E-beam verdamping vs. magnetron sputtering voor optische coatings

Optische coating, als kerntechnologie voor het verbeteren van de prestaties van optische componenten, wordt op grote schaal gebruikt in laserapparatuur, beeldsystemen, fotovoltaïsche apparaten en andere gebieden.De kwaliteit ervan bepaalt rechtstreeks de belangrijkste indicatoren van optische systemen, zoals de doorstraling., reflectie en milieustabiliteit.Elektronenstraal verdamping (E-Beam Verdamping) en Magnetron Sputtering (magnetron Sputtering) zijn twee mainstream fysieke stofafzetting (PVD) technologieën op dit momentIn dit artikel zullen we beginnen met de essentie van de technologie, met de onderstaande aspecten:het systematisch vergelijken van de belangrijkste voordelen en beperkingen van de twee technologieën, en een wetenschappelijke basis bieden voor de processelectie van optische coating.

Beide technieken zorgen voor de migratie en afzetting van atomen/moleculen van het doelmateriaal in een vacuümomgeving.Maar de verschillen in energie-opwinding en overdrachtsmechanismen leggen de basis voor hun latere prestatieverschillen.

Elektronenstraal verdampingstechnologie maakt gebruik van hoogenergetische elektronenstralen als energiedrager. Electrons generated by an electron gun are accelerated by high voltage and then precisely bombshell the surface of the target material placed in a water-cooled crucible under the focusing effect of a magnetic fieldDe kinetische energie van elektronen wordt omgezet in thermische energie, waardoor het doelmateriaal lokaal een gesmolten of verdampte toestand bij hoge temperatuur vormt.Nadat de atomen/moleculen van het gasvormige doelmateriaal van het oppervlak van het doelmateriaal zijn losgekomenDe optische substraat wordt vervolgens op de oppervlakte van het voorbehandelde optische substraat afgezet, waardoor een uniforme film wordt gevormd.watergekoelde smeltkroesjes kunnen chemische reacties tussen het doelmateriaal en de smeltkroes effectief voorkomenDeze eigenschap geeft hen een voordeel bij de bereiding van hoogzuivere films.

Magnetronsputtering is gebaseerd op de principes van gasontlading en ionbombardement.Inert gas (meestal argon) wordt in een vacuümkamer gebracht en opgewonden door een radiofrequentie of een gelijkstroomveld om plasma te vormenOnder invloed van een elektrisch veld versnellen argonionen in het plasma het oppervlak van het doelmateriaal.Het is de bedoeling dat de kern van de kern van de kern in de kern van de kern wordt geconcentreerd en de kern van de kern wordt geconcentreerd.Om de sputteringsefficiëntie te verhogen, zet het apparaat een magnetisch veld achter het doelmateriaal op.,Het bewegingspad van elektronen in het plasma wordt verlengd, waardoor de kans op botsing met argonmoleculen toeneemt, waardoor de dichtheid van het plasma en de sputtering snelheid worden verbeterd.Volgens de verschillende soorten doelmaterialen, kan worden onderverdeeld in DC magnetron sputtering (geschikt voor geleiderdoelen) en RF magnetron sputtering (geschikt voor isolerende doelen).

Optische coating heeft strikte eisen aan de zuiverheid, uniformiteit, dichtheid en spanningsstaat van de film.De prestatieverschillen van de twee technologieën in deze kernindicatoren bepalen rechtstreeks hun toepassingsgebied.

De zuiverheid van de film is een belangrijke factor die van invloed is op de optische prestaties.Elektronenstraal verdamping zorgt voor een hoge zuiverheid door middel van drie puntenTen eerste wordt de energie van de elektronenstraal geconcentreerd op het oppervlak van het doelmateriaal en ontvangt de smeltkroes slechts een kleine hoeveelheid warmte door straling.vermijden van het smelten en de hechting van het doelmateriaal aan de smeltkroesTen tweede heeft het een hogere vacuümgraad (meestal 10 °C).^-6Ten derde kan een precieze verdamping van een enkel doelmateriaal worden bereikt.het vermijden van kruisbesmetting van meerdere doelmaterialenExperimentele gegevens tonen aan dat het onzuiverheidsgehalte van de SiO₂de door verdamping van de elektronenstraal bereidte antireflexfilm is minder dan 50 ppm,terwijl het onzuiverheidsgehalte van het magnetronsputteringproces doorgaans 100-200 ppm bedraagt als gevolg van de resterende gas-ionen in het plasma.

