Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


1
Chơng 4
các công nghệ xử lý bề mặt bằng PVD
(Physical Vapour Deposition)
PVD là công nghệ xử lý bề mặt mới nhờ áp dụng các tác động vật lý vào quá
trình tạo thành lớp phủ nh : lực điện từ, hiện tợng phóng điiện phát quang trong
pha khí, sự bay hơi, Sự tạo thành lớp phủ gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau là : Hoá
hơi chất phủ chuyển chất phủ đến bề mặt chi tiết ngng tụ và tạo thành lớp
phủ.
4.1. Phân loại các công nghệ PVD
Các công nghệ PVD còn đang đợc phát triển do đó các cách phân loại còn có
thể đợc thay đổi. Hay dùng các cách phân loại sau :
Tuỳ theo tác động vật lý để hoá hơi chất phủ và vận chuyển chất phủ đến bề
mặt chi tiết, ngời ta chia PVD thành ba nhóm chính là :
+ Bốc hơi và ngng tụ kim loại trong chân không
+ Hoá hơi kim loại và phủ ion
+ Hoá bụi catôt và phủ ion.
Trong các công nghệ PVD, chi tiết trong quá trình phủ thờng đợc phân cực
catôt. Tuỳ theo điện thế phân cực của chi tiết mà ngời ta phân ra các công nghệ
PVD khác nhau :
Bay hơi và ngng tụ trong chân không, điện thế phân cực vài chục vol
BARE (Bias Activated Reactive Evaporation), điện thế phân cực đến 200 V
Phủ ion-IP (Ion plating), điện thế phân cực khoảng 1 KV.
Dựa trên kỹ thuật hoá hơi chất phủ, ngời ta chia PVD thành hai nhóm công
nghệ lớn là :
Kỹ thuật PVD dựa trên sự hoá hơi kim loại
Nhóm này lại đợc phân thành ba loại tuỳ theo môi trờng sử dụng :
1. Bay hơi và phủ ion (IP), bốc hơi trong môi trờng khí trơ.

2. Bay hơi trong môi trờng hoạt tính và phủ ion (RIP- Reactive Ion Plating),
bốc hơi
trong môi trờng khí hoạt tính
4. Bay hơi trong môi trờng hoạt tính có kích thích và phủ ion - công nghệ
BARE, môi trờng hoạt tính và có kích thích.
Tuỳ theo đặc điểm sử dụng và nguồn gốc của electron kích thích ngời ta lại chia
BARE ra thành ba dạng công nghệ :
* Sự hoá hơi chất phủ là do tác dụng của chùm electron có năng lợng cao
(electron sơ cấp) bắn phá lên bề mặt của chất phủ ở thể rắn. Công nghệ này là sự
cải tiến và phát triển của công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích (ARE ), hoạt tính
của hơi chất phủ là do va chạm với các electron thứ cấp (electron trong plasma) có
năng lợng thấp.
* Hoá hơi chất phủ do bắn phá của các electron năng lợng thấp (khoảng 100
eV). Các electron này do nguồn sợi đốt phát ra vừa để hoá hơi chất phủ vừa để hoạt
tính hơi chất phủ.
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


2
* Sử dụng electron năng lợng thấp (giống nh trờng hợp trên) để hoá hơi
chất phủ, chỉ khác là súng phát electron là loại có catôt rỗng (HCD-Hollow Cathode
Discharge Deposition).
Kỹ thuật PVD dựa trên sự hoá bụi chất phủ ở thể rắn
1. Công nghệ sử dụng nhiều hồ quang
Ngời ta sử dụng các hồ quang nhỏ để làm xói mòn và hoá hơi chất phủ ở thể rắn,
đợc gọi là công nghệ hoá hơi chất phủ bằng hồ quang điện và phủ ion (công nghệ
này xuất xứ từ Nga có tên là PUSK-Plasmenii Uskoritel).
2. Công nghệ hoá bụi catôt (sputtering)
Trong công nghệ này, ngời ta làm hoá hơi chất phủ nhờ bắn phá catôt bằng chùm
ion trong môi trờng có thể là khí hoạt tính hoặc khí trơ. Hơi chất phủ phải qua

