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物理蒸着法（PVD）は、物理蒸気輸送法（PVT ）とも呼ばれ、金属、セラミック、ガラス、ポリマーなどの基板上に薄膜やコーティングを生成するために使用できるさまざまな真空蒸着法を指します。PVDは、材料が凝縮相から気相に遷移し、その後再び薄膜凝縮相に戻るプロセスが特徴です。最も一般的なPVDプロセスは、スパッタリングと蒸発です。PVDは、光学的、機械的、電気的、音響的、または化学的機能のために薄膜を必要とするアイテムの製造に使用されます。例としては、薄膜太陽電池などの半導体デバイス、[1]、薄膜バルク音響共振器などの微小電気機械デバイス、食品包装や風船用のアルミニウム化PETフィルム、[2]、金属加工用の窒化チタンコーティングされた切削工具などがあります。製造用のPVDツールの他に、主に科学的目的で使用される特別な小型ツールが開発されています。[3]
部品を保持するために使用される固定具を含む、真空チャンバー内部のその他のほとんどの表面にも、原材料が必然的に堆積します。これをオーバーシュートと呼びます。
例
- 陰極アーク蒸着: ターゲット（ソース）材料に放電される高出力の電気アークによって、一部が高度にイオン化された蒸気に吹き飛ばされ、ワークピースに蒸着されます。
- 電子ビーム物理蒸着法: 蒸着する材料は「高」真空中で電子衝撃によって高蒸気圧に加熱され、拡散によって輸送されて（より冷たい）ワークピース上に凝縮して蒸着されます。
- 蒸発堆積法：堆積させる物質は「高」真空中で電気抵抗加熱によって高蒸気圧まで加熱される。[4] [5]
- 近接空間昇華では、材料と基板を互いに近づけて放射加熱します。
- パルスレーザー蒸着法: 高出力レーザーがターゲットから物質を除去して蒸気にします。
- 熱レーザーエピタキシー: 連続波レーザーが個々の独立した元素源を蒸発させ、基板上に凝縮します。
- スパッタ堆積: グロープラズマ放電 (通常は磁石によって「ターゲット」の周囲に局在化) により材料が衝撃を受け、一部が蒸気としてスパッタされ、その後の堆積に使用されます。
- パルス電子堆積: 高エネルギーのパルス電子ビームがターゲットから材料を除去し、非平衡条件下でプラズマ流を生成します。
- 昇華サンドイッチ法：人工結晶（炭化ケイ素、SiC）の成長に使用されます。
指標とテスト
PVD コーティングの物理的特性を測定するには、次のようなさまざまな薄膜特性評価技術を使用できます。
- カロテスター：コーティング厚さ試験
- ナノインデンテーション：薄膜コーティングの硬度試験
- ピンオンディスク試験機：摩耗および摩擦係数試験
- スクラッチテスター：コーティング密着性試験
- X線マイクロアナライザー：成長表面の構造的特徴と元素組成の不均一性の調査[6]
他の堆積技術との比較
利点
- PVD コーティングは、電気メッキプロセスで塗布されるコーティングよりも硬く、耐腐食性に優れている場合があります。ほとんどのコーティングは、耐熱性と耐衝撃性に優れ、耐摩耗性に優れており、耐久性が非常に高いため、保護トップコートが必要になることはほとんどありません。
- PVD コーティングは、多種多様な仕上げを使用して、同様に多様な基板および表面に、事実上あらゆる種類の無機コーティング材料および一部の有機コーティング材料を使用することができます。
- PVDプロセスは、電気メッキや塗装などの従来のコーティングプロセスよりも環境に優しいことが多い。[7]
- 特定のフィルムを堆積するには、複数の手法を使用できます。
- PVDは化学蒸着法（CVD）や他の熱処理法に比べて低温で行うことができます。 [8]そのため、プラスチックや特定の金属など温度に敏感な基板を損傷や変形を起こさずにコーティングするのに適しています。[9]
- PVD技術は、小規模な研究室から大規模な産業システムまで拡張可能で、さまざまな生産量や規模に柔軟に対応できます。この拡張性により、研究用途と商業用途の両方で利用できます。[8]
デメリット
- 特定の技術によって制約が課されることがあります。たとえば、視線転送はほとんどの PVD コーティング技術の典型ですが、一部の方法では複雑な形状を完全にカバーできます。
- 一部の PVD 技術は高温および真空で動作するため、操作担当者による特別な注意が必要であり、場合によっては大きな熱負荷を放散するための冷却水システムも必要になります。
アプリケーション
異方性ガラス
