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薄膜人生

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金属薄板带钢大面积高速电子束沉积  

2010-04-16 10:04:43|  分类: 镀膜技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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金属材料薄板和带钢(Sheets and Strips)生产,尤其是钢铁材料薄板盘条生产,是国家支柱产业之一。镀膜是薄板带钢增值的最重要工艺流程之一。目前传统方法主要有热浸渍和电镀。这种连续生产线设备投资惊人,往往是进口设备。

 

与热浸渍和电镀相比,真空镀膜有以下优势:

 

1、可镀各种金属,化合物,陶瓷等

 

2、镀膜质量好。

 

3、无环境污染,属绿色技术。

 

但是金属薄板带钢大面积镀膜也有其不足:

 

1、传统金属薄板带钢大面积镀膜方法工艺成熟稳定,不容易轻易被更换。

 

2、真空金属薄板带钢大面积镀膜设备投资更加大。

 

3、工艺还待摸索。

 

虽然金属真空大面积镀膜在其它行业已有广泛成功地应用,如大型玻璃镀膜,塑料和电容纸卷绕镀膜,大显示器镀膜等。金属薄板带钢大面积镀膜有其独特难点:

 

1、镀膜速度要求达到20微米/秒。

 

2、薄板带钢镀膜运行速度达几百米/分。

 

3、膜层不均匀性达5%。

 

4、工件宽度达一米以上。

 

5、结合力好。

 

6、膜层致密。

 

7、连续镀膜。

 

8、不间断镀膜时间达一星期以上。

 

由以上要求,能适合的真空镀膜工艺只有电子枪镀膜和磁控溅射镀膜。到目前为止,磁控溅射的镀膜速度还比不上电子枪。所以金属薄板带钢大面积沉研发目前主要集中在高速电子枪沉积技术上(Electron Bean High-rate Deposition,EBHD)。由于金属薄板带钢大面积高速电子束镀膜技术十分复杂,设备投资巨大,目前世界上只有最富盛名的德国镀膜研究机构弗劳霍夫研究院(Fraunhofer Institut)开发了一条金属薄板带钢大面积高速电子束镀膜中试生产线。以下将他们的成果作一介绍。

 

与金属薄板带钢大面积高速电子束镀膜所需的大功率电子枪相似的电子枪实际上已有工业应用。如Applied Film和莱宝光学的大功率电子枪已达上百千瓦。但金属薄板带钢大面积高速电子束镀膜还有两个更大的挑战:离子源前处理和等离子体激活蒸发。

 

普通光学镀膜和其它高档镀膜前处理往往采用考夫曼或阳极层离子源。但由于金属薄板带钢大面积高速电子束镀膜的宽度和工件运行速度要求而用不上。

 

大功率电子枪在高速下沉积的膜微观结构呈柱簇转,十分疏松,抗腐蚀性极差。自有采用等离子激活蒸发才能使镀膜致密,结合力好。目前等离子激活蒸发技术进展不错。已经有以下三项技术:

 

 

 

1、无束斑弧流激活沉积(Spotless arc Activiated Deposition,SAD):大功率电子枪配有特殊的真空弧流装置。膜料蒸发最热点在束流的阴极起点。对于金属材料,特别是高熔点金属,阴极起点是一团而不像传统弧流集中在1平方毫米的一点内。由于束流来自蒸发材料最热处,因而随电子束偏转。不用其它辅助装置就实现了大面积等离子激活蒸发镀膜。当等离子束流达几千安培时,就可以以微米/秒的速度沉积钛。

 

2、棒阴极激活沉积(Rod cathode Activiated Deposition,RAD):当某些金属和合金在蒸发状态不能生成团雾时,可用棒阴极激活。团雾起点在高熔点金属阴极,如钨棒端点点起。钨棒不会在蒸发材料雾化温度溶化。电子束周期性的加热坩埚内的材料和阴极棒端点。弧流的阳极由坩埚构成。蒸发材料等离子活化实际上产生在阳极部分。这一方法不需起弧气体,而且往往几个棒可布置得垂直于运行工件,大面积镀膜就可以实现。当束流达几百安培时,镀不锈钢的速度可达0.5微米/秒,离子流密度可达150毫安/平方厘米。

 

3、空心阴极激活沉积(Hollow cathode Activiated Deposition,HAD):该空心阴极往往平行于工件。这一方法特别适合反应镀膜,如氧化硅和氧化铝。通常每个空心阴极束流达200安培。三氧化二铝的沉积速度可达50~120纳米/秒。束流密度达30~50毫安/平方厘米。

 

实际上金属薄板带钢大面积高速电子束镀膜的最大难点还在前处理离子源。主要是宽度和工件运行速度。传统清洗离子源用不上。弗劳霍夫最近开发了一种脉冲等离子激活处理(Pulse plasma Activiated Treatment,PAT)技术。在接地的工件背后放置一环形缝隙磁场。磁场穿透被镀薄板。在薄板另一边有一栅网空心阳极。阳极处电流以10~30kHz频率脉冲。结果显示这一装置可在大面积内实现15纳米/秒的刻蚀速度

 

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