plasma lạnh trớc khi phủ lên bề mặt chi tiết. Chi tiết thông thờng đợc phân cực
catôt với điện thế thấp.
Trong các cách phân loại trên, thì cách phân loại thứ nhất là tổng quát hơn cả
và thờng hay đợc nói đến khi đề cập những vấn đề chung về PVD, còn các cách
phân loại sau là dùng cho các nhà kỹ thuật.
4.2. Bốc hơi và ngng tụ kim loại trong chân không
Hình 4.1. là sơ đồ nguyên lý của thiết bị bốc hơi và ngng tụ kim loại trong chân
không. Trong số các công nghệ PVD, đây là công nghệ ra đời sớm hơn cả, trang
thiết bị đơn giản và chất lợng lớp phủ cũng thấp hơn so với các phơng pháp khác.
4.2.1. Bay hơi và ngng tụ trực tiếp trong chân không
Cần sử dụng một thiết bị kín để có thể tạo chân không. Ngời ta dùng điện trở, dòng
điện cảm ứng hoặc chùm electron để nung nóng kim loại cần phủ lên trên nhiệt độ
chẩy và để bay hơi. Phơng pháp này có các đặc điểm cơ bản sau :
- Vận chuyển kim loại bay hơi đến bề mặt mẫu là do chuyển động đối lu tự nhiên
của các phần tử kim loại thể hơi dới áp suất khoảng 10
-2
Pa, không có bất kỳ tác
động bên ngoài nào
- Hơi kim loại ngng tụ một cách tự nhiên, ở khắp mọi nơi trong buồng kín do đó hiệu
suất sử dụng kim loại rất thấp
- Năng lợng của các hạt ngng tụ nhỏ e = 3/2 KT 0,1 eV (K là hằng số Boltzman),
chất phủ chỉ đợc bám lên trên bề mặt, không có lực bắn vào bề mặt chi tiết nên
bám dính kém, độ xít chặt của lớp phủ không cao
- Bề mặt của chi tiết hầu nh không ảnh hởng đến lớp phủ, chi tiết không bị phân
cực, có thể phủ lên các vật liệu không dẫn điện nh ceranic, polymer,
- Chất phủ thờng là các kim loại dễ chẩy nh : Sn, Pb, Al,
- Tốc độ phủ chậm, lớp phủ mỏng.
Hoá hơi kim loại bằng nhiệt : trờng hợp này có thể sử dụng graphit làm nồi chứa
kim loại, ngời ta có thể dùng chính nồi graphit làm điện trở để nung nóng kim loại.
Khi dùng dây điện trở hoặc cảm ứng ngời ta có thể đặt trực tiếp kim loại (Al) lên

dây nung.
Dùng cảm ứng, dùng chùm điện tử, tia Laser để bay hơi các kim loại có nhiệt độ
chảy cao.
Công nghệ bốc hơi và ngng tụ trong chân không ngày càng phát triển đa dạng,
buồng bốc hơi kim loại ngày càng hiện đại bao gồm hệ thống chân không, nguồn
năng lợng để hoá hơi kim loại, bàn gá mẫu (chi tiết cần phủ) quay, thiết bị đo tại
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


3
chỗ chiều dày lớp phủ. Mỗi khi thay đổi, cải tiến một bộ phận chức năng lại hình
thành một phơng án công nghệ mới, thiết bị mới đợc mô tả trong các catalog và
tài liệu chào hàng. Tuy nhiên, vì lớp phủ mỏng nên hạn chế ứng dụng trong ngành
Cơ khí.
4.2.2. Bay hơi hoạt tính và ngng tụ (RE) (hình 4.2.)
(Reactive Evaporation)
Là một dạng cải tiến của bay hơi và ngng tụ trong chân không, nhờ đa vào trong
buồng bay hơi kim loại các chất khí hoạt tính. Tuỳ theo chất khí hoạt tính đa vào,
ngời ta có thể tạo các lớp phủ khác nhau : nitrit - khí hoạt tính là N
2
hoặc khí chứa
nitơ (NH
3
), cacbit - khí hoạt tính là các cacbua hydro hoặc các khí chứa cacbon
khác, oxyt - khí hoạt tính là oxy hoặc các khí chứa oxy khác, áp suất trong buồng
phủ từ 0,01 đến 1 Pa. Do chiều dày lớp phủ nhỏ, lớp phủ không xít chặt, độ bám
dính thấp nên lĩnh vực áp dụng chủ yếu của các công nghệ bốc hơi và ngng tụ
trong chân không (có hoạt tính và không có hoạt tính) là ngành Điện tử, Quang học
và trang trí, trong lĩnh vực Cơ khí, các áp dụng này còn hạn chế.
Phần lớn các hạn chế của công nghệ bốc hơi và ngng tụ trong chân không đợc