De zuiverheidsgebrek van magnetronsputtering komt voornamelijk voort uit de plasmaomgeving.en de oxidelaag op het doeloppervlak wordt tijdens het sputteringsproces in de film gemengdHoewel het kan worden verbeterd door de vacuümgraad te verhogen en met behulp van pre-sputtering van de doelmaterialen, is het mogelijk om de spuit te vergroten door het gebruik van een andere spuitstof.voor optische films met ultrahoge zuiverheidsvereisten (zoals laserresonante holte lenscoating), is het nog steeds moeilijk om de elektronenstraal verdamping te matchen.

De gelijkvormigheid van de film heeft rechtstreeks invloed op de nauwkeurigheid van de oppervlaktevorm van optische componenten, vooral bij het coachen van grote substraten, het is nog belangrijker.Elektronenstraal verdamping kan een filmdikte afwijking van minder dan ± 1% op een 300 mm diameter substraat bereiken door het draaien van het substraat stadium en het optimaliseren van de elektronstraal scanning padVanwege de kenmerken van de verdampingsbron als "puntbron" is het echter gebruikelijk dat de dikte aan de rand van het substraat verslechtert.Magnetronsputtering presteert beter op grote substraten (zoals 600mm*600mm fotovoltaïsch glas) vanwege de "oppervlaktebron" sputtering kenmerken van het doelmateriaalDe uniformiteit van de dikte kan binnen ± 2% worden gecontroleerd en de dikteverdeling van de filmlaag is dichter bij een rechthoek, met een zwakker rand effect.

In termen van dichtheid heeft magnetronsputtering een voordeel: gespotte deeltjes hebben een hogere kinetische energie (typisch 10 tot 100 keer die van elektronenstraal verdampte deeltjes),en wanneer ze op het substraatoppervlak worden afgezet, kunnen ze sterkere adsorptie- en diffusie-effecten veroorzaken, waardoor een nauwer georganiseerd filmrooster met een dichtheid van meer dan 98% ontstaat.Deze compactheid verbetert de slijtvastheid van de film en de weerstand tegen vocht en hitteBijvoorbeeld het TiO.₂een hoogreflecterende film die is bereid door magnetronsputtering, heeft een afzwakking van de reflectie van minder dan 0,5% na 1000 uur aan 85 °C /85% RH te zijn geplaatst.De dichtheid van de door de elektronenstraal verdampte film ligt meestal tussen de 90% en 95%, en een daaropvolgende gloeibehandeling is nodig om de prestaties te verbeteren, maar dit kan leiden tot veranderingen in de spanning van de film.

De efficiëntie van het proces wordt voornamelijk weerspiegeld in de afzettingshype en de productiecapaciteit.Voor metaaldoelen (zoals aluminium en zilver)Het kan 50nm/s bereiken, terwijl voor oxide-doelen (zoals SiO)₂en TiO₂Bovendien is de hoeveelheid op een gegeven moment geladen doelen beperkt en zijn frequente uitschakelingen voor doelwijzigingen vereist.Het is geschikt voor productie in kleine hoeveelheden en met hoge precisieDe afzetsnelheid van magnetronsputtering is stabieler. De afzetsnelheid van metaaldoelen kan 20 nm/s bereiken, en die van oxide-doelen door middel van reactieve sputtering kan 3-8 nm/s bereiken.Het ondersteunt ook gelijktijdig sputtering van meerdere doelenDe productiecapaciteit van een enkele partij is 3-5 maal zo hoog als bij elektronenstraal verdamping.

In termen van kosten is de aanvankelijke investering in elektronenstraalverdampingsapparatuur relatief hoog (ongeveer 1,5 tot 2 keer die van magnetronsputteringapparatuur van dezelfde specificatie),En de onderhoudskosten van het elektronenpistool zijn hoog.De structuur van de magnetronsputteringapparatuur is relatief eenvoudig.en het doelmateriaal kan 70-80% benutten (terwijl dat van elektronenstraal verdamping slechts 50-60%)De exploitatiekosten op lange termijn zijn lager, waardoor het beter geschikt is voor grootschalige industriële productie.

Op basis van de bovenstaande prestatieverschillen hebben de twee technologieën duidelijke toepassingsdisciplines op het gebied van optische coating gevormd.respectievelijk overeenkomend met verschillende prestatievereisten en productieschalen.

In gebieden waar extreem hoge zuiverheid en optische nauwkeurigheid van dunne films vereist zijn, is elektronenstraal verdamping een onvervangbare keuze.met een vermogen van niet meer dan 50 WHet is noodzakelijk om antireflectiefilms te bereiden met een uiterst laag verlies.₂- Wat is er?₂O₅Meerschaalfilms die zijn bereid door verdamping van elektronenstralen kunnen een lichtabsorptiecoëfficiënt van minder dan 10 hebben.^-6In de infrarooddetectiesystemen van de lucht- en ruimtevaart is het gebruik van de magnetronen in de lucht- en ruimtevaart veel beter dan in de magnetronen.de door verdamping van elektronenstralen vervaardigde Ge-gebaseerde antireflectiefilms kunnen de infrarooddoorlatendheid effectief verbeteren en een stabiele prestatie behouden bij extreme temperaturen (-60 °C tot 120 °C).

