เครื่องเคลือบ PVD แบบไฮบริด Arc Ion + Magnetron Sputtering: คู่มือสำหรับผู้ซื้อฉบับสมบูรณ์

ในการพัฒนาการผลิตทางอุตสาหกรรมไปสู่ความแม่นยำสูงและความน่าเชื่อถือสูง เทคโนโลยีการบำบัดพื้นผิวได้กลายเป็นส่วนเชื่อมโยงหลักในการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ เครื่องเคลือบ PVD แบบไฮบริด Arc ion + magnetron sputtering ได้รวมข้อดีของเทคโนโลยีการสะสมไอระเหยทางกายภาพสองแบบหลักเข้าด้วยกัน ไม่เพียงแต่มีลักษณะการสะสมความเร็วสูงของการชุบไอออนอาร์คเท่านั้น แต่ยังมีข้อได้เปรียบด้านความหนาแน่นของฟิล์มของการสปัตเตอร์แมกนีตรอนอีกด้วย มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักรกล ยานยนต์ และออปติก

• คุณสมบัติหลักคือการสร้างพลาสมาโลหะความหนาแน่นสูงผ่านอาร์คแรงดันสูง ซึ่งช่วยให้ชั้นฟิล์มสร้างพันธะโลหะวิทยาด้วยพื้นผิว และการยึดเกาะนั้นเกินกว่าเทคโนโลยีการเคลือบแบบธรรมดามาก
• เน้นที่การเคลือบผิวแบบใช้งานได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับการเคลือบผิวแข็ง เช่น TiN, TiCN, TiAlN และ CrN ซึ่งสามารถเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอและความทนทานต่อการกัดกร่อนของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก
• ข้อเสียคืออาจมีอนุภาคเล็กๆ บนพื้นผิวของชั้นฟิล์ม ซึ่งทำให้เอฟเฟกต์การตกแต่งอ่อนลงเล็กน้อย และตัวเลือกสีค่อนข้างจำกัด

• ข้อได้เปรียบหลักอยู่ที่การใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการสะสมอะตอมของวัสดุเป้าหมายอย่างสม่ำเสมอ และสร้างฟิล์มที่เรียบเนียนและละเอียด
• เน้นที่การเคลือบผิวแบบตกแต่งและแบบพิเศษ สามารถนำเสนอสีต่างๆ ได้อย่างแม่นยำ เช่น สแตนเลส สีดำ สีโรสโกลด์ และสีรุ้ง และยังสามารถเตรียมฟิล์มแบบพิเศษ เช่น DLC (คาร์บอนคล้ายเพชร)
• ข้อเสียคือการยึดเกาะของชั้นฟิล์มสปัตเตอร์บริสุทธิ์ค่อนข้างอ่อนแอ และยากที่จะทนต่อสภาพการทำงานที่ซับซ้อนเมื่อใช้เพียงอย่างเดียว

• การแก้ไขจุดบกพร่องทางเทคนิคเพียงอย่างเดียว: AIP ชดเชยการยึดเกาะที่ไม่เพียงพอของ MS ในขณะที่ MS ปรับปรุงความขรุขระของพื้นผิวและข้อบกพร่องของสีที่ไม่สม่ำเสมอของ AIP
• บรรลุการซ้อนทับประสิทธิภาพ: หลังจากรวมกันแล้ว ไม่เพียงแต่ยังคงรักษาแรงยึดเกาะที่แข็งแกร่งซึ่งเกิดจาก AIP เท่านั้น แต่ยังมีพื้นผิวที่เรียบเนียนและสีที่เสถียรของ MS และเข้ากันได้กับพื้นผิวและการเคลือบผิวอื่นๆ อีกมากมาย
• เพิ่มมูลค่าการผลิต: กระบวนการทั้งสองเสร็จสิ้นในห้องสุญญากาศเดียวกันโดยไม่ต้องทำการบำบัดซ้ำ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอย่างมากและตอบสนองความต้องการของการผลิตจำนวนมาก