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PVDは、有機半導体用の低分子量の異方性ガラスの製造に応用できます。[10]このタイプのガラスの形成を可能にするために必要なパラメーターは、ガラスの自由表面での分子の移動性と異方性構造です。[10]ポリマーの構成は、追加された分子が堆積によって材料を埋める前に、より低いエネルギー状態に配置する必要があるため重要です。構造に分子を追加するこのプロセスは、平衡状態になり、質量とかさばりが増加して運動安定性が向上します。[10]ここでのPVDによる分子のパッキングは正面、つまり長い尾端ではなく、パイ軌道のさらなる重なりを可能にし、追加された分子と結合の安定性も向上します。これらの追加された材料の方向は、分子が堆積または分子から抽出されるときの温度に主に依存します。[10]分子の平衡により、ガラスに異方性特性がもたらされます。これらのガラスの異方性は、より高い電荷キャリア移動度を可能にするため価値があります。[10]ガラスに異方性充填するこのプロセスは、その汎用性と、ガラスが結晶を超えた均質性や組成の柔軟性などの追加の利点を提供するという事実により価値があります。
装飾用途
PVD では、組成と処理時間を変えることで、ステンレス鋼にさまざまな色を生成できます。結果として得られる着色ステンレス鋼製品は、真鍮、青銅、その他の金属や合金のように見えます。この PVD 着色ステンレス鋼は、ニューヨーク市のVessel彫刻や上海の外灘などの建物や構造物の外装材として使用できます。また、内装のハードウェア、パネル、備品にも使用され、iPhone や Apple Watch のスペース グレーやゴールド仕上げなど、一部の消費者向け電子機器にも使用されています。[引用が必要]
切削工具
PVDは、鋼切削工具の表面の耐摩耗性を高め、工具とワークピース間の接着や固着のリスクを減らすために使用されます。これには、金属加工やプラスチック射出成形に使用される工具が含まれます。[11] ：2 コーティングは通常、非常に高い硬度と低い摩擦を持つ4μm未満の薄いセラミック層です。脆化を避けるためにコーティングの寸法安定性を確保するには、ワークピースの硬度を高くする必要があります。コーティングの耐荷重性を高めるために、PVDと鋼のプラズマ窒化処理を組み合わせることが可能です。 [11] ：2 プラスチック成形金型のPVDコーティングには、窒化クロム（CrN）、窒化チタン（TiN）、炭窒化チタン（TiCN）を使用できます。[11] ：5
その他のアプリケーション
PVD コーティングは、一般的に硬度の向上、耐摩耗性の向上、酸化防止に使用されます。また、美観向上の目的にも使用できます。そのため、このようなコーティングは、次のような幅広い用途で使用されています。
参照
- HPCVD – 薄膜堆積技術
- 化学蒸着法 – 表面コーティングを施す方法
- イオンプレーティング – 固体表面をイオンでコーティングする方法
- 薄膜堆積 – 材料の薄い層– 材料の薄い層の堆積
- イオンビームアシスト堆積 - 材料工学技術
参考文献
- ^ Selvakumar, N.; Barshilia, Harish C. (2012 年 3 月 1 日). 「中温および高温太陽熱用途向け物理蒸着 (PVD) スペクトル選択コーティングのレビュー」(PDF) .太陽エネルギー材料および太陽電池. 98 : 1–23. doi :10.1016/j.solmat.2011.10.028.
- ^ ハンロン、ジョセフ F.、ケルシー、ロバート J.、フォーシニオ、ハリー (1998 年 4 月 23 日)。「第 4 章 コーティングとラミネーション」。パッケージ エンジニアリング ハンドブック第 3 版。CRC プレス。ISBN 978-1566763066。
- ^ Fortunato, E.; Barquinha, P.; Martins, R. (2012 年 6 月 12 日). 「酸化物半導体薄膜トランジスタ: 最近の進歩のレビュー」. Advanced Materials . 24 (22): 2945–2986. doi : 10.1002/adma.201103228 . ISSN 1521-4095. PMID 22573414. S2CID 205242464.
- ^ He, Zhenping; Kretzschmar, Ilona (2013 年 12 月 6 日)。「テンプレート支援 GLAD: パッチ形状を制御した単一および複数パッチのパッチ状粒子へのアプローチ」。Langmuir . 29 ( 51): 15755–15761. doi :10.1021/la404592z. PMID 24313824。
- ^ He, Zhenping; Kretzschmar, Ilona (2012 年 6 月 18 日). 「均一なパッチを持つパッチ状粒子のテンプレート支援製造」. Langmuir . 28 (26): 9915–9919. doi :10.1021/la3017563. PMID 22708736.
