دستگاه پوشش‌دهی PVD هیبریدی پاشش یونی قوس + مگنترون: راهنمای کامل خریداران

در موج ارتقای تولید صنعتی به سمت دقت بالا و قابلیت اطمینان بالا، فناوری‌های عملیات سطحی به یک پیوند اصلی در افزایش رقابت‌پذیری محصول تبدیل شده‌اند. دستگاه پوشش‌دهی PVD هیبریدی Arc Ion + Magnetron Sputtering مزایای دو فناوری اصلی رسوب‌گذاری فیزیکی بخار را ادغام می‌کند. این دستگاه نه تنها ویژگی‌های رسوب‌گذاری با سرعت بالای آبکاری یونی قوس را دارد، بلکه از مزیت چگالی فیلم اسپاترینگ مگنترون نیز برخوردار است. این دستگاه به طور گسترده در زمینه‌های متعددی مانند الکترونیک، ماشین‌آلات، خودرو و اپتیک استفاده می‌شود.

• ویژگی اصلی تولید پلاسما فلزی با چگالی بالا از طریق قوس ولتاژ بالا است که لایه فیلم را قادر می‌سازد تا یک پیوند متالورژیکی با بستر ایجاد کند و چسبندگی آن بسیار بیشتر از فناوری پوشش‌دهی معمولی است.
• این دستگاه بر روی پوشش‌های کاربردی، به ویژه مناسب برای پوشش‌های سخت مانند TiN، TiCN، TiAlN و CrN تمرکز دارد که می‌تواند مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی محصولات را به طور قابل توجهی افزایش دهد.
• نقطه ضعف این است که ممکن است ذرات ریز روی سطح لایه فیلم وجود داشته باشد که باعث می‌شود اثر تزئینی آن کمی ضعیف‌تر شود و گزینه‌های رنگی نسبتاً محدود باشند.

• مزیت اصلی در استفاده از یک میدان مغناطیسی برای محدود کردن الکترون‌ها، دستیابی به رسوب یکنواخت اتم‌های مواد هدف و تشکیل یک فیلم صاف و ظریف نهفته است.
• با تمرکز بر پوشش‌های تزئینی و کاربردی ویژه، می‌تواند انواع رنگ‌ها مانند فولاد ضد زنگ، مشکی، رزگلد و رنگین‌کمان را به دقت ارائه دهد و همچنین می‌تواند فیلم‌های کاربردی ویژه مانند DLC (کربن الماس‌مانند) را تهیه کند.
• نقطه ضعف این است که چسبندگی لایه فیلم اسپاترینگ خالص نسبتاً ضعیف است و در صورت استفاده به تنهایی، تحمل شرایط کاری پیچیده دشوار است.

• پرداختن به یک نقطه ضعف فنی واحد: AIP کمبود چسبندگی MS را جبران می‌کند، در حالی که MS زبری سطح و عیوب رنگی ناهموار AIP را بهبود می‌بخشد.
• دستیابی به همپوشانی عملکرد: پس از ترکیب، نه تنها نیروی پیوند قوی ناشی از AIP را حفظ می‌کند، بلکه سطح صاف و رنگ پایدار MS را نیز دارد و با بسترهای بیشتر و انواع پوشش سازگار است.
• افزایش ارزش تولید: این دو فرآیند در یک محفظه خلاء و بدون عملیات ثانویه تکمیل می‌شوند که به طور قابل توجهی راندمان تولید را بهبود می‌بخشد و نیازهای تولید انبوه را برآورده می‌کند.

تراشه‌های نیمه‌رسانا می‌توانند عملکرد و قابلیت اطمینان خود را با رسوب الکترودهای فلزی (مانند تنگستن و مس) و لایه‌های عایق (مانند نیترید سیلیکون) از طریق تجهیزات افزایش دهند. فیلم‌های کاربردی مانند فیلم‌های رسانای شفاف (ITO) و لایه‌های انتقال الکترون برای پنل‌های نمایشگر OLED و QLED نیز می‌توانند توسط این تجهیزات تهیه شوند. پس از عملیات پوشش‌دهی، عملکرد ضد رطوبت، ضد اکسیداسیون و محافظ الکترومغناطیسی قطعات الکترونیکی مانند مقاومت‌ها و خازن‌ها و پوسته بسته‌بندی آن‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، قطعات الکترونیکی ویژه مانند صفحات دوقطبی برای سلول‌های سوخت انرژی هیدروژنی، زیرلایه‌های سرامیکی DPC و بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر PCB نیز به اهداف کاربردی کلیدی برای دستگاه‌های PVD هیبریدی تبدیل شده‌اند.

