Arc-Ionen + Magnetron-Sputtern Hybrid-PVD-Beschichtungsmaschine: Ein umfassender Einkaufsführer

Im Zuge der Modernisierung der industriellen Fertigung hin zu hoher Präzision und hoher Zuverlässigkeit ist die Oberflächenbehandlungstechnologie zu einem zentralen Element bei der Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Produkte geworden. Die Arc-Ionen- und Magnetron-Sputter-Hybrid-PVD-Beschichtungsmaschine vereint die Vorteile der beiden gängigen physikalischen Gasphasenabscheidungstechnologien. Es verfügt nicht nur über die Hochgeschwindigkeitsabscheidungseigenschaften der Lichtbogen-Ionenplattierung, sondern auch über den Filmdichtevorteil des Magnetron-Sputterns. Es wird häufig in verschiedenen Bereichen wie Elektronik, Maschinen, Automobilen und Optik eingesetzt.

• Das Kernmerkmal besteht darin, durch einen Hochspannungslichtbogen ein hochdichtes Metallplasma zu erzeugen, wodurch die Filmschicht eine metallurgische Verbindung mit dem Substrat eingehen kann und die Haftung die der herkömmlichen Beschichtungstechnologie bei weitem übertrifft.
• Der Schwerpunkt liegt auf funktionellen Beschichtungen, die sich insbesondere für Hartbeschichtungen wie TiN, TiCN, TiAlN und CrN eignen und die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Produkten deutlich verbessern können.
• Der Nachteil besteht darin, dass sich auf der Oberfläche der Folienschicht winzige Partikel befinden können, wodurch der dekorative Effekt etwas schwächer und die Farbmöglichkeiten relativ begrenzt sind.

• Der Hauptvorteil liegt in der Verwendung eines Magnetfelds, um Elektronen einzuschließen, eine gleichmäßige Ablagerung von Zielmaterialatomen zu erreichen und einen glatten und feinen Film zu bilden.
• Mit dem Schwerpunkt auf dekorativen und speziellen Funktionsbeschichtungen kann es eine Vielzahl von Farben wie Edelstahl, Schwarz, Roségold und Regenbogenfarben präzise darstellen und auch spezielle Funktionsfilme wie DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff) herstellen.
• Der Nachteil besteht darin, dass die Haftung der reinen Sputterfilmschicht relativ schwach ist und es bei alleiniger Verwendung schwierig ist, komplexen Arbeitsbedingungen standzuhalten.

• Behebung eines einzigen technischen Problems: AIP gleicht die unzureichende Haftung von MS aus, während MS die Oberflächenrauheit und ungleichmäßige Farbfehler von AIP verbessert.
• Erzielen Sie eine Leistungsüberlagerung: Nach der Kombination behält es nicht nur die starke Bindungskraft von AIP bei, sondern verfügt auch über die glatte Oberfläche und stabile Farbe von MS und ist mit mehr Substraten und Beschichtungstypen kompatibel.
• Steigerung des Produktionswerts: Die beiden Prozesse werden in derselben Vakuumkammer ohne Nachbehandlung durchgeführt, wodurch die Produktionseffizienz erheblich verbessert und die Anforderungen der Massenproduktion erfüllt werden.

Halbleiterchips können ihre Leistung und Zuverlässigkeit verbessern, indem Metallelektroden (z. B. Wolfram und Kupfer) und Isolierschichten (z. B. Siliziumnitrid) über Geräte abgeschieden werden. Mit dieser Anlage können auch funktionelle Filme wie transparente leitfähige Filme (ITO) und Elektronentransportschichten für OLED- und QLED-Anzeigetafeln hergestellt werden. Nach der Beschichtungsbehandlung werden die Feuchtigkeitsbeständigkeit, die Antioxidations- und die elektromagnetische Abschirmleistung elektronischer Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren sowie ihrer Verpackungshüllen erheblich verbessert. Darüber hinaus sind auch spezielle elektronische Komponenten wie Bipolarplatten für Wasserstoff-Brennstoffzellen, DPC-Keramiksubstrate und flexible PCB-Leiterplatten zu wichtigen Anwendungszielen für Hybrid-PVD-Maschinen geworden.

