CN114686825A - 控制pvd镀膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种控制PVD镀膜的方法，包括：将工件置于PVD镀膜设备中，镀膜设备包括靶材，在镀膜设备中通入惰性气体；以及在靶材上施加电能以产生辉光放电，激发惰性气体产生正离子，正离子轰击靶材以产生靶材原子，靶材原子沉积在工件表面形成镀膜；在工件上施加负偏压以使正离子反溅射沉积在工件表面的靶材原子以控制镀膜速度，进而控制镀膜的厚度；其中，负偏压的电压值绝对值大于等于500V。
Description
技术领域
本申请涉及PVD领域，尤其涉及一种控制PVD镀膜的方法。
背景技术
随着消费类电子产品的普及，消费者对电子产品的颜色也有越来越高的要求。电子产品的颜色主要是通过不同颜色的壳体来实现。其中，使用PVD镀膜方式对壳体工件进行镀膜，形成干涉膜，通过控制PVD干涉膜层的厚度来实现壳体工件的不同颜色。但一些颜色的厚度窗口非常窄，若超出该厚度窗口，则可能变成另外一种颜色，导致一些颜色很难工厂化生产。如何能精确控制镀层厚度，以精准控制镀层颜色成为亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种控制PVD镀膜的方法，以解决精确控制镀层厚度的问题。
一种控制PVD镀膜的方法，包括：
将工件置于PVD镀膜设备中，镀膜设备包括靶材，在镀膜设备中通入惰性气体；以及
在靶材上施加电能以产生辉光放电，激发惰性气体产生正离子，正离子轰击靶材以产生靶材原子，靶材原子沉积在工件表面形成镀膜；
在工件上施加负偏压以使正离子反溅射沉积在工件表面的靶材原子以控制镀膜的厚度；
其中，负偏压的电压值绝对值大于等于500V。
在本申请一些实施方式中，控制PVD镀膜的方法还包括：
向PVD镀膜设备中通入反应气体，以与靶材原子反应，生成靶材化合物镀膜，镀膜设备中的总气压的压力范围为0.05kPa～0.15kPa，反应气体分压的压力范围为0.01kPa～0.035kPa。
在本申请一些实施方式中，施加在靶材上的电能的功率范围为大于或等于5kW。
在本申请一些实施方式中，在工件上施加的负偏压的范围为-1000V～-500V。
在本申请一些实施方式中，惰性气体为氩气。
在本申请一些实施方式中，靶材的成分包括硅。
在本申请一些实施方式中，控制PVD镀膜的方法还包括：
向PVD镀膜设备中通入反应气体，反应气体选自氮气、氧气和碳原子数小于或等于4的烃中的至少一种。
在本申请一些实施方式中，在靶材上施加磁场。
在本申请一些实施方式中，靶材上施加的磁场的强度范围为2000G～4000G。
在本申请一些实施方式中，工件的材料包含金属、玻璃或者塑料。
本申请提供的控制PVD镀膜的方法，在靶材上施加电压以激发惰性气体产生轰击靶材的正离子，靶材被轰击后产生用于形成镀层的靶材原子并沉积在工件表面；通过在工件上施加负偏压，以使正离子同时具有轰击形成在工件表面的镀层的作用，即溅射与反溅射同时进行，降低靶材原子在工件表面的镀膜速度，从而可以很好的控制镀膜速度，进而精确控制镀膜的厚度，也能更精准的控制镀膜的颜色。
附图说明
图1为本申请一些实施方式提供的控制PVD镀膜的方法的流程图。
图2为本申请一些实施方式中形成镀膜的原理示意图。
主要元件符号说明
| 靶材 | 100 |
| 工件 | 200 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。
请参阅图1以及图2，本申请实施例提供一种控制PVD镀膜的方法，用于控制形成于工件表面的镀层速度，进而精确控制镀层厚度，从而精密控制镀层的颜色。
在一些实施方式中，一些颜色的厚度窗口非常窄，例如紫色的厚度窗口为20nm-40nm，超出这个厚度窗口，即使是2nm-3nm的微小厚度差都有色差，因此能够运用在结构复杂的工件200的装饰干涉镀膜都常只有蓝色或蓝色系；平面工件200上则会有较多的颜色可以选择。由于本申请可以精确控制镀膜速度，因此可精确控制镀层厚度，从而得到紫色颜色。
控制PVD镀膜的方法包括步骤S10-S30。
步骤S10：将工件200置于PVD镀膜设备中，镀膜设备包括靶材100，在镀膜设备中通入惰性气体。
步骤S20：在靶材100上施加电能以产生辉光放电，激发惰性气体产生正离子，正离子轰击靶材100以产生靶材原子，靶材原子沉积在工件200表面以形成镀膜。
步骤S30：在工件200上施加负偏压以使正离子反溅射沉积在工件200表面的靶材原子，其中，负偏压的电压值绝对值大于或等于500V。
在步骤S10中，PVD镀膜包括但不限于溅镀、离子镀和磁控溅射等方式。
在一些实施方式中，工件200的材料可以选组金属(包括不锈钢、金属合金等)、玻璃、塑料等。
惰性气体化学性质稳定，不与靶材100以及后续加入的气体反应。在一些实施方式中，惰性气体为氩气(Ar)，氩气被激发后产生Ar+和电子。
