Functie: Het biedt een hoogvacuümomgeving van 10⁻³ tot 10⁻⁶ Pa, waardoor de verstrooiing van de elektronenbundel, de oxidatie van het doelmateriaal en de filmverontreiniging worden verminderd en de stabiliteit van het verdampings- en afzettingsproces wordt gegarandeerd.
Samenstelling: kathode met directe verwarming (meestal wolfraamdraad, tantaaldraad of LaB₆-kristal), anode, focusseerspoel, afbuigspoel.
Kenmerken: De kathode wordt direct geëlektrificeerd om elektronen te verwarmen en uit te zenden. De elektronenbundel wordt versneld door de anode (de versnellingsspanning is gewoonlijk 10 tot 30 kV), gefocusseerd door de focusseerspoel en vervolgens afgebogen langs een rechte lijn of onder een kleine hoek om het oppervlak van het doelmateriaal te bombarderen.
Doelmateriaalsysteem
Inclusief: watergekoelde smeltkroezen (gemaakt van koper of molybdeen om vervorming van de smeltkroes te voorkomen nadat het doelmateriaal is gesmolten), doelmateriaalsteunen en positieschakelaars voor meerdere doelen (die de continue afzetting van meerdere materialen ondersteunen).
Compatibele doelmaterialen: metalen (aluminium, titanium, goud, zilver), legeringen (TiAl, NiCr), oxiden (SiO₂, TiO₂), fluoriden (MgF₂) en andere vaste materialen.
Werkstukrek en verwarmings-/koelsysteem:
Werkstukrek: draaibaar (om de uniformiteit van de film te verbeteren), ter ondersteuning van de fixatie van werkstukken met verschillende vormen, zoals glas, siliciumwafels en metalen substraten;
Temperatuurregelmodule: Afhankelijk van de procesvereisten kan deze het werkstuk verwarmen (100 ~ 500 ℃ om de hechting van de film te verbeteren) of afkoelen (om vervorming van warmtegevoelige substraten te voorkomen).
Besturingssysteem
Kern: PLC-controller, touchscreen-bedieningsinterface, die de elektronenstraalstroom (0 ~ 100 mA), versnellingsspanning, vacuümgraad, afzettingssnelheid en filmdikte nauwkeurig kan aanpassen (in realtime bewaakt via kwartskristaloscillatiemethode).
Beveiligingsfuncties: Uitgerust met veiligheidsmechanismen zoals onvoldoende vacuümalarm, overstroombeveiliging en kathodische overbelastingsbeveiliging.
Hulpsysteem
Opblaassysteem (argon, zuurstof en andere reactiegassen kunnen worden geïntroduceerd om samengestelde films te bereiden), ionenbron (optioneel, gebruikt voor het vooraf reinigen van de film of ionenondersteunde afzetting om de dichtheid van de filmlaag te verbeteren).
II. Werkingsprincipe
Vacuümvoorbereiding: Start de mechanische pomp en de moleculaire pomp, evacueer de vacuümkamer tot de vooraf ingestelde hoge vacuümgraad (meestal ≤10⁻⁴ Pa) en elimineer de invloed van onzuiverheden zoals lucht en waterdamp op de coating.
Opwekking en versnelling van elektronenbundels: Na te zijn geëlektrificeerd, wordt de kathode met directe verwarming verwarmd tot een hoge temperatuur (ongeveer 2500 ℃ voor kathodes van wolfraamgloeidraad), waardoor hete elektronen vrijkomen. Hoge spanning (10 tot 30 kV) wordt op de anode toegepast om een sterk elektrisch veld te vormen dat elektronen versnelt, waardoor ze hoge energie kunnen verkrijgen (kinetische energie E=eU, waarbij e de lading van het elektron is en U de versnellingsspanning).
Focussering en afbuiging van elektronenbundels: De focusseerspoel genereert een magnetisch veld, waardoor de divergerende elektronenbundel convergeert in een fijne bundel (met een diameter zo klein als op micrometerniveau), en de afbuigspoel kan de richting van de elektronenbundel nauwkeurig afstemmen om te zorgen voor een nauwkeurig bombardement op het centrale gebied van het doelmateriaal.