عمر مفید ابزارهای برش، قالب‌های مهرزنی، قالب‌های تزریق و سایر ابزارها و قالب‌ها را می‌توان با رسوب پوشش‌های سخت مانند TiN و TiAlN به طور قابل توجهی افزایش داد. پس از پوشش‌دهی اجزای اصلی موتور خودرو، مانند رینگ‌های پیستون، سوپاپ‌ها و میل‌لنگ‌ها، مقاومت در برابر سایش و عملکرد کاهش اصطکاک آن‌ها افزایش می‌یابد و قابلیت اطمینان موتور به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. اجزای ظاهری و کاربردی خودروها مانند چراغ‌ها، آینه‌های دید عقب و شیشه‌های جلو نیز می‌توانند از طریق پوشش‌دهی به اثرات ضد مه، ضد تابش خیره‌کننده و عایق حرارتی دست یابند.

اجزای نوری مانند لنزهای دوربین و لنزهای تلسکوپ می‌توانند فیلم‌های ضد انعکاس و فیلم‌های بازتابنده بالا را رسوب دهند تا انعکاس نور را کاهش داده و عبور نور را افزایش دهند. دستگاه‌های نوری مانند مالتی‌پلکسرهای تقسیم طول موج و ایزولاتورهای نوری با کنترل دقیق ضخامت لایه فیلم به تعدیل دقیق نور دست می‌یابند. پس از عملیات پوشش مانع حرارتی، راندمان حرارتی و عمر مفید اجزایی مانند پره‌های موتور هواپیما و محفظه‌های احتراق به طور قابل توجهی بهبود یافته است. اجزای ساختاری و پنجره‌های نوری فضاپیماها برای دستیابی به عملکردهایی مانند محافظت در برابر تشعشع و عایق حرارتی، عملکرد عادی در محیط خشن فضا را تضمین می‌کنند.

ایمپلنت‌های پزشکی مانند مفاصل مصنوعی، ضربان‌سازها و استنت‌های عروقی می‌توانند پوشش‌های سازگار با زیست مانند کربن الماس‌مانند و هیدروکسی آپاتیت را رسوب دهند تا واکنش‌های رد در بدن انسان را کاهش دهند. فیلم‌های حساس و فیلم‌های محافظ حسگرهای زیستی مانند حسگرهای گلوکز و حسگرهای DNA پس از عملیات پوشش‌دهی، حساسیت و پایداری خود را به طور قابل توجهی بهبود بخشیده‌اند.

هنگامی که از مواد هدف فلزی خالص برای رسوب استفاده می‌شود، می‌توان رنگ‌های فلزی مختلفی به دست آورد. یک پوشش نقره‌ای روشن را می‌توان با استفاده از اهداف آلومینیومی به دست آورد که برای اجزای تزئینی مناسب هستند. اهداف مسی می‌توانند رنگ مسی گرمی تولید کنند و اغلب در قطعات الکترونیکی و قطعات تزئینی استفاده می‌شوند. اهداف تیتانیوم می‌توانند یک پوشش خاکستری روشن تشکیل دهند که بافت و مقاومت در برابر خوردگی را ترکیب می‌کند. اهداف طلا و نقره به ترتیب زرد طلایی و نقره‌ای روشن تولید می‌کنند و بیشتر در تزئینات سطح بالا و زمینه‌های رسانای الکترونیکی استفاده می‌شوند.

از طریق واکنش شیمیایی بین مواد هدف فلزی و گازهای واکنشی (مانند نیتروژن و اکسیژن)، رنگ‌های مرکب غنی می‌توانند تشکیل شوند. پوشش TiN رنگ زرد طلایی را ارائه می‌دهد و یک رنگ معمولاً مورد استفاده برای ابزارها، قالب‌ها و قطعات تزئینی است. پوشش CrN نقره‌ای-خاکستری است و دارای سختی بالا و مقاومت در برابر سایش است. پوشش TiAlN بنفش-مشکی به نظر می‌رسد و دارای مقاومت در برابر دمای بالا عالی است و آن را برای ابزارها و قالب‌ها در شرایط کاری با دمای بالا مناسب می‌کند. پوشش ZrN زرد طلایی روشن است که دارای اثر تزئینی و مقاومت در برابر سایش است.

سفارشی‌سازی رنگ شخصی‌شده را می‌توان از طریق طراحی ساختار فیلم چند لایه یا ترکیب مواد هدف به دست آورد. به عنوان مثال، یک پوشش آبی-بنفش را می‌توان از طریق رسوب ترکیبی TiAlN و SiN به دست آورد. تنظیم نسبت مواد هدف Ti به Al می‌تواند یک رنگ گرادیان از زرد طلایی تا رزگلد را به دست آورد. برخی از دستگاه‌ها از تنظیم دقیق ترکیب و ضخامت لایه فیلم از طریق مدل‌های رسوب‌گذاری مبتنی بر هوش مصنوعی پشتیبانی می‌کنند و امکان تولید سفارشی مقادیر رنگ خاص و برآورده کردن الزامات رنگی محصولات سطح بالا را فراهم می‌کنند.