Durch das Aufbringen von Hartstoffschichten wie TiN und TiAlN kann die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen, Stanzwerkzeugen, Spritzgussformen und anderen Werkzeugen deutlich verlängert werden. Nachdem die Kernkomponenten eines Automotors, wie Kolbenringe, Ventile und Kurbelwellen, beschichtet wurden, werden ihre Verschleißfestigkeit und Reibungsreduzierungsleistung verbessert und die Zuverlässigkeit des Motors deutlich verbessert. Auch optische und funktionale Komponenten von Automobilen wie Lampen, Rückspiegel und Windschutzscheiben können durch die Beschichtung Antibeschlag-, Blendschutz- und Wärmeisolationseffekte erzielen.

Auf optischen Komponenten wie Kameraobjektiven und Teleskopobjektiven können Antireflexionsfilme und Filme mit hohem Reflexionsvermögen aufgebracht werden, um die Lichtreflexion zu reduzieren und die Lichtdurchlässigkeit zu erhöhen. Optische Geräte wie Wellenlängenmultiplexer und optische Isolatoren erreichen eine präzise Modulation des Lichts durch präzise Steuerung der Dicke der Filmschicht. Nach der Behandlung mit einer Wärmedämmschicht wurden der thermische Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Komponenten wie Triebwerksschaufeln und Brennkammern deutlich verbessert. Die Strukturkomponenten und optischen Fenster von Raumfahrzeugen werden beschichtet, um Funktionen wie Strahlungsschutz und Wärmeisolierung zu erfüllen und so einen normalen Betrieb in der rauen Weltraumumgebung sicherzustellen.

Medizinische Implantate wie künstliche Gelenke, Herzschrittmacher und Gefäßstents können biokompatible Beschichtungen wie diamantähnlichen Kohlenstoff und Hydroxylapatit abscheiden, um Abstoßungsreaktionen im menschlichen Körper zu reduzieren. Die empfindlichen Filme und Schutzfilme von Biosensoren wie Glukosesensoren und DNA-Sensoren weisen nach der Beschichtungsbehandlung eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit und Stabilität auf.

Wenn zur Abscheidung reine Metalltargetmaterialien verwendet werden, können verschiedene metallische Farben erhalten werden. Durch die Verwendung von Aluminiumtargets, die für dekorative Bauteile geeignet sind, kann eine glänzende Silberbeschichtung erzielt werden. Kupfertargets können eine warme Kupferfarbe erzeugen und werden häufig in elektronischen Bauteilen und dekorativen Teilen verwendet. Titantargets können eine hellgraue Beschichtung bilden, die Textur und Korrosionsbeständigkeit vereint. Goldtargets und Silbertargets erzeugen goldgelbes bzw. helles Silber und werden hauptsächlich in hochwertigen Dekorations- und elektronischen Leitfeldern verwendet.

Durch die chemische Reaktion zwischen metallischen Zielmaterialien und reaktiven Gasen (wie Stickstoff und Sauerstoff) können satte Verbundfarben entstehen. Die TiN-Beschichtung weist eine goldgelbe Farbe auf und ist eine häufig verwendete Farbe für Werkzeuge, Formen und dekorative Teile. Die CrN-Beschichtung ist silbergrau und zeichnet sich durch hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Die TiAlN-Beschichtung erscheint violettschwarz und verfügt über eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit, wodurch sie für Werkzeuge und Formen unter Hochtemperatur-Arbeitsbedingungen geeignet ist. Die ZrN-Beschichtung ist hellgoldgelb und zeichnet sich sowohl durch dekorative Wirkung als auch durch Verschleißfestigkeit aus.

Eine individuelle Farbanpassung kann durch mehrschichtiges Folienstrukturdesign oder Zielmaterialkombination erreicht werden. Beispielsweise kann durch die kombinierte Abscheidung von TiAlN und SiN eine blau-violette Beschichtung erhalten werden. Durch Anpassen des Zielmaterialverhältnisses von Ti zu Al kann ein Farbverlauf von Goldgelb bis Roségold erzielt werden. Einige Geräte unterstützen die präzise Regulierung der Filmschichtzusammensetzung und -dicke durch KI-gesteuerte Abscheidungsmodelle, was die individuelle Produktion spezifischer Farbwerte ermöglicht und die Farbanforderungen von High-End-Produkten erfüllt.