ชิปเซมิคอนดักเตอร์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือได้โดยการสะสมขั้วไฟฟ้าโลหะ (เช่น ทังสเตนและทองแดง) และชั้นฉนวน (เช่น ซิลิคอนไนไตรด์) ผ่านอุปกรณ์ นอกจากนี้ยังสามารถเตรียมฟิล์มฟังก์ชัน เช่น ฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งใส (ITO) และชั้นขนส่งอิเล็กตรอนสำหรับแผงแสดงผล OLED และ QLED ด้วยอุปกรณ์นี้ หลังจากทำการเคลือบแล้ว ประสิทธิภาพการป้องกันความชื้น ป้องกันการเกิดออกซิเดชัน และการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ และเปลือกหุ้มของพวกเขาก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก นอกจากนี้ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์พิเศษ เช่น แผ่นไบโพลาร์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงพลังงานไฮโดรเจน ซับสเตรตเซรามิก DPC และแผงวงจรพิมพ์ PCB แบบยืดหยุ่นยังกลายเป็นเป้าหมายการใช้งานหลักสำหรับเครื่อง PVD แบบไฮบริดอีกด้วย

อายุการใช้งานของเครื่องมือตัด แม่พิมพ์ปั๊ม แม่พิมพ์ฉีด และเครื่องมือและแม่พิมพ์อื่นๆ สามารถขยายได้อย่างมากโดยการสะสมการเคลือบผิวแข็ง เช่น TiN และ TiAlN หลังจากที่ส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์รถยนต์ เช่น แหวนลูกสูบ วาล์ว และเพลาข้อเหวี่ยง ถูกเคลือบแล้ว ความทนทานต่อการสึกหรอและประสิทธิภาพในการลดแรงเสียดทานจะเพิ่มขึ้น และความน่าเชื่อถือของเครื่องยนต์จะดีขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ส่วนประกอบรูปลักษณ์และการทำงานของรถยนต์ เช่น โคมไฟ กระจกมองหลัง และกระจกหน้ารถยังสามารถป้องกันหมอก ป้องกันแสงสะท้อน และฉนวนกันความร้อนได้ด้วยการเคลือบ

ส่วนประกอบออปติคัล เช่น เลนส์กล้องและเลนส์กล้องโทรทรรศน์สามารถสะสมฟิล์มป้องกันการสะท้อนและฟิล์มสะท้อนแสงสูงเพื่อลดการสะท้อนแสงและเพิ่มการส่งผ่านแสง อุปกรณ์ออปติคัล เช่น ตัวมัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่นและตัวแยกแสงบรรลุการปรับแสงอย่างแม่นยำโดยการควบคุมความหนาของชั้นฟิล์มอย่างแม่นยำ หลังจากทำการบำบัดด้วยการเคลือบฉนวนความร้อนแล้ว ประสิทธิภาพความร้อนและอายุการใช้งานของส่วนประกอบต่างๆ เช่น ใบพัดเครื่องยนต์อากาศยานและห้องเผาไหม้ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ส่วนประกอบโครงสร้างและหน้าต่างออปติคัลของยานอวกาศถูกเคลือบเพื่อให้ได้ฟังก์ชันต่างๆ เช่น การป้องกันรังสีและฉนวนกันความร้อน เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานปกติในสภาพแวดล้อมในอวกาศที่รุนแรง

การปลูกถ่ายทางการแพทย์ เช่น ข้อต่อเทียม เครื่องกระตุ้นหัวใจ และขดลวดหลอดเลือด สามารถสะสมการเคลือบผิวที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ เช่น คาร์บอนคล้ายเพชรและไฮดรอกซีอะพาไทต์ เพื่อลดปฏิกิริยาการปฏิเสธในร่างกายมนุษย์ ฟิล์มไวแสงและฟิล์มป้องกันของไบโอเซนเซอร์ เช่น เซ็นเซอร์กลูโคสและเซ็นเซอร์ DNA ได้รับการปรับปรุงความไวและความเสถียรอย่างมากหลังจากการเคลือบ

เมื่อใช้วัสดุเป้าหมายโลหะบริสุทธิ์สำหรับการสะสม สามารถรับสีเมทัลลิกต่างๆ ได้ สามารถรับการเคลือบสีเงินสดใสได้โดยใช้เป้าหมายอะลูมิเนียม ซึ่งเหมาะสำหรับส่วนประกอบตกแต่ง เป้าหมายทองแดงสามารถสร้างสีทองแดงที่อบอุ่นและมักใช้ในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนตกแต่ง เป้าหมายไทเทเนียมสามารถสร้างการเคลือบสีเทาอ่อน ซึ่งรวมเอาพื้นผิวและความทนทานต่อการกัดกร่อนเข้าด้วยกัน เป้าหมายทองคำและเป้าหมายเงินผลิตสีเหลืองทองและสีเงินสดใสตามลำดับ และส่วนใหญ่ใช้ในการตกแต่งระดับไฮเอนด์และสาขาการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์