به عنوان تضمین محیطی اساسی برای پوشش‌دهی، عمدتاً از یک محفظه خلاء، یک مجموعه پمپ خلاء و یک دستگاه اندازه‌گیری خلاء تشکیل شده است. محفظه‌های خلاء بیشتر طراحی هشت وجهی را اتخاذ می‌کنند که از درهای جلو و عقب و نصب مدولار پشتیبانی می‌کند که برای قابلیت تعویض و نگهداری اجزا مناسب است. اندازه رایج φ950×1350mm است و ناحیه یکنواخت پلاسما می‌تواند به φ650×H750mm برسد. مجموعه‌های پمپ خلاء معمولاً یک پیکربندی ترکیبی از پمپ‌های توربومولکولی، پمپ‌های روتس و پمپ‌های پره‌ای دوار را اتخاذ می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که حفره به سرعت به حالت خلاء بالا می‌رسد. در این میان، سرعت پمپاژ پمپ‌های توربومولکولی بیشتر 2×2000L/S است که الزامات پوشش‌دهی با دقت بالا را برآورده می‌کند.

این جزء اصلی برای دستیابی به پوشش هیبریدی است که شامل یک منبع یون قوس، یک منبع اسپاترینگ مگنترون و یک منبع یون است. منابع یون قوس معمولاً به 8 مجموعه کاتد قوس مجهز هستند که هر کدام دارای توان 5 کیلووات هستند که می‌تواند به سرعت مواد هدف را یونیزه کرده و پلاسما تشکیل دهد. منابع اسپاترینگ مگنترون بیشتر کاتدهای اسپاترینگ با فرکانس متوسط را اتخاذ می‌کنند که دارای توان تا 36 کیلووات هستند و از هم‌اسپاترینگ چند هدفی و کنترل گرادیان ترکیب پشتیبانی می‌کنند. توان منبع یون خطی تقریباً 5 کیلووات است که برای اچینگ پلاسما و افزایش چسبندگی لایه فیلم استفاده می‌شود و به طور موثر تراکم نقص را کاهش می‌دهد.

این دستگاه یک معماری کنترل دو سطحی از کامپیوتر و PLC را برای دستیابی به تنظیم دقیق پارامترهای فرآیند و عملکرد خودکار اتخاذ می‌کند. این دستگاه می‌تواند پارامترهای کلیدی مانند درجه خلاء، دمای رسوب و سرعت جریان گاز را در زمان واقعی نظارت کند. در این میان، سیستم کنترل گاز به 5 کانال MFC (کنترل‌کننده جریان جرمی) مجهز است تا از تامین دقیق گاز واکنش اطمینان حاصل شود. برخی از تجهیزات سطح بالا رابط‌های صنعتی 4.0 را ادغام می‌کنند که از بهینه‌سازی پارامترهای از راه دور و قابلیت ردیابی داده‌های فرآیند پشتیبانی می‌کنند و در نتیجه پایداری تولید را افزایش می‌دهند.

قفسه قطعه کار بیشتر یک ساختار سیاره‌ای استوانه‌ای را اتخاذ می‌کند. قطعه کار هم روی محور خود و هم در اطراف مرکز می‌چرخد و از یکنواختی لایه فیلم اطمینان حاصل می‌کند. پیکربندی رایج شش ایستگاه کاری φ300mm است. سیستم گرمایش دارای توان تا 18 کیلووات است که حداکثر دما در 500 درجه سانتی‌گراد کنترل می‌شود. تنظیم دقیق دما از طریق کنترل PID ترموکوپل برای برآورده کردن الزامات دمای پوشش بسترهای مختلف به دست می‌آید.

این شامل یک سیستم خط لوله خنک‌کننده با آب، یک مخزن آب با دمای ثابت خنک‌کننده در گردش و یک سیستم تشخیص و هشدار است. سیستم خنک‌کننده آب، منبع رسوب و حفره را خنک می‌کند تا از آسیب به اجزا ناشی از دمای بالا جلوگیری شود. سیستم تشخیص و هشدار، وضعیت عملکرد تجهیزات را در زمان واقعی نظارت می‌کند، به سرعت برای خلاء غیرعادی، قطع برق و سایر موقعیت‌ها هشدار می‌دهد و ایمنی تولید را تضمین می‌کند.