Als grundlegende Umweltgarantie für die Beschichtung besteht sie im Wesentlichen aus einer Vakuumkammer, einem Vakuumpumpensatz und einem Vakuummessgerät. Vakuumkammern haben meist ein oktaedrisches Design, unterstützen Vorder- und Hintertüren und eine modulare Installation, was den Austausch von Komponenten und die Wartung erleichtert. Die übliche Größe beträgt 950 x 1350 mm, und die gleichmäßige Plasmazone kann 650 x 750 mm H erreichen. Vakuumpumpensätze verwenden typischerweise eine Kombinationskonfiguration aus Turbomolekularpumpen, Rootspumpen und Drehschieberpumpen, um sicherzustellen, dass der Hohlraum schnell einen Hochvakuumzustand erreicht. Unter ihnen beträgt die Pumpgeschwindigkeit der Turbomolekularpumpen meist 2×2000L/S und erfüllt damit die Anforderungen einer hochpräzisen Beschichtung.

Es ist die Kernkomponente für die Erzielung einer Hybridbeschichtung, einschließlich einer Lichtbogen-Ionenquelle, einer Magnetron-Sputterquelle und einer Ionenquelle. Lichtbogen-Ionenquellen sind typischerweise mit 8 Sätzen Lichtbogenkathoden mit einer Leistung von jeweils 5 kW ausgestattet, die Zielmaterialien schnell ionisieren können, um Plasma zu bilden. Magnetron-Sputterquellen verwenden meist Mittelfrequenz-Sputterkathoden mit einer Leistung von bis zu 36 kW, die das Multi-Target-Co-Sputtern und die Steuerung des Zusammensetzungsgradienten unterstützen. Die Leistung der linearen Ionenquelle beträgt ca. 5 kW und wird zum Plasmaätzen und zur Verbesserung der Haftung der Filmschicht verwendet, wodurch die Defektdichte effektiv reduziert wird.

Es nutzt eine zweistufige Steuerungsarchitektur aus Computer und SPS, um eine präzise Regelung der Prozessparameter und einen automatisierten Betrieb zu erreichen. Es kann wichtige Parameter wie Vakuumgrad, Abscheidungstemperatur und Gasdurchflussrate in Echtzeit überwachen. Unter anderem ist das Gaskontrollsystem mit 5 MFC-Kanälen (Mass Flow Controller) ausgestattet, um die präzise Zufuhr von Reaktionsgas sicherzustellen. Einige High-End-Geräte integrieren Industrie 4.0-Schnittstellen, unterstützen die Parameteroptimierung aus der Ferne und die Rückverfolgbarkeit von Prozessdaten und verbessern so die Produktionsstabilität.

Das Werkstückgestell nimmt meist eine zylindrische Planetenstruktur an. Das Werkstück dreht sich sowohl um die eigene Achse als auch um die Mitte und sorgt so für die Gleichmäßigkeit der Folienschicht. Die übliche Konfiguration besteht aus sechs Arbeitsplätzen mit einem Durchmesser von 300 mm. Das Heizsystem hat eine Leistung von bis zu 18 kW, wobei die maximale Temperatur auf 500 °C geregelt wird. Durch die Thermoelement-PID-Steuerung wird eine präzise Temperaturregelung erreicht, um den Beschichtungstemperaturanforderungen verschiedener Substrate gerecht zu werden.

Es umfasst ein wassergekühltes Rohrleitungssystem, einen zirkulierenden Kühlwassertank mit konstanter Temperatur und ein Erkennungs- und Alarmsystem. Das Wasserkühlsystem kühlt die Abscheidungsquelle und den Hohlraum, um Schäden an den Komponenten durch hohe Temperaturen zu verhindern. Das Erkennungs- und Alarmsystem überwacht den Betriebsstatus der Ausrüstung in Echtzeit, warnt umgehend bei abnormalem Vakuum, Stromausfall und anderen Situationen und gewährleistet die Produktionssicherheit.

Massenproduktionsunternehmen sollten der Wahl von Geräten mit Cluster-Struktur Vorrang einräumen, mit einer Einzelkammer-Produktionskapazität von ≥30 Stück pro Stunde, die ein konfokales Multi-Target-Layout unterstützen, um den Anforderungen der Serienproduktion gerecht zu werden. Forschungs- und entwicklungsorientierte Unternehmen können sich für Einkammergeräte entscheiden, wobei der Schwerpunkt auf modularem Design und flexibler Konfiguration liegt, was zum Austausch von Zielmaterialien und zur Anpassung von Prozessen geeignet ist und sich für die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und neuer Beschichtungen eignet. Gleichzeitig sollte die Hohlraumspezifikation auf der Grundlage der Größe des Grundmaterials ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass sich das Werkstück vollständig innerhalb der Plasma-Gleichmäßigkeitszone befindet und die Gleichmäßigkeit der Filmschicht gewährleistet ist.

