della colla», il palladio (Pd) fornisce la resistenza della corrosione, (Cu) di rame è un conduttore elettrico e l'oro (Au) assicura la protezione contro la corrosione. I conduttori del metallo depositato «in vias» sono utilizzati nell'instaurazione dei contatti elettrici fra gli strati differenti nella fabbricazione del dispositivo a semiconduttore. La metalizzazione generale è usata per fornire il disturbo elettromagnetico (EMI) ed interferenza (RFI) di radiofrequenza che protegge sulle strutture quali le custodie in plastica per i telefoni cellulari, elettrodi per gli elettrodi rigidi e flessibili del condensatore e le superfici per il radar «pula.»

Metal il nitruro, carburo ed i film del siliciuro sono generalmente elettricamente conduttivi (si₃ la N₄ e AlN sono eccezioni importanti). In alcune applicazioni, i film di questi materiali refrattari sono usati per fornire le barriere di diffusione fra i materiali. Per esempio, nella metalizzazione a semiconduttore, l'alluminio o il materiale dell'elettrodo dell'oro si diffonderà nel silicio durante l'elaborazione ad alta temperatura. Un film di titanio elettricamente conduttivo del nitruro depositato sulla superficie del silicio prima che l'elettrodo del metallo sia depositato impedirà la diffusione. I contatti stabili, elettricamente conduttivi, nonrectifying, del metallo della generazione a semiconduttore dei metalli o i composti del metallo-siliciuro è un aspetto importante di montaggio del dispositivo a semiconduttore. I nitruri del metallo quale il nitruro (TaN) del tantalio sono usati come materiali della resistenza di film sottile. Elettricamente gli ossidi conduttivi non trasparenti quali il triossido del cromo (Cr₂ O₃), l'ossido di piombo (PbO) e l'ossigeno del rutenio (RuO) sono utilizzati come elettrodi nelle atmosfere ossidanti ad alta temperatura.

I superconduttori sono materiali che hanno vicino a resistività elettrica zero sotto una certa temperatura critica (T_c). T basso_c (di meno che [<>c (maggior [>] K) del materiale del superconduttore 50 è una miscela degli ossidi (ossidi del ittrio-bismuto-rame [Y-Bi-Cu], YBCO). I film sottili_del superconduttore alto- di T_c sono depositati spesso tramite ablazione del laser nel vuoto.

Conduttori elettrici trasparenti
I film conduttivi trasparenti di (TCO) dell'ossido, quale il triossido dell'indio (in₂ O₃), inscatolano il diossido (SnO₂), l'ossido di zinco (ZnO) e una lega dell'ossido dell'indio e ossido di stagno (ITO), ha numerose applicazioni quali i radiatori sulle finestre per il disgelamento, rivestimenti antistatici sugli schermi di visualizzazione, elettrodi sugli schermi piatti e dispositivi elettrocromatici ed elettrodi sia su flessibile (schermo resistente) che (touch screen rigidi dello schermo capacitivo). La resistività elettrica per i film di TCO può variare da più maggior di 1.000 ohm per «quadrato» a meno di 10 ohm per quadrato con la buona trasmissione ottica.

Isolanti elettrici
I film elettricamente d'isolamento sono usati per isolare elettricamente le componenti di conduzione in dispositivi a semiconduttore e come dielettrico all'interno dei condensatori. I materiali comuni del film dell'isolante sono diossido di silicio (SiO₂), triossido di alluminio (Al₂ O₃), pentossido del tantalio (tum₂ O₅), il nitruro di silicio (si₃ N₄) e nitruro di alluminio (AlN). L'interposizione del film di ossido sottile fra un a film metallico e un semiconduttore permette la formazione del dispositivo tecnologicamente importante di (MOS) del metallo-ossido-semiconduttore. I rivestimenti spessi di SiO₂, con il suo coefficiente basso di espansione termica, possono essere rf farfugliano depositato. Gli strati isolanti di SiO₂, del nitruro di silicio (si₂ N₃) e del vetro sono depositati da PECVD per gli strati dell'isolamento e dell'incapsulamento nell'elaborazione a semiconduttore.

Film ottici
I film ottici, i film solitamente a più strati («pile»), sono film che colpiscono la trasmissione o la riflessione ottica di una superficie. Stanno alternando generalmente gli strati dei materiali che hanno il livello (germanio [GE], si, TiO₂, diossido di zirconio [ZrO₂], SiO, diossido del cerio [ceo₂]) ed indici di rifrazione di minimo (fluoruro del magnesio [MGF₂], SiO₂). Un'applicazione importante è i rivestimenti di (AR) di antiriflessione sulle lenti. Le pile ottiche del film possono essere usate come filtri ottici. La densità neutrale o i filtri grigi riduce ugualmente l'intensità della luce della luce per tutte le lunghezze d'onda; i filtri a banda larga colpiscono la trasmissione di radiazione sopra un'ampia lunghezza d'onda, mentre i filtri stretti o monocromatici colpiscono la trasmissione sopra una regione molto stretta di lunghezza d'onda. Un esempio di un filtro a banda larga è «un filtro selettivo» che «tagliano» (UV) ultravioletto emesso da una lampada a vapore del mercurio. Gli esempi dei filtri a banda stretta sono i filtri colorati utilizzati nella fotografia ed in proiettori.