khắc phục nhờ áp dụng kỹ thuật plasma lạnh.
4.2.3. Công nghệ bốc hơi hoạt tính có kích thích - ARE
(Activated Reactive Evaporation)
4.2.3.1 Tạo plasma lạnh
Thay việc nung nóng kim loại bằng điện trở hoặc cảm ứng, để hoá hơi kim loại
(hoặc chất phủ nói chung), ngời ta dùng chùm hạt mang điện (hình 4.3.) có năng
lợng vài trăm eV gọi là chùm electron sơ cấp. Plasma tạo thành là do hiện tợng
phóng điện và phát quang trong pha khí, bao gồm các ion, electron và cả các phân
tử trung hoà về điện. Do nhiệt độ không cao, nên plasma tạo thành này đợc gọi là
plasma lạnh. Có nhiều phơng pháp khác nhau để tạo plasma và vận chuyển chất
phủ đến bề mặt chi tiết (hình 4.3.).
Phơng pháp tạo plasma điển hình nhất là phơng pháp dựa trên sự phóng điện
phát quang trong pha khí. Trong một buồng kín, sau khi tạo chân không, ngời ta
đa khí Ar vào với áp suất từ 0,1 đến vài trăm Pa. Tiếp theo, ngời ta đặt một điện
trờng đều có hiệu điện thế từ 1 đến 10 KV. Dới tác dụng của từ trờng, khí Ar bị
ion hoá tạo thành Ar
+
, các ion này, dới tác dụng của từ trờng, sẽ di chuyển đến
catôt với năng lợng 10
-2
w/(cm
2
bề mặt catôt). Catôt đợc chế tạo bằng chính kim
loại phủ, dòng cation bắn phá vào catôt, làm bốc hơi kim loại. Ngoài ra, chuyển
động của các phần tử mang điện còn gây nên sự ion hoá do va chạm với các phân
tử khí tạo thành các ion và electron mới. Kết quả là một plasma lạnh đợc hình
thành, trong đó mức độ ion hoá đạt từ 10
-7
đền 10
-4

( số mol khí đa vào chia cho
tổng số hạt mang điện). Trong số các phần tử có mặt trong plasma thì electron có
nhiệt độ cao nhất, pha khí còn lại chỉ ở nhiệt độ từ 300 đến 1000 K.
Chế độ điện
Quan hệ giữa hiệu điện thế V và dòng điện I đợc biểu diễn trên đồ thị hình 4.4.
Bình thờng, khi tăng dần điện áp thì dòng điện I tăng đến khi gây ra hiện tợng
phóng điện. Trong quá trình tăng hiệu điện thế, ngời ta thấy xuất hiện một giai
đoạn bất thờng (hình 4.4.), hiệu điện thế giảm và dòng điện I cứ tiếp tục tăng. Sau
đó, nếu ta tăng hiệu điện thế, chúng ta lại trở lại quy luật bình thờng, tức là dòng
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


4
điện tăng và nếu tiếp tục tăng hiệu điện thế chúng ta sẽ có hiện tợng phóng hồ
quang.












Hình 4.1. Bốc hơi và ngng tụ
kim loại trong chân không Hình 4.2. Công nghệ ARE


Ngời ta tìm cách để duy trì chế độ làm việc ở khu vực bất bình thờng nhng
không sang phóng hồ quang bằng cách sử dụng các anôt dạng lới, một mặt tăng
công suất , một mặt tạo chế độ bất thờng (hiệu quả lớn nhất).
Sơ đồ vận chuyển chất Sự tạo thành plasma














Hình 4.3. Sơ đồ tạo plasma và ứng dụng Hình 4.4 Chế độ điện
4.2.3.2. Ưu nhợc điểm và phạm vi áp dụng
Để tạo ra hiện tợng phóng điện phát quang trong pha khí thì áp suất khí trong
buồng phải nhỏ. Tuy nhiên cũng cần giá trị nhất định 10
-2
mbar trở lên. Ngời ta thay
một phần hoặc toàn bộ khí Ar bằng khí hoạt tính, sau khi tạo plasma, các ion, các
electron vừa hình thành có năng lợng lớn, ta nói pha khí hoạt tính ở trạng thái kích
thích. ở trạng thái kích thích, hoạt tính hoá học của pha khí rất cao. Các phản ứng
hoá giữa các phần tử trong pha khí và giữa pha khí với bề mặt chi tiết đều xảy ra
mãnh liệt hơn. Đặc biệt, do các chất tham gia phản ứng ở trạng thái kích thích nên
phản ứng có thể xảy ra ở ngoài phạm vi cân bằng hoá học thông thờng, ví dụ, ở

Khí hoạt tính
Hơi kim loại
Màn
g
n
g
ăn
Chi tiết
e
-
e
-
Kim loại
Bơm
Chùm elec.
Hơi kim loại
Màn
g
n
g
ăn
Chi tiết
e
-
e
-
Kim loại
Bơm
Chùm elec.
Phóng điện

catôt nung
Phóng điện
do dòng một chiều
Phóng điện
nhờ cảm ứng
Phón
g
điện nhờ
cảm ứng tần số
siêu âm
Phóng điện
hồ quang
V
I
Bất thờn
g