靶材100的成分包括硅。其中，硅以及与硅形成的化合物的化学稳定性好。
在步骤S20中，施加在靶材100上的电能的功率范围大于或等于5kW，以增加激发惰性气体产生正离子的能量，从而产生更多的正离子。
在步骤S30中，在工件200上施加的负偏压，可降低靶材原子在工件200表面的镀膜速度，从而控制镀膜的厚度。负偏压的范围为-1000V～-500V。其中，负偏压在一定范围内，有利于维持靶材原子溅射镀膜与正离子反溅射轰击工件200表面的平衡，从而控制镀膜速度。
在一些实施方式中，在步骤S10之后，还包括步骤S11：向PVD镀膜设备中通入反应气体，以与沉积在工件表面的靶材原子反应，生成靶材化合物镀膜，镀膜设备中的总气压的压力范围为0.05kPa～0.15kPa，反应气体分压的压力范围为0.01kPa～0.035kPa。
可以通过惰性气体与反应气体的流速调节PVD镀膜设备整体气压的大小。其中，反应气体的分压小，可减少反应气体在PVD镀膜设备中的含量，防止过量的反应气体与靶材100反应产生不容易被轰击的化合物并负载于靶材100上而导致靶材100中毒。反应气体可与镀层上的靶材原子反应，生成气体元素和靶材元素组成的化合物。
反应气体选自氮气、氧气和碳原子数小于或等于4的烃中的至少一种。以靶材100的成分为硅为例，反应气体与硅反应后可以生成氮化挂、二氧化硅、碳化硅等。
在一些实施方式中，控制PVD镀膜的方法还包括在靶材100上施加磁场的步骤，其中，磁场的存在会增加电子的运动路径，增加电子的存活时间，从而增加电子与惰性气体的碰撞几率，以产生更多的Ar+轰击靶材100和工件200。
靶材100上施加的磁场的强度范围为2000G～4000G。控制磁场强度的大小，既可以防止Ar+的数量过多，靶材100被轰击过多，导致镀膜速度过快而无法控制镀膜厚度；又可以避免Ar+的数量过少，导致镀膜速度过于缓慢而增加成本(例如时间、能耗等)。
以下通过具体的实施例以及对比例来对本申请进行说明。需要说明的是，以下实施例和对比例采用的工件200的材质包括不锈钢，且工件200的表面均具有打底层以及过渡层，以更加工件200与后续形成的镀层的结合力。
实施例1-1至1-4用于对比反应气体对镀膜速度的影响。具体见下：
实施例1-1
提供不锈钢工件200，将工件200置于PVD镀膜设备中，在PVD镀膜设备中分别通入氩气(Ar)、乙炔(C2＝H2)及氮气(N2)，氩气、乙炔和氮气的流速分别为300sccm、70sccm以及10sccm，以使PVD镀膜设备的总气压为0.15kPa。反应气体分压即乙炔和氮气占总气体的分压，计算公式为：反应气体分压＝总气压*((乙炔流速+氮气流速)/(氩气流速+乙炔流速+氮气流速))，即反应气体分压＝0.15kPa*((70sccm+10sccm)/(300sccm+70sccm+10sccm))。以硅为靶材元素，在靶材100上施加电能以激发氩气产生辉光放电，其中，施加在硅靶材上的电能的功率为7.5kW；对工件200施加-1000V的负偏压；对靶材100施加磁场强度为4000G的磁场。整个镀膜时间为120min。最后测试形成在工件200表面的镀层厚度以计算镀膜速度以及颜色，同时监控靶材电压。
实施例1-2
与实施例1-1不同的是：氩气的流速为300sccm，总气压为0.1kPa。
实施例1-3
与实施例1-1不同的是：氩气的流速为100sccm，总气压为0.05kPa。整个镀膜时间为140min。
实施例1-4
与实施例1-1不同的是：氩气的流速为500sccm，总气压为0.2kPa。
对比例1-1
与实施例1-1不同的是：未对工件200施加负偏压。
实施例1-1至1-4以及对比例1-1中的部分区别条件以及测试结果如表1所示。
表1
从表1的测试结果可以看出：实施例1-1至1-4中分别对工件200施加负偏压，对比例1-1未对工件200施加负偏压，对比测试结果显示，由于对比例1-1未对工件200施加负偏压，使得镀膜速度相对较快2.92nm/min，无法稳定控制膜层厚度。
另外，对比实施例1-1至1-4的处理条件以及测试结果，实施例1-2与1-3的镀膜速度小于实施例1-1与1-4的镀膜速度，这主要是因为当反应气体(乙炔以及氮气)的流速均相同(分别为70sccm和10sccm)时，通过氩气的流量，来控制PVD镀膜设备中的总气压。其中，反应气体的分压越低，镀膜速度越慢，越容易控制颜色在紫色的色域范围。
实施例2-1、2-2以及对比例2-1用于比较工件偏压对镀膜速度的影响。具体区别条件见下：
实施例2-1
与实施例1-2不同的是：对工件200施加-500V的负偏压。
实施例2-2
与实施例1-2不同的是：对工件200施加-700V的负偏压。
对比例2-1
与实施例1-2不同的是：对工件200施加-150V的负偏压。