Alcune pile del film sono un tipo speciale di film ottico che ha un colore che è collegato con l'angolo-de-osservazione (OVIDs). Questi film permettono la rappresentazione del tipo di olografica. Questi film di OVID sono usati come dispositivi di sicurezza per evitare la contraffazione. Questi film sono una conseguenza dei film colorati d'interferenza usati per i film decorativi e, una volta polverizzati, come pigmenti.

Rivestimenti termici di controllo
La composizione dei rivestimenti termici di controllo sulle finestre differisce con il risultato finale desiderato. Se l'oggetto è di tenere la radiazione solare dall'entrare attraverso la finestra, un film a più strati di vetro-TiO₂ - il Cr-TiO₂ può essere usato (rivestimento solare di controllo). Se l'oggetto è di tenere il calore nella stanza, un film sottile di argento può essere usato per riflettere 85% - 95% della radiazione infrarossa a bassa temperatura nuovamente dentro la stanza (rivestimento basso-e). Un tale «rivestimento doppio-e» è vetro-ZnO-AG (Ti) - l'ZnO-AG (Ti) - ZnO-TiO₂. Lo ZnO fornisce un rivestimento antireflective.

Altri tipi di rivestimenti termici di controllo sono usati per assorbire la radiazione solare (assorbitori solari), selettivamente adsorbono la radiazione solare e per non emettere la radiazione infrarossa (assorbitori solari selettivi), o per avere un'alta emissività per migliorare il raffreddamento tramite radiazione. I rivestimenti refrattari sono usati per ridurre il trasporto termico da un ambiente caldo al substrato. L'ossido di zirconio (ZrO₂) stabilizzato con l'ossido di calcio (CaO), MgO, o Y₂ la O₃ è usato come rivestimento refrattario sulle palette della turbina del motore di aerei.

Rivestimenti del riflettore
I film del metallo sono ampiamente usati per le superfici del riflettore. L'argento è usato spesso quando la corrosione non è un problema, quali per gli specchi della retro-superficie. Di alluminio può essere usato come una anteriore-superficie o riflettore della retro-superficie. Spesso, i riflettori alluminati della anteriore-superficie, quali i riflettori del faro, sono sopra rivestito con un film protettivo del polimero (completi il cappotto). Il cromo è usato sui riflettori della anteriore-superficie quando la corrosione è un problema anche se la sua riflettività nel visibile (60%) è di meno che quella di alluminio (> 90%). I film del riflettore sono utilizzati nelle numerose applicazioni comunemente incontrate, quali sui compact disc per stoccaggio di musica e del video, i riflettori della lampada e gli specchi visivi quali gli specchietti retrovisori per le automobili. I film in alcuni casi a più strati, simili ai film ottici a più strati, sono usati per riflettere selettivamente determinate lunghezze d'onda e non altre. Gli esempi sono «specchi freddi» che riflettono la radiazione visibile ma non le lunghezze d'onda infrarosse e «riscaldano gli specchi» che riflettono l'infrarosso ma non il visibile. Gli specchi del calore sono utilizzati per sollevare la temperatura interna delle lampade dell'alogeno. Gli specchi freddi sono utilizzati per ridurre il calore di illuminazione della fase sugli attori.

Imballaggio
I rivestimenti di barriera sono usati sui film e sulla carta flessibili del polimero affinchè l'imballaggio per alimenti riducano il velocita di trasmissione (WVTR) del vapore acqueo ed il velocita di trasmissione (OTR) dell'ossigeno attraverso il film del polimero o della carta. Il materiale di rivestimento più comune della barriera è di alluminio, che è depositato sui rotoli del film del polimero (web), quindi fornito «ai convertitori» chi fabbricano l'imballaggio. I rivestimenti dei metalli sono depositati in alcuni casi su una superficie e poi «sono trasferiti» al film d'imballaggio. I rivestimenti di barriera trasparenti sono desiderabili in molti casi. Gli strati di SiO_2-x, da evaporazione reattiva e PECVD e rivestimenti compositi di Al₂ O₃ di_2:30%di SiO da co-evaporazione del E-fascio sono usati per formare gli strati di sbarramento trasparenti. Il materiale di rivestimento composito è più denso e flessibile che il materiale depositato di SiO₂ o di Al₂ la O₃ da solo. I film di alluminio sono usati dei sui palloni ripieni d'elio del polimero per ridurre la perdita di elio.