Hồ quang
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


5
nhiệt độ thấp hơn. Đây là một lợi thế của phơng pháp, lợi thế này cho phép xử lý ở
nhiệt độ thấp, tránh đợc ứng suất và biến đổi tổ chức của vật liệu chi tiết nh khi xử
lý ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, công nghệ ARE còn có một số u điểm sau :
- Cho phép phủ đợc các kim loại có nhiệt độ chảy cao. Các nguyên tử bứt ra có
năng lợng khá lớn, lớn hơn bay hơi bình thờng. Chuyển động của chất phủ đến bề
mặt chi tiết qua plasma, đợc truyền năng lợng động học nhờ các va chạm đàn hồi
và phi đàn hồi với các phần tử trong plasma do đó lớp phủ bám dính tốt hơn.
- Thông thờng, vật liệu phủ (cible) đợc phân cực catôt do đó phải là các vật liệu

dẫn điện, nhng bằng kỹ thuật đảo chiều (1MHz) ngời ta có thể hoá bụi mọi vật
liệu kể cả không dẫn điện.
- Lớp phủ gần nh có cùng thành phần với catôt. Ví dụ, muốn muốn phủ TiN thì
catôt (cible) phải có thành phần tơng ứng với TiN.
- Sử dụng plasma lạnh cho phép tăng tốc độ vận chuyển chất đến bề mặt chi tiết do
đó tốc độ phủ nhanh.
Sử dụng kỹ thuật plasma đánh dấu một bớc tiến bộ quan trọng trong việc áp dụng
công nghệ PVD, nhờ đó mà chất phủ đợc hoạt tính và vận chuyển đến bề mặt chi
tiết nhanh hơn, chất lợng lớp phủ cao hơn. Trên thực tế, plasma đã mở ra một thời
kỳ mới của các công nghệ PVD với các lĩnh vực áp dụng rộng rãi hơn, hiệu quả cao
hơn.
Trong công nghệ PVD có sử dụng plasma, chất phủ sau khi hoá hơi phải đi qua
plasma, đợc hoạt tính hoá (ion hoá, đợc truyền năng lợng động học), thực hiện
các phản ứng hoá học sau đó đợc phủ lên bề mặt chi tiết.
Chi tiết trong quá trình phủ thờng đợc phân cực catôt. Sự phân cực catôt của chi
tiết phủ, làm cho các cation chất phủ đợc chuyển động đến bề mặt phủ với gia tốc,
cho phép tăng tốc độ phủ, tăng độ bám dính, tăng độ xít chặt của lớp phủ. Ngoài ra,
sự phân cực còn giúp quá trình tạo mầm, điều chỉnh sự phát triển và định hớng tinh
thể của lớp phủ.
Tuy ngời ta sử dụng chủ yếu công nghệ ARE trong các ngành : quang học, điện tử,
trang trí, ít dùng trong cơ khí vì dính bám của lớp phủ lên chi tiết cha đủ cao, nhất là
lớp phủ dày. Lớp phủ có độ xít chặt không cao, hoạt tính của khí ở nhiệt độ thấp
không đủ để tạo các nitrit và cacbit của kim loại khó chảy.
4.3. hoá hơi kim loại và phủ Ion (Ion Plating)
Là quá trình bốc hơi kim loại trong môi trờng khí trơ hoặc khí hoạt tính, hơi kim loại
đi qua môi trờng khí đang có hiện tợng phóng điện và phát quang dới tác dụng
của từ trờng, đợc ion hoá và đợc phủ lên bề mặt chi tiết đợc phân cực catôt. Do
lớp phủ đợc hình thành từ các ion nên còn gọi là lớp phủ ion.
4.3.1. Công nghệ IP (Ion Plating)
Chi tiết (mẫu thử) cần phủ đợc phân cực catôt. Hình 4.5. là mô hình thu gọn cổ điển

của công nghệ phủ ion, ngời ta thực hiện các bớc sau:
+ Đặt từ trờng 1KV tạo quá trình phóng điện phát quang trong pha khí ở chế độ bất
thờng
+ Hoá hơi kim loại bằng cách dùng điện trở hoặc cảm ứng để nung kim loại lên
nhiệt độ cao. Ngày nay ngời ta còn bắn một chùm electron để tăng cờng quá trình
bay hơi.
+ Ion hoá hơi kim loại do bay hơi trong từ trờng đang có hiện tợng phóng điện
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