ผ่านปฏิกิริยาเคมีระหว่างวัสดุเป้าหมายโลหะและก๊าซทำปฏิกิริยา (เช่น ไนโตรเจนและออกซิเจน) สามารถสร้างสีผสมที่หลากหลายได้ การเคลือบ TiN นำเสนอสีเหลืองทองและเป็นสีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเครื่องมือ แม่พิมพ์ และชิ้นส่วนตกแต่ง การเคลือบ CrN เป็นสีเงินเทาและมีทั้งความแข็งสูงและความทนทานต่อการสึกหรอ การเคลือบ TiAlN ปรากฏเป็นสีม่วงดำและมีความทนทานต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องมือและแม่พิมพ์ในสภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง การเคลือบ ZrN เป็นสีเหลืองทองอ่อน มีทั้งเอฟเฟกต์การตกแต่งและความทนทานต่อการสึกหรอ

สามารถปรับแต่งสีส่วนบุคคลได้ผ่านการออกแบบโครงสร้างฟิล์มหลายชั้นหรือการรวมวัสดุเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น สามารถรับการเคลือบสีน้ำเงินม่วงได้ผ่านการสะสมรวมกันของ TiAlN และ SiN การปรับอัตราส่วนวัสดุเป้าหมายของ Ti เป็น Al สามารถทำสีไล่ระดับจากสีเหลืองทองเป็นสีโรสโกลด์ อุปกรณ์บางชนิดรองรับการควบคุมองค์ประกอบและความหนาของชั้นฟิล์มอย่างแม่นยำผ่านแบบจำลองการสะสมที่ขับเคลื่อนด้วย AI ทำให้สามารถผลิตสีเฉพาะได้ตามต้องการและตอบสนองความต้องการสีของผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์

ในฐานะที่เป็นการรับประกันสภาพแวดล้อมพื้นฐานสำหรับการเคลือบ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้องสุญญากาศ ชุดปั๊มสุญญากาศ และอุปกรณ์วัดสุญญากาศ ห้องสุญญากาศส่วนใหญ่ใช้การออกแบบทรงแปดเหลี่ยม รองรับประตูหน้าและหลังและการติดตั้งแบบแยกส่วน ซึ่งสะดวกสำหรับการแลกเปลี่ยนและบำรุงรักษาส่วนประกอบ ขนาดทั่วไปคือ φ950×1350 มม. และโซนพลาสมาสม่ำเสมอสามารถเข้าถึง φ650×H750 มม. ชุดปั๊มสุญญากาศมักใช้การกำหนดค่าแบบผสมผสานของปั๊มเทอร์โบโมเลกุล ปั๊มรูทส์ และปั๊มใบพัดหมุน เพื่อให้แน่ใจว่าช่องจะเข้าสู่สถานะสุญญากาศสูงได้อย่างรวดเร็ว ในบรรดาปั๊มเทอร์โบโมเลกุล ความเร็วในการสูบส่วนใหญ่คือ 2×2000L/S ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของการเคลือบที่มีความแม่นยำสูง