Bovendien heeft de verdamping van elektronenstralen duidelijke voordelen bij de bereiding van edelmetaalfolie.Au-reflecterende folies die worden gebruikt in high-end optische instrumenten kunnen een spiegelreflectiviteit bereiken van maximaal 990,5% door verdamping van de elektronenstraal, met een goede uniformiteit van de filmlaag en zonder naaldgatdefecten.Au-films die door magnetronsputtering worden bereid, zijn gevoelig voor oppervlakkrapheid als gevolg van residuele argonionen.

In grootschalige productiegebieden zoals fotovoltaïsche, displaypanelen en autoglas domineert magnetronsputtering met zijn voordelen op het gebied van efficiëntie en kosten.In de productie van fotovoltaïsche zonnecellen, kan de doorzichtige geleidende ITO-film die door magnetronsputtering is bereid, de blokweerstand binnen 10Ω/sq regelen met een doorlaatbaarheid van meer dan 90%,en de dagelijkse productiecapaciteit van een enkele productielijn kan 100In de coating van de voorruiten van auto's kan de door magnetronen gespotte thermische isolatiefilm meer dan 90% van de infraroodstraling effectief blokkeren.en de filmlaag heeft een sterke hechtingHet is na 2000 wrijvingstests niet afgehaald.

In het beeldschermveld is magnetronsputtering de kerntechnologie voor de elektrodecoating van OLED-apparaten.De door haar vervaardigde geleidende folie van Ag-legering zorgt niet alleen voor een hoge geleidbaarheid, maar is ook goed flexibel, die kan voldoen aan de buigvereisten van opvouwbare schermen.de reactieve sputteringstechnologie van magnetronsputtering kan direct oxidefilms bereiden zonder daaropvolgende oxidatiebehandeling, die de processtroom vereenvoudigt en geschikt is voor de massaproductie van elektronische optische onderdelen voor consumenten, zoals cameraobjectieven voor mobiele telefoons.

Met de ontwikkeling van de optische technologie is het moeilijk geworden om aan de complexe prestatievereisten te voldoen met een enkele coatingtechnologie.De combinatie van de twee technologieën is een nieuwe trend geworden.Bijvoorbeeld bij de coating van high-end cameraobjectieven wordt een samengesteld proces van "elektronenstraal verdamping + magnetron sputtering" toegepast:de elektronenstraal verdamping wordt gebruikt om de kern van de hoogzuivere optische filmlaag voor te bereidenHet gebruik van magnetronen sputtering zorgt niet alleen voor de optische prestaties, maar verhoogt ook de mechanische sterkte van de filmlaag.

Bovendien worden beide technologieën voortdurend bijgewerkt. Elektronenstraal verdamping bereikt nauwkeurige controle van de afzetting snelheid door de invoering van een gepulseerde elektron pistool.Magnetronsputtering heeft de high-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) technologie ontwikkeld, die de kinetische energie van gespuurde deeltjes aanzienlijk kan verhogen en films kan bereiden met een zuiverheid en dichtheid die dicht bij die van elektronenstraal verdamping liggen.Deze technologische innovaties verkleinen de prestatieverschillen tussen de twee processen en bieden meer opties voor optische coating.

Elektronenstraalverdamping en magnetronsputtering zijn geen concurrerende technologieën, maar eerder complementaire technologieën die zijn afgestemd op verschillende optische coatingvereisten.Verdamping van elektronenstraal, met de voordelen van hoge zuiverheid en hoge precisie, geschikt voor de productie in kleine partijen van hoogwaardige optische onderdelen en speciale functionele films,en is vooral onvervangbaar in high-end velden zoals lasers en luchtvaartMagnetronsputtering, met zijn hoge productiecapaciteit en lage kosten, is de voorkeur geworden in grootschalige industriële gebieden zoals fotovoltaïsche en consumentenelektronica.

Bij de selectie van het eigenlijke proces moeten drie kernfactoren - optische prestatievereisten, productieomvang en kostenbegroting - grondig in aanmerking worden genomen.Voor high-end toepassingen die prioriteit geven aan precisieVoor grootschalige productie waarbij kosten en efficiëntie voorop staan, is magnetronsputtering geschikter.,In de toekomst, met de voortdurende vernieuwing van de coatingtechnologie, zullen de nieuwe technologieën de mogelijkheid bieden om de verwerking van de verpakkingen te verbeteren.de geïntegreerde toepassing van de twee processen zal de prestatiegrenzen van de optische coating verder uitbreiden en een sterkere impuls geven aan de ontwikkeling van de optische industrie.