6
+ Ion kim loại, dới tác dụng của điện trờng, chuyển động với gia tốc hớng về cực
âm.
áp suất của pha khi thông thờng nằm trong khoảng từ 0,5 đến 5 Pa. Trên vách
ngăn áp suất (hình 4.5.) ngời ta thiết kế một cửa nhỏ để chùm electron đi qua đồng
thời duy trì áp suất ở vùng gần súng electron khoảng 0,05 Pa.
Kim loại phủ đợc đặt trong chén nhỏ, đợc nung nóng bằng điện trở hoặc cảm ứng.
Chi tiết cần phủ đợc phân cực catôt trong từ trờng với cờng độ từ 1 - 5 KV.
Giai đoạn trớc khi phủ :
Chi tiết đợc đặt trong từ trờng và đợc bắn phá bằng các ion để:
- Làm sạch hoàn toàn tại chỗ bề mặt chi tiết trớc khi phủ
- Nung nóng sơ bộ bề mặt chi tiết đến nhiệt độ thích hợp cho quá trình phủ.
Giai đoạn bắn phá ion sơ bộ bề mặt chi tiết không đợc mạnh quá để không làm
biến dạng bề mặt chi tiết, không hoá bụi vật liệu chi tiết làm ngăn cản sự dính bám
của lớp phủ sau này.
Giai đoạn phủ :
Quá trình phủ ion kim loại lên bề mặt chi tiết xảy ra liên tục kể từ khi kim loại bị bốc
hơi. ở giai đoạn đầu, khi nhiệt độ còn thấp (cha ổn định), có thể có quá trình sinh
mầm giúp cho sự phát triển các pha và tạo lớp phủ xít chặt sau này. Trong quá trình
phủ ion, một phần chất phủ có thể bị hoá bụi trở lại, sự hoá bụi trở lại một cách

chọn lọc làm thay đổi thành phần và tính chất của lớp phủ.
Vận tốc phủ khi phủ ion chỉ xấp xỉ nh công nghệ ARE nhng sự dính bám, khả
năng đồng đều và xít chặt của lớp phủ thì lớn hơn nhiều.
ứng dụng của công nghệ phủ ion
Trong ngành điện tử, quang học, ngành điện để phủ các tiếp điểm, dùng trong trang
trí nhng quan trọng hơn cả là ngành cơ khí để tạo lớp phủ Al, Cr, Mo, TiN lên thép.
Nhợc điểm lớn nhất là ít phù hợp cho sản xuất hàng loạt , giá thành thiết bị cao, do
đó giá thành phủ còn cao.













Hình 4.5. Sơ đồ thiết bị IP Hình 4.6. Sơ đồ thiết bị BARE (1)
4.3.2 Công nghệ BARE
Dựa trên cơ sở của công nghệ phủ ion, trong công nghệ BARE các ion kim loại cũng
đợc chuyển đến bề mặt catôt (bề mặt chi tiết cần phủ) với một gia tốc do đó bám
dính của lớp phủ rất cao. Cấu trúc của lớp phủ, tuỳ theo công nghệ phủ, có thể đợc
Khí vào
Hơi kim loại
Màng
e

-
e
-
Kim loại
Bơm
+
Chi tiết
2
4
3
5
1
Khí
Khí vào
Hơi kim loại
Màng ngăn
Chi tiết
e
-
e
-
Kim loại
Bơm
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


7
xem nh là cấu trúc vi tinh thể. Nếu trong Plasma có mặt của các khí hoạt tính (nh
đã nêu trên) thì các phản ứng sẽ xẩy ra mãnh liệt hơn, ngay cả ở nhiệt độ thấp, mà
thông thờng ở nhiệt độ này các phản ứng xảy ra chậm hoặc không xảy ra.

Phơng án 1
Trong công nghệ BARE, ngời ta sử dụng bộ phận hoá hơi kim loại giống nh công
nghệ AER: kim loại bốc hơi nhờ chùm electron có năng lợng cao (hình 4.6). Các
electron sơ cấp này đợc tạo từ súng electron, phát ra các chùm electron thứ cấp
có năng lợng nhỏ (khoảng 100 eV) ở vùng lân cận chén kim loại nóng chảy.
Để cung cấp năng lợng, ngời ta thiết kế một buồng tạo xung ion. Buồng tạo xung
này bao gồm một catôt phụ dạng lới giữa nguồn kim loại bay hơi và chi tiết. Điện
cực phụ tập có nhiệm vụ tập trung các electron thứ cấp trong vùng đa khí hoạt tính
vào (hình 4.6.). Dới tác dụng của điện trờng, mức độ ion hoá của Plasma rất lớn,
đồng thời hoạt tính của hơi kim loại và của khí lớn. Một số thiết bị có lắp thêm bộ
phận nung nóng anôt (bằng nguồn điện 100V) liên tục dể tạo hoạt tính cho các
electron.
Vận tốc phủ lớn, cấu trúc lớp phủ đồng đều không sợ hiện tợng phân lớp khi tốc độ
phủ lớn.
Công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích không phân cực của chi tiết phủ (ARE) có
các đặc điểm là : tuy môi trờng có hoạt tính lớn, nhng độ dính bám của lớp phủ
cha đủ cao. Công nghệ BARE khác ARE ở chỗ chi tiết đợc phân cực canôt, chất
phủ đợc thu hút đến catôt với gia tốc nên độ dính bám và chất lợng của lớp phủ
cao.
Nhiều loại lớp phủ cacbit, nitrit, oxyt đợc chế tạo bằng công nghệ BARE đã đợc sử
dụng hữu hiệu trong ngành cơ khí. Tuy rằng việc chủ động công nghệ ở quy mô
công nghiệp cha thật hoàn chỉnh, nhng ý tởng thiết lập phản ứng giữa các
electron năng lợng thấp với khí hoạt tính và hơi kim loại là bớc tiến cơ bản trong kỹ
thuật bay hơi và ngng tụ trong chân không.
Phơng án 2
Sơ đồ nguyên lý của công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích, theo phơng án 2,
đợc phát triển ở quy mô công nghiệp và đợc trình bày trên hình 4.7.
Một dòng electron có công suất lớn đợc tạo thành từ các electron có năng lợng
thấp (60 đến 100 eV) cho phép làm bay hơi kim loại. Dây tóc của máy phát electron
ở phía trên tạo điều kiện cho các electron, khí hoạt tính, hơi kim loại đi ngợc chiều