Wählen Sie die Konfiguration der Ablagerungsquelle basierend auf der Art der Zielfilmschicht aus. Bei der Herstellung harter Beschichtungen ist es notwendig, die Kompatibilität der Leistung der Lichtbogenionenquelle mit dem Zielmaterial zu verbessern und Zielmaterialien wie Ti, Al und Cr zu unterstützen. Um optische Filme oder transparente leitfähige Filme herzustellen, ist es notwendig, die Magnetron-Sputterquelle zu optimieren und sie mit einer Mittelfrequenz- oder Hochfrequenz-Stromversorgung auszustatten. Wenn der Prozess des reaktiven Sputterns erforderlich ist, müssen die Anzahl der Gaskanäle und die MFC-Genauigkeit der Ausrüstung bestätigt werden, um sicherzustellen, dass der Anteil des reaktiven Gases präzise gesteuert werden kann. Für Anwender mit besonderen Anforderungen muss darauf geachtet werden, ob die Ausrüstung die Erweiterung des PECVD-Prozesses unterstützt, um die Abscheidung von nichtleitenden Filmschichten auf Kohlenstoffbasis zu erreichen.

Bei der Beschichtungsqualität sollte auf die Gleichmäßigkeit der Filmschicht (die Dickenabweichung des gesamten Wafers beträgt ≤±1,5 %), die Härte (HV3500 und höher werden bevorzugt) und die Haftung geachtet werden. Im Hinblick auf die Produktionseffizienz sind die wichtigsten zu untersuchenden Punkte die Abscheidungsrate (vorzugsweise Geräte, die 5 Mikrometer pro Minute erreichen können) und die Vakuumpumpzeit. Im Hinblick auf die Gerätestabilität sollte der Auswahl von Geräten mit einer hohen inländischen Produktionsrate der Kernkomponenten (z. B. über 85 %) und einem niedrigen Energieverbrauch Vorrang eingeräumt werden, um die Kosten für spätere Wartung zu senken. Wählen Sie hinsichtlich des Automatisierungsgrades das entsprechende Steuerungssystem basierend auf dem Produktionsmaßstab aus. Für die Serienproduktion wird empfohlen, Geräte mit intelligenter Zielmaterialverwaltung und Fernüberwachungsfunktionen zu wählen.

Die Kosten für die Beschaffung der Ausrüstung sollten in Kombination mit der Nachfrage nach Produktionskapazität angemessen geplant werden, um eine übermäßige Konfiguration zu vermeiden, die zu Kostenverschwendung führt. Die späteren Wartungskosten sollten sich auf die Auslastung der Zielmaterialien, den Energieverbrauch und die Lebensdauer gefährdeter Teile konzentrieren. Gleichzeitig ist es notwendig, die technischen Supportfähigkeiten der Lieferanten zu prüfen, einschließlich Prozess-Debugging, Personalschulung und Reaktionsgeschwindigkeit nach dem Verkauf. Lieferanten, die maßgeschneiderte Lösungen und langfristige technische Dienstleistungen anbieten können, sollten Vorrang haben. Bei gebrauchten Geräten ist es notwendig, die Lebensdauer des Zielmaterials, den Status des Vakuumpumpensatzes und die Kalibrierung des MFC zu überprüfen und die Gleichmäßigkeit und Haftung anhand gemessener Probenstücke zu überprüfen.

Die Wahl der richtigen Arc-Ionen- und Magnetron-Sputter-Hybrid-PVD-Beschichtungsmaschine ist eine wichtige Investition zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Produkten. Es wird empfohlen, die eigenen Produktionsanforderungen und Prozessziele zu klären, bevor eine Entscheidung getroffen wird, und eine umfassende Bewertung durch Vor-Ort-Inspektion des Betriebszustands der Ausrüstung, Prüfung der Probenleistung und andere Methoden durchzuführen.