实施例1-2、2-1、2-2以及对比例2-1中的部分区别条件以及测试结果如表2所示。
表2
从表2的测试结果可以看出：施加在工件200上的负偏压在一定范围内，有利于控制形成于工件200表面的镀层速度，基本稳定在小于1nm/min的范围内，可实现精准控制。但负偏压的电压值(例如-150V)的绝对值过小，没有足够的正离子轰击形成于工件200表面的镀层，则无法形成反溅射，导致镀膜速度快(2.05nm/min)；同时由于辉光放电形成的等离子体中，反应气体原子也会形成正离子，而工件200的负偏压的电压绝对值过小，就会工件200上的负偏压形成的电场牵引力弱，导致反应气体形成的正离子无法快速沉积在工件200的表面，反而会使反应气体形成的正离子大量沉积在靶材100的表面并与靶材100反应，导致靶材100表面的靶材原子与反应气体生成反应气体化合物进而导致靶材电压下降，靶材100的性能下降，又由于工件200仍有负偏压，故不至于使靶材100中毒。
实施例3-1至3-3以及对比例3-1用于比较磁场对镀膜速度的影响。具体区别条件见下：实施例3-1
与实施例1-2不同的是：对靶材100施加磁场强度为2000G的磁场。
实施例3-2
与实施例1-2不同的是：对靶材100施加磁场强度为1000G的磁场。
实施例3-3
与实施例1-2不同的是：对靶材100施加磁场强度为5000G的磁场；整个镀膜时间为200min。
实施例1-2、3-1至3-3中的区别条件以及测试结果如表3所示。
表3
从表3的测试结果可以看出：通过控制磁场强度，可以控制形成于工件200表面的镀层速度。其中，磁场强度太低，很难镀膜，颜色也不好控制；磁场强度增大，镀层厚度可控；磁场强度太大导致电子围绕靶材运动的速度加快，电子会有更多机会碰撞氩气分子生成更多氩离子，更多氩离子轰击靶材，使得产生的靶材原子或靶材离子增多，镀膜速度增大，导致膜层厚度相对较难控制，所得镀层偏厚，镀层颜色呈现偏蓝的趋势。
本申请提供的控制PVD镀膜的方法，在靶材100上施加电能以激发惰性气体产生轰击靶材100的正离子，靶材100被轰击后产生用于形成镀层的靶材原子并沉积在工件200表面；通过在工件200上施加负偏压，以使正离子同时具有轰击形成在工件200表面的镀层的作用，即溅射与反溅射同时进行，降低靶材原子在工件200表面的镀膜速度，从而可以很好的控制镀膜速度，进而精确控制镀膜的厚度，也能更精准的控制镀膜的颜色。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种控制PVD镀膜的方法，包括：
将工件置于PVD镀膜设备中，所述镀膜设备包括靶材，在所述镀膜设备中通入惰性气体；以及
在所述靶材上施加电能以产生辉光放电，激发所述惰性气体产生正离子，所述正离子轰击所述靶材以产生靶材原子，所述靶材原子沉积在所述工件表面形成镀膜；
在所述工件上施加负偏压以使所述正离子反溅射沉积在所述工件表面的靶材原子以控制所述镀膜的厚度；
其中，所述负偏压的电压值绝对值大于等于500V。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
向所述PVD镀膜设备中通入反应气体，以与所述靶材原子反应，生成靶材化合物镀膜，镀膜设备中的总气压的压力范围为0.05kPa～0.15kPa，反应气体分压的压力范围为0.01kPa～0.035kPa。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加在所述靶材上的电能的功率范围为大于或等于5kW。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述工件上施加的所述负偏压的范围为-1000V～-500V。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述惰性气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述靶材的成分包括硅。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
向所述PVD镀膜设备中通入反应气体，所述反应气体选自氮气、氧气和碳原子数小于或等于4的烃中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述靶材上施加磁场。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述靶材上施加的磁场的强度范围为2000G～4000G。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件的材料选自金属、玻璃或者塑料中的至少一种。
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