Verdamping van doelmateriaal: Een hoogenergetische elektronenstraal bombardeert het oppervlak van het doelmateriaal, waardoor kinetische energie wordt omgezet in thermische energie, waardoor de lokale temperatuur van het doelmateriaal snel boven het smeltpunt stijgt (metalen doelen vereisen doorgaans 1000 tot 3000 graden Celsius), resulterend in smelten en verdamping, en het vormen van een atomaire/moleculaire gasfase van het doelmateriaal met hoge dichtheid.
Dunnefilmafzetting: de gasfase van het doelmateriaal diffundeert in alle richtingen in een vacuümomgeving en wordt uiteindelijk gelijkmatig afgezet op het oppervlak van het voorbehandelde werkstuk. De afzettingssnelheid wordt in realtime gevolgd door een kwartskristaloscillator. Wanneer de vooraf ingestelde dikte is bereikt, wordt het elektronenbundelbombardement gestopt om de coating te voltooien.
Optionele procesuitbreiding: Als samengestelde films (zoals TiO₂, SiO₂) moeten worden voorbereid, kan tijdens het depositieproces een geschikte hoeveelheid reactiegas (zoals zuurstof) worden geïntroduceerd om de doelmateriaalatomen en gasmoleculen in staat te stellen chemische reacties op het werkstukoppervlak te ondergaan, waardoor gefunctionaliseerde films worden gevormd.
III. Kernfuncties
De energie van de elektronenbundel is geconcentreerd en de benuttingsgraad van het doelmateriaal is hoog: de rechte kanonstructuur zorgt ervoor dat de elektronenbundel het oppervlak van het doelmateriaal direct kan bombarderen, met een laag energieverlies. De warmte wordt geconcentreerd in een lokaal gebied van het doelmateriaal, waardoor grootschalige verwarming van de smeltkroes wordt vermeden. De beoogde materiaalbenuttingsgraad kan 60% tot 80% bereiken (veel hoger dan de 30% tot 50% van weerstandsverdampingscoatingmachines).
Het regelbare bereik van de depositiesnelheid is breed: door het aanpassen van de elektronenbundelstroom en de versnellingsspanning kan een depositiesnelheid van 0,1 nm/s tot 10 nm/s worden bereikt, waardoor niet alleen ultradunne films kunnen worden gemaakt (zoals optische films op nanoschaal), maar ook snel dikke films kunnen worden afgezet (zoals metaalgeleidende films).
Compatibel met een verscheidenheid aan doelmaterialen met een hoog smeltpunt: elektronenstraalbombardementen kunnen extreem hoge lokale temperaturen genereren (tot meer dan 5000 ℃), waardoor metalen met een hoog smeltpunt zoals wolfraam, molybdeen en tantaal (smeltpunt > 2000 ℃) kunnen worden verdampt, evenals vuurvaste verbindingen zoals oxiden en fluoriden, wat moeilijk te bereiken is door weerstandsverdamping.
Hoge filmzuiverheid en lage vervuiling: de hoge vacuümomgeving vermindert het mengen van onzuiverheden, en het elektronenkanon met een recht kanon heeft geen smeltkroesverontreiniging (sommige doelmaterialen met een laag smeltpunt vereisen nog steeds smeltkroezen, maar inerte materialen kunnen worden geselecteerd). De filmzuiverheid kan gewoonlijk 99,9% tot 99,99% bereiken.
Sterke procesflexibiliteit: Ondersteunt depositie met één doel, continue depositie met meerdere doelen (voor het bereiden van meerlaagse films) en reactieve depositie (voor het bereiden van samengestelde films). De filmprestaties kunnen worden aangepast door parameters zoals temperatuur, vacuümgraad en gasstroomsnelheid aan te passen.
De apparatuurstructuur is relatief eenvoudig en de onderhoudskosten zijn gematigd: vergeleken met magnetronsputter- en RF-coatingmachines heeft de directe kanon-elektronenstraalcoatingmachine minder kerncomponenten, een lagere bedieningsdrempel en de vervanging van kwetsbare onderdelen zoals de kathode (wolfraamdraad) is handig. De onderhoudskosten op lange termijn zijn beheersbaar.
Iv. Belangrijkste voordelen
De filmkwaliteit is uitstekend: de afgezette film heeft een hoge dichtheid, fijne korrels, sterke hechting aan het substraat (vooral geschikt voor metalen en glazen substraten) en een goede dikte-uniformiteit (uniformiteitsfout voor werkstukken met een groot oppervlak ≤ ± 5%).