và phản ứng trực tiếp với nhau, do đó tạo nên Plasma có hoạt tính rất lớn và mật độ
ion rất cao ( khoảng 0,1). Dòng ion tiến thẳng đến bề mặt chi tiết đã đợc phân cực
catôt (vài chục vol). Trong điều kiện đó, độ bám dính của lớp phủ tốt cho dù nhiệt độ
xử lý thấp. Công nghệ đặc biệt áp dụng cho lớp phủ TiN lên thép gió.
Phơng án thứ 3
Dựa trên nguyên lý của phơng pháp 2, điểm khác là dòng electron sơ cấp đợc tạo
từ súng electron có catôt rỗng (hình 4.8).
Nói chung tất cả lớp phủ tạo bằng công nghệ bay hơi hoạt tính có kích thích thì pha
khí đều có hoạt tính cao, độ bám dính tốt. Một u điểm đáng lu ý là các công nghệ
này chỉ sử dụng chùm electron sơ cấp có năng lợng thấp, không cần sử dụng các
loại bơm khuếch tán để tạo độ chân không cao, mẫu thử trong quá trình phủ luôn
đợc phân cực anôt với điện thế thấp. áp dụng quan trọng nhất là tạo lớp phủ TiN
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


8
lên thép. Tạo lớp các lớp phủ cacbit bằng công nghệ này không hoàn toàn thích hợp
vì cacbua hydrô kém ổn định, phân huỷ quá nhanh trong plasma nhng lại ổn định
nhiệt quá cao (so với NH
3
). Nói chung sự đồng đều về thành phần hoá học của lớp
phủ không cao, vì theo chiều cao hơi kim loại phân bố không đều.
Bay hơi không hoạt tính chỉ dùng để phủ kim loại trong một số trờng hợp, ví dụ khi
cần phủ nhanh mà không đòi hỏi chất lợng cao lắm.
















Hình 4.7. Sơ đồ công nghệ BARE 2 Hình 4.8. Sơ đồ công nghệ BARE - 3

4.4. Hoá bụi catôt và phủ ion
Trong các công nghệ hoá bụi catôt và phủ ion, plasma luôn luôn đợc sử dụng nh
là một phơng tiện cơ bản cho phép chế tạo tất cả các loại lớp phủ mỏng (kim loại,
hợp kim, hợp chất xen kẽ, ceramic) lên nhiều loại vật liệu dẫn điện hoặc không dẫn
điện, miễn là chịu đợc nhiệt độ từ 120 đến 800
o
C. Sau đây là đặc điểm của một số
thiết bị điển hình của công nghệ này.
4.4.1. Thiết bị sử dụng diôt
Thiết bị đơn giản và sơ khai nhất của công nghệ hoá bụi catôt và phủ ion trình bày
trên hình 4.9. Các thông số kỹ thuật cơ bản là:
áp suất làm việc từ 0,01 đến 1 Pa, hiệu điện thế từ 1 đến 10 KV. Với mức điện áp
này cho phép tạo hiện tợng phóng điện phát quang trong pha khí ở chế độ bất
thờng. Cả chi tiết cần phủ và chất phủ ở thể rắn (cible) đều đợc phân cực catôt:
chất phủ - (2-10 KV); chi tiết - (0,05 - 1KV).
Quá trình phủ thực hiện nhờ vận chuyển các nguyên tử, các ion chất phủ đến bề mặt
chi tiết. Các nguyên tử và các ion này đợc tạo thành do các ion khác bắn phá lên
bề mặt catôt - cible.
Khi tăng nhiệt độ catôt (cible), thì đầu tiên xảy ra quá trình khử hấp phụ bề mặt, sau