เป็นส่วนประกอบหลักสำหรับการเคลือบแบบไฮบริด รวมถึงแหล่งไอออนอาร์ค แหล่งสปัตเตอร์แมกนีตรอน และแหล่งไอออน แหล่งไอออนอาร์คมักติดตั้งแคโทดอาร์ค 8 ชุด แต่ละชุดมีกำลังไฟ 5KW ซึ่งสามารถทำให้วัสดุเป้าหมายเป็นไอออนได้อย่างรวดเร็วเพื่อสร้างพลาสมา แหล่งสปัตเตอร์แมกนีตรอนส่วนใหญ่ใช้แคโทดสปัตเตอร์ความถี่ปานกลาง โดยมีกำลังไฟสูงถึง 36KW รองรับการสปัตเตอร์ร่วมหลายเป้าหมายและการควบคุมการไล่ระดับองค์ประกอบ กำลังไฟของแหล่งไอออนเชิงเส้นอยู่ที่ประมาณ 5KW ซึ่งใช้สำหรับการกัดพลาสมาและเพิ่มการยึดเกาะของชั้นฟิล์ม ลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ใช้สถาปัตยกรรมควบคุมสองระดับของคอมพิวเตอร์และ PLC เพื่อให้เกิดการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่แม่นยำและการทำงานอัตโนมัติ สามารถตรวจสอบพารามิเตอร์สำคัญ เช่น องศาสุญญากาศ อุณหภูมิการสะสม และอัตราการไหลของก๊าซได้แบบเรียลไทม์ ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ ระบบควบคุมก๊าซติดตั้งช่อง MFC (Mass Flow Controller) 5 ช่อง เพื่อให้มั่นใจถึงการจ่ายก๊าซทำปฏิกิริยาที่แม่นยำ อุปกรณ์ระดับไฮเอนด์บางชนิดรวมอินเทอร์เฟซ Industrial 4.0 รองรับการปรับพารามิเตอร์ระยะไกลและการตรวจสอบย้อนกลับข้อมูลกระบวนการ ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพในการผลิต

ชั้นวางชิ้นงานส่วนใหญ่ใช้โครงสร้างดาวเคราะห์ทรงกระบอก ชิ้นงานหมุนทั้งบนแกนของตัวเองและรอบศูนย์กลาง ทำให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม การกำหนดค่าทั่วไปคือเวิร์กสเตชัน φ300 มม. หกตัว ระบบทำความร้อนมีกำลังไฟสูงถึง 18KW โดยควบคุมอุณหภูมิสูงสุดที่ 500℃ การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำทำได้ผ่านการควบคุม PID ของเทอร์โมคัปเปิลเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดอุณหภูมิการเคลือบของพื้นผิวที่แตกต่างกัน

ประกอบด้วยระบบท่อระบายความร้อนด้วยน้ำ ถังน้ำอุณหภูมิคงที่แบบหมุนเวียน และระบบตรวจจับและเตือนภัย ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำจะระบายความร้อนให้กับแหล่งสะสมและช่องเพื่อป้องกันความเสียหายต่อส่วนประกอบที่เกิดจากอุณหภูมิสูง ระบบตรวจจับและเตือนภัยจะตรวจสอบสถานะการทำงานของอุปกรณ์แบบเรียลไทม์ แจ้งเตือนทันทีสำหรับสุญญากาศผิดปกติ ไฟดับ และสถานการณ์อื่นๆ และรับประกันความปลอดภัยในการผลิต

องค์กรผลิตจำนวนมากควรให้ความสำคัญกับการเลือกอุปกรณ์โครงสร้างแบบคลัสเตอร์ โดยมีกำลังการผลิตห้องเดียว ≥30 ชิ้นต่อชั่วโมง รองรับเลย์เอาต์โฟกัสร่วมหลายเป้าหมายเพื่อตอบสนองความต้องการของการผลิตแบบแบทช์ องค์กรที่เน้นการวิจัยและพัฒนาสามารถเลือกอุปกรณ์ห้องเดียว โดยเน้นที่การออกแบบแบบแยกส่วนและการกำหนดค่าที่ยืดหยุ่น ซึ่งสะดวกสำหรับการเปลี่ยนวัสดุเป้าหมายและการปรับกระบวนการ และเหมาะสำหรับการวิจัยและพัฒนาวัสดุใหม่และการเคลือบผิวใหม่ ในเวลาเดียวกัน ควรเลือกข้อกำหนดของช่องตามขนาดของวัสดุฐานเพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นงานสามารถอยู่ในโซนพลาสมาสม่ำเสมอได้อย่างเต็มที่และรับประกันความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม

เลือกการกำหนดค่าแหล่งสะสมตามประเภทของชั้นฟิล์มเป้าหมาย เมื่อเตรียมการเคลือบผิวแข็ง จำเป็นต้องเพิ่มความเข้ากันได้ของกำลังไฟแหล่งไอออนอาร์คกับวัสดุเป้าหมาย และรองรับวัสดุเป้าหมาย เช่น Ti, Al และ Cr ในการเตรียมฟิล์มออปติคัลหรือฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งใส จำเป็นต้องปรับแหล่งสปัตเตอร์แมกนีตรอนให้เหมาะสมและติดตั้งแหล่งจ่ายไฟความถี่กลางหรือความถี่วิทยุ หากจำเป็นต้องใช้กระบวนการสปัตเตอร์แบบทำปฏิกิริยา จำเป็นต้องยืนยันจำนวนช่องก๊าซและความแม่นยำของ MFC ของอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถควบคุมสัดส่วนของก๊าซทำปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ สำหรับผู้ใช้ที่มีข้อกำหนดพิเศษ จำเป็นต้องใส่ใจว่าอุปกรณ์รองรับการขยายกระบวนการ PECVD เพื่อให้เกิดการสะสมของชั้นฟิล์มที่ไม่นำไฟฟ้าจากคาร์บอน

ในแง่ของคุณภาพการเคลือบ ควรให้ความสนใจกับความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม (ค่าเบี่ยงเบนความหนาของเวเฟอร์ทั้งหมดคือ ≤±1.5%) ความแข็ง (ควรใช้ HV3500 ขึ้นไป) และการยึดเกาะ ในแง่ของประสิทธิภาพการผลิต จุดสำคัญที่ต้องตรวจสอบคืออัตราการสะสม (ควรใช้อุปกรณ์ที่สามารถเข้าถึง 5 ไมครอนต่อนาที) และเวลาในการสูบสุญญากาศ ในแง่ของเสถียรภาพของอุปกรณ์ ควรให้ความสำคัญกับการเลือกอุปกรณ์ที่มีอัตราการผลิตในประเทศสูงของส่วนประกอบหลัก (เช่น มากกว่า 85%) และใช้พลังงานต่ำเพื่อลดต้นทุนการบำรุงรักษาในภายหลัง ในแง่ของระดับของระบบอัตโนมัติ ให้เลือกระบบควบคุมที่สอดคล้องกันตามขนาดการผลิต สำหรับการผลิตแบบแบทช์ ขอแนะนำให้เลือกอุปกรณ์ที่มีการจัดการวัสดุเป้าหมายอัจฉริยะและฟังก์ชันการตรวจสอบระยะไกล

ควรวางแผนต้นทุนการจัดซื้ออุปกรณ์อย่างสมเหตุสมผลร่วมกับความต้องการกำลังการผลิต เพื่อหลีกเลี่ยงการกำหนดค่าที่มากเกินไปซึ่งนำไปสู่การสิ้นเปลืองต้นทุน ต้นทุนการบำรุงรักษาในภายหลังควรเน้นที่อัตราการใช้ประโยชน์ของวัสดุเป้าหมาย ระดับการใช้พลังงาน และอายุการใช้งานของชิ้นส่วนที่เปราะบาง ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องตรวจสอบความสามารถในการสนับสนุนทางเทคนิคของผู้จำหน่าย รวมถึงการดีบักกระบวนการ การฝึกอบรมบุคลากร และความเร็วในการตอบสนองหลังการขาย ควรให้ความสำคัญกับซัพพลายเออร์ที่สามารถจัดหาโซลูชันที่กำหนดเองและบริการด้านเทคนิคระยะยาว สำหรับอุปกรณ์มือสอง จำเป็นต้องตรวจสอบอายุการใช้งานของวัสดุเป้าหมาย สถานะของชุดปั๊มสุญญากาศ และการสอบเทียบของ MFC และตรวจสอบความสม่ำเสมอและการยึดเกาะผ่านชิ้นงานตัวอย่างที่วัดได้

การเลือกเครื่องเคลือบ PVD แบบไฮบริด arc ion + magnetron sputtering ที่เหมาะสมคือการลงทุนที่สำคัญในการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ ขอแนะนำให้ชี้แจงข้อกำหนดการผลิตและเป้าหมายกระบวนการของตนเองก่อนตัดสินใจ และทำการประเมินอย่างครอบคลุมผ่านการตรวจสอบสถานะการทำงานของอุปกรณ์ในสถานที่ การทดสอบประสิทธิภาพของตัวอย่าง และวิธีการอื่นๆ