Rivestimenti decorativi e decorativi/usura
La metalizzazione per gli scopi rigorosamente decorativi è un grande mercato. Le applicazioni variano dal polimero del rivestimento web-che poi sono convertite in usi decorativi quali i palloni ed etichetta-alla metalizzazione degli articoli tridimensionali, quali i trofei di sport, lo zinco muore colata e dispositivi decorativi modellati del polimero e dai contenitori cosmetici. Queste mani consistono spesso di una mano di alluminio riflettente che è depositata su una mano di fondo liscia, quindi sopra rivestito con una lacca tinta per dare alla mano il colore desiderato e per strutturare e la resistenza all'usura ed anche di corrosione.

In alcune applicazioni, oltre agli aspetti decorativi del rivestimento, il rivestimento è richiesto per resistere all'usura. Per esempio, il nitruro di titanio (TiN) è oro colorato ed il titanio carbonitride (tic_xNy) può variare a colori da oro alla porpora per annerire secondo la composizione. Il nitruro dello zirconio (ZRN) ha il colore di ottone ed è molto più usura e graffio resistenti che l'ottone. I rivestimenti usura/decorativi sono usati sull'hardware della porta, sui materiali sanitari, sugli oggetti di modo, sull'hardware marino e su altre tali applicazioni.

Rivestimenti duri e resistenti all'uso
I rivestimenti duri spesso sono chiamati rivestimenti metallurgici e sono un tipo di rivestimento tribologico. I rivestimenti duri sono usati per aumentare l'efficienza di taglio e la durata operativa degli utensili per il taglio e per mantenere le tolleranze dimensionali delle componenti utilizzate nelle applicazioni dove l'usura può accadere, quali gli stampaggi ad iniezione. Inoltre, i rivestimenti possono fungere da barriera di diffusione in cui le temperature elevate sono generate tramite moto fra le superfici o la protezione contro la corrosione negli ambienti aggressivi. Ci sono varie classi di materiali di rivestimento duri. Includono: ossidi metallici ionically legati (Al₂ O₃, ZrO₂ e TiO₂), materiali in covalenza legati (sic, il carbonio del boro [B4C], il diamante, il diamante-come-carbonio [DLC], il tic, AlN, il CrC, il carburo misto, nitruro e carbonitride le leghe composte ed il nitruro di boro cubico) ed alcune leghe del metallo (ittrio di alluminio del cromo del cobalto [CoCrAlY], Nial, NiCrBSi). I rivestimenti possono essere messi a strati in alcuni casi per combinare le proprietà.

I rivestimenti duri inoltre sono usati per minimizzare l'affaticamento-usura, come è trovato in cuscinetti a sfera. I rivestimenti resistenti all'uso anche possono applicarsi alle superfici in cui c'è un carico leggero o periodico. Per esempio, i rivestimenti duri sono depositati sulla plastica per migliorare la resistenza del graffio. Le applicazioni sono sulle lenti di plastica modellate e sui baldacchini di plastica dell'aeroplano. Indossi in alcuni casi i rivestimenti, quale SiO₂ o Al₂ la O₃, può applicarsi alle superfici già dure, quale vetro, per aumentare la resistenza del graffio.

Film elettricamente attivi
I film dei silici drogati sono utilizzati nei dispositivi a semiconduttore e questi film sono depositati spesso tramite un'epitassia (MBE) del fascio molecolare chiamata di evaporazione di PVD tecnica molto specializzata o una tecnica di CVD di epitassia (VPE) di fase di vapore. Il silicio amorfo per le pile solari è depositato da PECVD sui web e sui substrati rigidi. I film di Electochromic, che cambiano la trasmissione ottica sull'applicazione di una tensione, dipendono dalla diffusione dell'specie mobili nel film nell'ambito di un campo elettrico. I film di un materiale quale selenio possono essere fatti pagare elettricamente una volta esposti a luce. Tali film sono usati per tenere il toner in macchine di fotocopiatura.

Memorie magnetiche
I materiali magnetici sono classificati come «duro» o «delicatamente» secondo quanto è duro di magnetizzare, demagnetizzi, o «commuti» il campo magnetico. Materiali magnetici molli, quali i permalloy (ferro [Fe]: il Ni di 80% - di 40) ed il Fe₅ la O₁₂ (granato) di Y₂ sono utilizzati nei dispositivi di archiviazione di memoria in cui i dati sono cambiati spesso. Materiali magnetici duri quale magnetite, Co: Ni: tungsteno [W], Co: renio [con riferimento a], gadolinio [Gd]: Co e Gd: terbio [TB]: Il Fe è utilizzato nei supporti di registrazione più permanenti quali le cassette audio. Le varie tecniche sono usate per definire i dominii magnetici che fungono da siti di stoccaggio.