شرکت‌های تولید انبوه باید اولویت را به انتخاب تجهیزات ساختار خوشه‌ای بدهند که دارای ظرفیت تولید تک محفظه‌ای ≥30 قطعه در ساعت است و از طرح چند هدفی کانونی برای برآورده کردن نیازهای تولید دسته ای پشتیبانی می‌کند. شرکت‌های تحقیقاتی و توسعه‌محور می‌توانند تجهیزات تک محفظه‌ای را انتخاب کنند که بر طراحی مدولار و پیکربندی انعطاف‌پذیر تأکید دارد که برای جایگزینی مواد هدف و تنظیم فرآیندها مناسب است و برای تحقیق و توسعه مواد جدید و پوشش‌های جدید مناسب است. در عین حال، مشخصات حفره باید بر اساس اندازه ماده پایه انتخاب شود تا اطمینان حاصل شود که قطعه کار می‌تواند به طور کامل در ناحیه یکنواخت پلاسما قرار گیرد و یکنواختی لایه فیلم را تضمین کند.

پیکربندی منبع رسوب را بر اساس نوع لایه فیلم هدف انتخاب کنید. هنگام تهیه پوشش‌های سخت، لازم است سازگاری توان منبع یون قوس با مواد هدف افزایش یابد و از مواد هدف مانند Ti، Al و Cr پشتیبانی شود. برای تهیه فیلم‌های نوری یا فیلم‌های رسانای شفاف، لازم است منبع اسپاترینگ مگنترون بهینه شود و آن را به منبع تغذیه فرکانس متوسط یا فرکانس رادیویی مجهز کرد. اگر فرآیند اسپاترینگ واکنشی مورد نیاز است، لازم است تعداد کانال‌های گاز و دقت MFC تجهیزات را تأیید کنید تا اطمینان حاصل شود که نسبت گاز واکنش را می‌توان به طور دقیق کنترل کرد. برای کاربرانی که الزامات خاصی دارند، لازم است توجه داشته باشند که آیا تجهیزات از توسعه فرآیند PECVD برای دستیابی به رسوب لایه‌های فیلم غیر رسانای مبتنی بر کربن پشتیبانی می‌کنند.

از نظر کیفیت پوشش، باید به یکنواختی لایه فیلم (انحراف ضخامت کل ویفر ≤±1.5%)، سختی (HV3500 و بالاتر ترجیح داده می‌شود) و چسبندگی توجه شود. از نظر راندمان تولید، نکات کلیدی که باید بررسی شوند، سرعت رسوب (ترجیحاً تجهیزاتی که قادر به رسیدن به 5 میکرون در دقیقه هستند) و زمان پمپاژ خلاء است. از نظر پایداری تجهیزات، باید به انتخاب تجهیزاتی با نرخ تولید داخلی بالای اجزای اصلی (مانند بیش از 85%) و مصرف انرژی کم برای کاهش هزینه نگهداری بعدی اولویت داده شود. از نظر درجه اتوماسیون، سیستم کنترل مربوطه را بر اساس مقیاس تولید انتخاب کنید. برای تولید دسته ای، توصیه می‌شود تجهیزاتی با مدیریت هوشمند مواد هدف و عملکردهای نظارت از راه دور را انتخاب کنید.

هزینه تهیه تجهیزات باید با توجه به تقاضا برای ظرفیت تولید به طور منطقی برنامه‌ریزی شود تا از پیکربندی بیش از حد که منجر به اتلاف هزینه می‌شود، جلوگیری شود. هزینه نگهداری بعدی باید بر نرخ استفاده از مواد هدف، سطوح مصرف انرژی و طول عمر قطعات آسیب‌پذیر متمرکز شود. در عین حال، لازم است قابلیت‌های پشتیبانی فنی تامین‌کنندگان، از جمله اشکال‌زدایی فرآیند، آموزش پرسنل و سرعت پاسخگویی پس از فروش، بررسی شود. به تامین‌کنندگانی که می‌توانند راه‌حل‌های سفارشی و خدمات فنی بلندمدت ارائه دهند، باید اولویت داده شود. برای تجهیزات دست دوم، لازم است طول عمر مواد هدف، وضعیت مجموعه پمپ خلاء و کالیبراسیون MFC را تأیید کنید و یکنواختی و چسبندگی را از طریق قطعات نمونه اندازه‌گیری شده تأیید کنید.

انتخاب دستگاه پوشش‌دهی PVD هیبریدی arc ion + magnetron sputtering مناسب، یک سرمایه‌گذاری کلیدی برای افزایش رقابت‌پذیری محصولات است. توصیه می‌شود قبل از تصمیم‌گیری، الزامات تولید و اهداف فرآیند خود را روشن کنید و یک ارزیابی جامع از طریق بازرسی در محل وضعیت عملکرد تجهیزات، آزمایش عملکرد نمونه و سایر روش‌ها انجام دهید.