- ^ Dunaev AA、Egorova IL (2015)。「物理蒸着法で得られた多結晶セレン化亜鉛の特性と光学的応用」。情報技術、機械、光学の科学技術ジャーナル。15 (3): 449–456。doi : 10.17586 /2226-1494-2015-15-3-449-456。
- ^ Green, Julissa (2023年9月1日). 「電子ビーム蒸着VS熱蒸着」スタンフォード先端材料研究所。 2024年7月8日閲覧。
- ^ ab Donald M. Mattox (2010). 「第 1 章 : はじめに」.物理蒸着 (PVD) 処理ハンドブック (第 2 版) . William Andrew Publishing. pp. 1–24. ISBN 9780815520375。
- ^ Mikell P. Groover (2019)。「第24章：表面処理アプリケーション」。現代の製造業の基礎：材料、プロセス、システム、第7版。Wiley。p.648。ISBN 9781119475217。
- ^ abcde Gujral, Ankit; Yu, Lian; Ediger, MD (2018年4月1日). 「異方性有機ガラス」. Current Opinion in Solid State and Materials Science . 22 (2): 49–57. Bibcode :2018COSSM..22...49G. doi : 10.1016/j.cossms.2017.11.001 . ISSN 1359-0286. S2CID 102671908.
- ^ abc 「UDDEHOLM TOOL STEEL FOR PVD COATINGS」（PDF） . 2020年。
さらに読む
- Anders, André 編 (2000 年 10 月 3 日)。プラズマ浸漬イオン注入および堆積ハンドブック。Wiley- VCH。ISBN 978-0471246985。
- バッハ、ハンス、クラウス、ディーター（2003年7月10日）。ガラス上の薄膜。シュプリンガー。ISBN 978-3540585978。
- Bunshah, Roitan F (1994 年 12 月 31 日)。フィルムおよびコーティングの堆積技術ハンドブック(第 2 版)。William Andrew Publishing。ISBN 978-0815517467。
- グレイザー、ハンス・ヨアヒム (2000)。大面積ガラスコーティング。フォン・アルデンヌ・アンラーゲンテクニックGMBH。ISBN 978-3000049538。
- Glocker, D; Shah, S (2001 年 12 月 17 日)。薄膜プロセス技術ハンドブック。CRC プレス。ISBN 978-0750308328。
- マハン、ジョン E (2000 年 2 月 1 日)。薄膜の物理蒸着。Wiley -Interscience。ISBN 978-0471330011。
- マトックス、ドナルド M. (2010 年 5 月 19 日)。物理蒸着 (PVD) 処理ハンドブック(第 2 版)。ウィリアム アンドリュー出版。ISBN 978-0-815-52037-5。
- マトックス、ドナルド M (2004 年 1 月 14 日)。真空コーティング技術の基礎。ウィリアム アンドリュー出版。ISBN 978-0815514954。
- Mattox, Donald M.; Mattox, Vivivenne Harwood (2007)。真空コーティング技術の 50 年と真空コーティング協会の成長。真空コーティング協会。ISBN 978-1878068279。
- オーリング、ミルトン（2001年10月26日）。薄膜の材料科学、第2版。アカデミックプレス。ISBN 978-1493301720。
- Powell, Carroll F.; Oxley, Joseph H.; Blocher, John Milton (1966). Klerer, J. (ed.). 「蒸着」. Journal of the Electrochemical Society . 113 (10). The Electrochemical Society: 226–269. ASIN B007T4PDL6. Bibcode :1966JElS..113..266P. doi :10.1149/1.2423765.
- スナイダー、ティム (2013 年 5 月 6 日)。「PVD ホイールとは何か - NASA に聞く」。4wheelonline.com。4WheelOnline.com。2019年10月 3 日閲覧。
- ウェストウッド、ウィリアム D (2003)。『スパッタ堆積 - AVS 教育委員会書籍シリーズ、第 2 巻』。教育委員会、AVS。ISBN 978-0735401051。
- ウィリー、ロナルド R (2007 年 12 月 15 日)。光学薄膜の実用的な監視と制御。ウィリー光学コンサルタント。ISBN 978-0615181448。
- ウィリー、ロナルド R (2007 年 10 月 27 日)。光学薄膜の実用装置、材料、プロセス。ウィリー光学コンサルタント。ISBN 978-0615143972。
外部リンク
- 「真空コーティング協会」。svc.org。真空コーティング協会。 2019年10月3日閲覧。
- Raghu, Saril (2009年4月19日). 物理蒸着法ツール. YouTube.com. 2021年12月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年10月3日閲覧。