đó phát ra các electron thứ cấp, tia X và các photon mà ngời ta có thể khai thác
các hiện tợng vật lý này.
Hiệu suất hoá bụi chất phủ phụ thuộc vào các yếu tố sau :
. Sự hoá bụi chỉ xẩy ra từ một mức năng lợng nhất định phụ thuộc vào bản chất của
các hạt đập vào
Khí vào
Hơi kim loại
e
-
Kim loại
Bơm
e
-
Cuộn
dây
kích
từ
Khí vào
Hơi kim loại
Chi tiết
e
-
Kim loại
Bơm
Chi tiết
Súng elec.
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


9

. Phụ thuộc vào bản chất của chất phủ (cible)
Hệ thống diôt không phải là một hệ thống tạo ion tốt, mặt khác tốc độ hoá bụi chất
phủ chậm (từ 0,1 đến 1àm/h) do đó cha đủ để tạo đợc các lớp phủ dày sử dụng
trong ngành Cơ khí. Chiều dày lớp phủ tạo thờng chỉ khoảng 5 àm.
4.4.2. Thiết bị sử dụng triôt
Hệ thống thiết bị triôt trình bày trên hình 4.10 gồm một anôt có điện thế 50-100 V,
hai catôt có điện thế phân cực catôt cao là: chất phủ ở thể rắn cible; bàn gá chi tiết
cần phủ. Ngoài ba cực này, ngời ta còn đặt thêm một điện cực phụ, đợc phân cực
30-50 V (so với anôt), đó là một sợi đốt bằng W đợc nung nóng bằng dòng điện
bên ngoài, có chức năng tạo ra các electron (4- hình 4.10).
Cấu trúc của thiết bị cho phép tạo ra một từ trờng vuông góc với phơng nối cible-
chi tiết làm cho chuyển động của của các nguyên tử và ion chất phủ đến bề mặt chi
tiết theo đờng xoắn. Điều đó có tác dụng làm tăng số lợng va chạm nên mức độ
ion hoá và động năng của hơi chất phủ lớn hơn (hình 4.10.) do đó chất lợng lớp phủ
cao.
















Hình 4.9. Sơ đồ thiết bị điôt Hình 4.10. Sơ đồ thiết bị triôt

4.4.3. Thiết bị sử dụng diôt magnhêtron và triôt magnhêtron
Trên hệ thống diôt magnhêtron ngời ta lắp thêm một nam châm vĩnh cửu thích hợp
phía sau cible (chất phủ ở thể rắn cần hoá bụi). Nguyên tắc này áp dụng cho các vật
liệu không có từ tính.
Công dụng của cible magnhêtron : Thu hút các electron tập trung ở vùng xung
quanh cible làm cho hiệu quả của Plasma tăng lên do đó điện áp kích thích sự
phóng điện phát quang trong pha khí giảm xuống 300-500 V (bình thờng cần từ 1
đến 10 kV)
. Mật độ công suất tăng lên đến vài chục W/cm
2
bề mặt cible. Thông thờng, mật
độ công suất tỷ lệ với vận tốc hoá bụi. Cible magnhêtron cho phép tăng tốc độ hoá
bụi lên 30 àm/h gấp trên 30 lần cible bình thờng.
. Nhiệt độ của cible rất cao do đó phải đợc làm nguội bằng nớc.
Khí vào
Chi tiết phủ
-
Vật liệu phủ
Bơm
2-10kV
0,05-1kV
+

+

+

+


+

+

+

+

e
-
e
-
e
-
e
-
Plasma
+

e
-
- electron
e
-
- ion
+
- nguyên tử
plasma
Từ trờng

e
-
e
-
e
-
+

+
+

+
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
Bơm
50-100V
2-10kV
+
Khí vào
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004



10
. Nhiệt độ chi tiết thấp, electron tập trung ở cible là hai đặc điểm quan trọng khi dùng
cible magnhêtron. ở quy mô công nghiệp ngời ta chế tạo cible magnhêtron thành
hai loại chính là: cible dới dạng catôt trụ rỗng và cible phẳng (hình 4.11).
Công nghệ sử dụng diôt magnhêtron cho phép nhận đợc lớp phủ bám dính tốt lên
bề mặt chi tiết. Độ dính bám sẽ càng tốt hơn nếu chi tiét đón trực tiếp tác động của
dòng Plasma. Để đạt đợc mục đích này, ngời ta sử dụng hệ thống thiết bị triôt
magnhêtron (hình 4.12).
Công nghệ sử dụng triôt magnhêtron này cho phép hoá bụi catôt và phủion cho chất
lợng lớp phủ tốt nhất và vận tốc tạo lớp phủ cao.
Để nhận đợc lớp phủ có tính chất đặc biệt, ngời ta đa khí hoạt tính vào buồng
phủ. Trong trờng hợp sử dụng khí hoạt tính, phải tránh để khí không phản ứng với
chất phủ rắn (cible) làm giảm tốc độ hoá bụi chất phủ.












