靶基距和锭料蒸发速率对沉积薄板厚度均匀性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)哈工大特种环境复合材料技术国家级重点实验室 作者:宋广平

  电子束物理气相沉积技术被采用制备大尺寸高温合金薄板,靶基距和不同坩埚中锭料蒸发速率对厚度均匀性的影响规律被研究。研究结果表明,靶基距对锭料的有效蒸发效率和厚度均匀性具有重要影响。靶基距低,有效蒸发效率高,反之,靶基距高,有效蒸发效率低。靶基距与锭料的有效蒸发效率成反比关系。调整不同坩埚中锭料蒸发速率,可获得不同的薄板厚度分布。当靶基距为h = 50 cm,2 号坩埚蒸发量为83%,4 号坩埚蒸发量为17% 时,沉积薄板厚度分布均匀性最好,在r≤450 mm 范围内薄板厚度分布满足国家薄板厚度公差标准。理论计算与实验结果相符合表明模型合理。

  电子束物理气相沉积(EBPVD)是真空沉积技术的一种,是利用高能电子束加热目标靶材料熔化蒸发,蒸气以原子或原子团形式凝结到目标基体上形成薄膜,具有蒸发速率高、无污染和成分易于控制等特点,被广泛应用于薄膜与涂层的制备。采用该方法制备的陶瓷热胀涂层,可获得平行于生长方向的柱状晶组织,具有良好的抗热震性能,可大幅提高涂层的热疲劳抗力和高温条件下的使用寿命,近些年来采用该项技术制备热障涂层一直是各国研究热点。随着EBPVD 技术的进步和某些功能材料发展的需要,EBPVD 作为一种气相凝铸净成型技术,在一些大尺寸难轧制极薄板材料和精密零件制备等方面取得了很大进展。

  大尺寸薄板材料的厚度分布均匀性是其应用的一个重要指标,均匀性的好坏决定了其应用前景。同时,由于沉积的是大尺寸体材料,靶材的消耗量巨大,因而靶材有效蒸发效率作为生产成本的一个重要考量参数,对沉积过程经济性具有重要意义。有效蒸发效率是指锭料凝结在基板上的质量与锭料蒸发出来的质量比值。因此有必要从理论上对其厚度分布进行分析与计算,并对沉积薄板的板形和有效蒸发效率进行预测和设计。

  本工作根据真空蒸镀中小面源具有方向性的发射特性,即余弦角度分布(Knudsen) 规律,同时结合EBPVD 自身发射特点,建立了一个多锭料蒸发理论模型,讨论了靶基距和不同坩埚蒸发速率对厚度均匀性和有效蒸发效率的影响,并对实际沉积薄板厚度分布进行了预测。

  1、理论模拟

  为了方便厚度分布理论模型计算,三个假设被设定,如下:

  (1) 因真空室气压较低,分子平均自由程远大于坩埚到基板表面的距离,因而忽略蒸发粒子与残余气体粒子碰撞引起的散射,蒸发粒子运动遵循直线方式;

  (2) 忽略蒸发粒子间发生碰撞;

  (3) 当蒸发粒子与基板发生碰撞,蒸发粒子瞬间凝结在基板表面。

  4、结论

  (1) EBPVD 净成型技术制备大尺寸高温合金薄板,坩埚位置、靶基距和不同锭料蒸发速率对薄板厚度均匀性和有效蒸发效率具有重要影响。

  (2) 坩埚位置距离基板中心投影位置近,有效蒸发效率高,反之,有效蒸发效率低。

  (3) 靶基距低,有效蒸发效率高,反之,靶基距高,有效蒸发效率低。靶基距与锭料的有效蒸发效率成反比关系。

  (4) 调整不同锭料蒸发速率,可获得不同薄板厚度分布。当靶基距为h = 50 cm,2 号坩埚蒸发量为83%,4 号坩埚蒸发量为17% 时,沉积薄板厚度分布均匀性最好,在r≤450 mm 范围内薄板厚度分布满足国家标准。

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