Rivestimenti protettivi di corrosione
La protezione da un ambiente chimico aggressivo può essere compiuta in parecchi modi. La superficie può essere ricoperta con un materiale inerte o di materiale che forma una superficie protettiva dopo la reazione con l'ambiente o con un materiale che sacrificale sarà rimosso per proteggere il materiale di fondo. Il tantalio, il platino ed il carbonio sono inerti in molti ambienti chimici. Per esempio, i rivestimenti del carbonio sono usati sui metalli che sono impiantati nel corpo umano per fornire la compatibilità. Nelle parti dell'industria aerospaziale sono rivestiti di alluminio tramite il processo di PVD di applicazione a spruzzo (IVD) dello ione in modo da impedire la corrosione galvanica dei materiali dissimili in contatto.

Il cromo, l'alluminio, il silicio e le leghe di MCrAlY (dove la m. è Ni, Co, Fe) reagiranno con ossigeno per formare uno strato protettivo coerente dell'ossido sulla superficie. Se gli ioni del metallo (Fe, Cu) si diffondono più rapidamente dell'ossigeno attraverso l'ossido, un ossido spesso si formerà sulla superficie. Se l'ossigeno si diffonde più rapidamente attraverso l'ossido che gli ioni del metallo (metalli «della valvola» di Al, di si, del Ti, dello Zr-), l'ossidazione si presenterà all'interfaccia e un ossido sottile sarà formato. I rivestimenti della lega di MCrAlY sono usati come rivestimenti protettivi sulle palette della turbina del motore di aerei. Cadmio, alluminio ed Al: Le leghe dello Zn sono usate come rivestimenti sacrificali galvanici sull'acciaio. La placcatura del cadmio di vuoto («VCA cad») presenta il vantaggio sopra cadmio elettrolitico in quanto là non è possibilità dell'infragilimento di idrogeno dell'acciaio ad alta resistenza quando l'elaborazione del deposito di vuoto è usata.

Lubrificanti di film solido/in basso rivestimenti di attrito
La NASA ha aperto la strada all'uso dei lubrificanti vuoto-depositati del solido del film sottile. I lubrificanti sono di due tipi: il metallo del basso taglio lubrificante-tale d'argento e cavo-e il composto laminare-di taglio materiale-tale quanto il bisolfuro di molibdeno (MOS₂). I lubrificanti del metallo del basso taglio sono utilizzati nelle applicazioni di alto-coppia di torsione quali gli anodi giranti in tubi radiogeni. i materiali composti del Basso taglio sono utilizzati nelle applicazioni del meccanico-cuscinetto nel vuoto e dove il lubrificante «strisciamento» può essere un problema. Poiché soltanto un film molto sottile è necessario per lubrificazione, l'applicazione del film del lubrificante non provoca i cambiamenti significativi delle dimensioni. I rivestimenti bassi di attrito di carbonio contenente metallo (me-c) sono usati per ridurre l'usura nelle applicazioni meccaniche del contatto

Strutture indipendenti
Le strutture indipendenti possono essere fatte depositando un rivestimento su una superficie (mandrino), quindi separando il rivestimento dalla superficie del mandrino o dissolvendo il mandrino. La tecnica è utile per la fabbricazione delle strutture molto sottili, il complesso sorge, o stagnole o strati dei materiali che sono duri da deformare rotolando. Gli esempi sono finestre usate per la trasmissione dei raggi x, coni del berillio della sottile-parete del boro per gli audio altoparlanti ad alta frequenza e la lega del metallo di Ti-V-Al sventa. Una nuova applicazione è relativamente la produzione dei dispositivi microelectromechanical dei sistemi (MEMS) in cui le strutture molto piccole sono fabbricate facendo uso dei processi incisione e del deposito.

Mani di fondo per placcare
I materiali che sono difficili da placcare a causa di formazione rapida dell'ossido possono avere una mano di fondo aderente applicata tramite i processi di PVD e poi la mano composta tramite la deposizione galvanica. Gli esempi stanno placcando sul titanio, sull'uranio e sullo zirconio in cui una mano di fondo di un materiale come nichel o rame si applica tramite un processo di PVD prima che la mano elettrolitica sia sviluppata.

Film del polimero
Sta aumentando l'interesse nel deposito dei film organici ed inorganici del polimero nel vuoto. Questi film possono essere costituiti da condensazione di un monomero seguito dal E-fascio o dal trattamento UV per polimerizzare il monomero o da polimerizzazione del plasma del monomero. Il precursore del monomero può rendere un carbonio, un silicio, o ad un polimero basato a boro che contiene spesso l'idrogeno, il cloro, o il fluoro. I film contenenti fluoro sono usati per formare le superfici idrofobe.