(a) (b)

Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của catôt manhêtrông
a - catôt hình trụ, b - catôt phẳng


Trên thị trờng đã có bán nhiều loại thiết bị phủ bằng bắn phá catôt và phủ ion loại
triôt magnhêtron áp dụng cho các chi tiết nhỏ (kích thớc không quá 200mm). Lĩnh
vực sử dụng chủ yếu là quang học và trang trí. Trong lĩnh vực cơ khí, y tế đang từng
bớc mở rộng áp dụng công nghệ này.









Hình 4.12. Sơ đồ thiết bị triôt manhêtrông


catôt
B
e
E
N
N
S
S
S
N
Nam châm vĩnh cửu
anôt
vùng xói mòn
catôt

đờn
g
sức từ trờn
g
Gá chi
tiết
p
hủ
Cu
ộ
n dâ
y

kích từ
Điện
cực phụ
sợi đốt
W
Catôt (cible)
manhêtrông
Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


11
4.4.4. Thiết bị hoá bụi catôt ở nhiệt độ cao
Phát triển từ thiết bị sử dụng catôt dạng trụ rỗng, để tạo sự hoá hơi chất phủ ổn định
trong điều kiện áp suất từ 1-10 Pa tạo từ bơm chân không thông thờng. Để công
nghệ dễ dàng áp dụng vào sản xuất, phải đồng thời thoả mãn các chỉ tiêu sau:
. Nhiệt độ của cible (chất phủ ở thể rắn trớc khi hoá hơi) phải đủ cao
. Thế phân cực catôt phải trên 1kV

. Mật độ công suất trên bề mặt cible phải đạt vài chục W/cm
2

Yêu cầu đối với vật liệu phủ (cible) :
. Tạo đợc lớp phủ lên chi tiết kim loại trong khoảng nhiệt độ từ 400 đến 1200
o
C
. Có thể tạo đợc các hợp kim, hoặc các hợp chất nhờ các phản ứng hoá học với
plasma và với vật liệu chi tiết.
. Cho phép sử dụng đợc thiết bị và công nghệ tơng đối đơn giản mà chất lợng
lớp phủ vẫn bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật.
. Sử dụng đợc các thiết bị sẵn có (thấm nitơ ion hoá chẳng hạn).
Thiết bị hoá bụi catôt vào phủ ion ở nhiệt độ cao trình bày trên hình 4.13. bao
gồm















Hình 4.13. Hoá bụi catôt nhiệt độ cao


1 . Buồng phản ứng hai lớp bằng thép chịu nhiệt.
2 . Cible-chất phủ thể rắn
3 . Nguồn cấp điện cho cible, U
3
= 2- 10 kV
4 . Nguồn cấp điện cho chi tiết, U
4
= 0,05 - 1 kV
5 . Bàn gá chi tiết phủ dạng quay
6 . Anôt dạng lới
7 . Nguồn phận cấp điện cho anôt, U
7
= 50-100 V
8 . Che cực
9 . Hệ thống cấp khí, 10- cửa đa khí vào,11- bơm
Bớc một tạo plasma :
. Bơm chân không hút hết không khí ra.
. Đa khí hoạt tính vào, NH
3
với áp suất P = 1-10 Pa
Chụp che anôt
Chi tiết
Kim loại
Bơm
Khí vào
+
2-10 kV
0,05-1 kV
50-100V

Các công nghệ PVD, Hà nội 3-2004


12
. Điều chỉnh U
3,
U
4
, U
7
để tạo phóng điện phát quang ở chế độ bất thờng.
Quan sát nhiệt độ và giữ không đổi ở 700
o
C đối với trờng hợp phủ TiN lên thép gió.
Bớc hai tạo lớp phủ :
. Bật bàn quay gá mẫu để quay tròn (và quay vệ tinh nếu cần)
. Kéo chụp che cực lên để hệ thống phủ làm việc
. Tính thời gian tuỳ theo tốc độ phủ và chiều dầy cần thiết (khi phủ TiN lên thép
gió, tốc độ phủ ở chế độ tối u trung bình là 20 àm/h)
Kết thúc và lấy sản phẩm :
. Cắt nguồn U
4
, U
4
, U
7

. Hạ chụp che cực xuống
. làm nguội và lấy sản phẩm.
Để tăng tốc độ phủ, vật liệu phủ đợc nung nóng bằng nguồn điện riêng, đợc

hoá bụi và ion hoá trong từ trờng và đợc chi tiết đón trực tiếp. Một phơng án khác
đợc phát triển mạnh ở Hoa kỳ và Nga là catôt (cible) đợc chia nhỏ và phân bố đều
xung quanh gá chi tiết dạng quay (hình 4.14). Mỗi catôt nhỏ đợc hoá bụi bằng một
nguồn điện riêng.














Hình 4.14. Hoá bui catôt bằng hồ quang
+ -
+ -
+ -
-+
-+
-+
()
cấp khí
bơm
chất phủ