Hoge afzettingsefficiëntie en korte productiecyclus: De elektronenbundel heeft een hoge energieconversie-efficiëntie (ongeveer 30% tot 50%) en de verdampingssnelheid van het doelmateriaal is snel. De depositietijd van films met dezelfde dikte is slechts 1/3 tot 1/2 van die van weerstandsverdamping, waardoor het geschikt is voor massaproductie.
Het aanpassingsvermogen van het doelmateriaal is extreem breed: van metalen met een laag smeltpunt (aluminium, koper), metalen met een hoog smeltpunt (wolfraam, molybdeen) tot legeringen, oxiden, fluoriden, sulfiden, enz., bijna alle vaste coatingmaterialen kunnen worden aangepast om aan verschillende functionele eisen te voldoen.
De prestaties van de film kunnen nauwkeurig worden geregeld: door de parameters van de elektronenbundel, de afzettingssnelheid, de temperatuur van het werkstuk, enz. aan te passen, kunnen de belangrijkste indicatoren van de film, zoals kristalliniteit, hardheid, hechting en optische eigenschappen (zoals brekingsindex, lichttransmissie) nauwkeurig worden gecontroleerd.
Milieuvriendelijk en vrij van vervuiling: Er wordt tijdens het hele proces geen chemische afvalvloeistof of afgas geproduceerd. Er worden alleen elektriciteit en doelmaterialen verbruikt, die voldoen aan de eisen van groene productie.
Het heeft een breed scala aan toepasselijke substraten: het kan worden gecoat op de oppervlakken van verschillende substraten zoals glas, siliciumwafels, metalen, keramiek en kunststoffen (voorbehandeling is vereist) en veroorzaakt weinig schade aan de substraten (de elektronenbundel komt niet rechtstreeks in contact met het substraat en de door hitte beïnvloede zone is klein).
V. Typische toepassingsscenario's
Optisch veld (kerntoepassingen):
Bereiding van optische films: zoals AR-antireflectiefilms voor brillenglazen en cameralenzen (SiO₂+TiO₂ meerlaagse films), HR-films met hoge reflectie voor laserlenzen (meerlaagse diëlektrische films) en interferentiefilterfilms voor filters (smalband-/breedbandfilters);
Andere optische componenten: optische vezels, displaypanelen en antireflecterende/krasbestendige films voor zonnecelafdekkingen.
Op het gebied van elektronica en halfgeleiders
Halfgeleiderchips: bereiding van geleidende films voor metalen zoals aluminium en koper, en barrièrefilms van titanium en wolfraam;
Elektronische componenten: condensatorelektrodefilms, films op magnetische opnamemedia, sensorgevoelige films (zoals tinoxidegasgevoelige films);
Weergavetechnologie: transparante geleidende films voor OLED-panelen (alternatieve ITO-materialen, zoals AZO) en de onderste laag van polariserende films voor LCD-schermen.
Decoratie- en beschermingsveld:
Hoogwaardige decoratie: decoratieve films van imitatiegoud (TiN), roségoud (TiAlN) en zwarte (CrN) voor horlogebandjes, sieraden en badkamerbeslag.
Beschermende coatings: Slijtvaste coatings voor snijgereedschappen en mallen (TiN, TiCN), corrosiewerende coatings voor metalen onderdelen (aluminiumfilm, chroomfilm).
Lucht- en ruimtevaart
Luchtvaartcomponenten: anticondens-/antiijsfilms voor voorruiten van vliegtuigen, beschermende films tegen hoge temperaturen voor motorbladen;
Andere velden
Medisch gebied: Biocompatibele films (zoals titaniumfilms, titaniumnitridefilms) voor medische hulpmiddelen (zoals chirurgische instrumenten, implantaten);
Op het gebied van nieuwe energie: geleidende films (koperfilms, aluminiumfilms) voor lithiumbatterijlipjes, terugreflecterende films (aluminiumfilms, zilverfilms) voor zonnecellen;
Verpakkingsgebied: vacuümfolie met aluminiumcoating voor voedselverpakking (hoge barrière-eigenschap, conserveringseigenschap).