Évaporation par faisceau électronique par rapport au pulvérisation par magnétron pour revêtements optiques

Le revêtement optique, en tant que technologie de base pour améliorer les performances des composants optiques, est largement utilisé dans les équipements laser, les systèmes d'imagerie, les appareils photovoltaïques et d'autres domaines.Sa qualité détermine directement les indicateurs clés des systèmes optiques tels que la transmission., la réflectance et la stabilité environnementale.L'évaporation par faisceau d'électrons (E-Beam Evaporation) et le pulvérisation par magnétron (magnetron Sputtering) sont deux technologies de dépôt de vapeur physique (PVD) courantes actuellement., et il existe des différences significatives entre elles dans les principes de revêtement, les performances et les scénarios d'application.comparer systématiquement les principaux avantages et les limites des deux technologies, et fournir une base scientifique pour la sélection des procédés de revêtement optique.

Les deux techniques permettent la migration et le dépôt d'atomes/molécules de matière cible dans un environnement sous vide,mais les différences dans les mécanismes d'excitation et de transfert d'énergie jetent les bases de leurs différences de performance ultérieures.

La technologie d'évaporation par faisceau d'électrons utilise des faisceaux d'électrons à haute énergie comme vecteurs d'énergie. 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 fieldL'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie thermique, ce qui fait que le matériau cible forme un état fondu ou évaporé à haute température localement.Une fois que les atomes/molécules du matériau cible gazeux se sont détachés de la surface du matériau cibleDans le cas de l'appareil, les dépôts sont effectués sur la surface du substrat optique pré-traité, formant un film uniforme.les creusets refroidis à l'eau peuvent empêcher efficacement les réactions chimiques entre le matériau cible et le creusetCette caractéristique leur confère un avantage dans la préparation de films de haute pureté.

La pulvérisation par magnétron est basée sur les principes de la décharge gazeuse et du bombardement ionique.Un gaz inerte (généralement de l'argon) est introduit dans une chambre à vide et excité par une radiofréquence ou un champ électrique à courant continu pour former un plasma.Sous l'action d'un champ électrique, les ions argon dans le plasma accélèrent et bombardent la surface du matériau cible.permettant aux atomes du matériau cible d'obtenir une énergie suffisante pour se libérer des contraintes du réseau (iPour améliorer l'efficacité de pulvérisation, l'appareil met en place un champ magnétique derrière le matériau cible.,Le mouvement des électrons dans le plasma est prolongé, ce qui augmente la probabilité de collision avec les molécules d'argon, améliorant ainsi la densité du plasma et le taux de pulvérisation.Selon les différents types de matériaux cibles, il peut être divisé en pulvérisation par magnétrons en courant continu (convenable pour les cibles conducteurs) et pulvérisation par magnétrons RF (convenable pour les cibles isolantes).

Le revêtement optique a des exigences strictes en matière de pureté, d'uniformité, de densité et d'état de contrainte du film.Les différences de performance des deux technologies dans ces indicateurs principaux déterminent directement leur champ d'application.

La pureté du film est un facteur clé affectant les performances optiques.L'évaporation du faisceau d'électrons assure une pureté élevée à travers trois points: Premièrement, l'énergie du faisceau d'électrons est concentrée sur la surface du matériau cible, et le creuset ne reçoit qu'une petite quantité de chaleur par rayonnement,éviter la fusion et l'adhérence du matériau cible au creusetDeuxièmement, il a un degré de vide plus élevé (atteignant généralement le niveau de 10 °C).^{- 6}Troisièmement, il permet d'obtenir une évaporation précise d'un seul matériau cible,éviter la contamination croisée de plusieurs matières ciblesLes données expérimentales montrent que la teneur en impuretés du SiO₂le film antireflet préparé par évaporation du faisceau d'électrons est inférieur à 50 ppm,alors que la teneur en impuretés du procédé de pulvérisation par magnétron est généralement de 100 à 200 ppm en raison des ions gazeux résiduels dans le plasma.

Le déficit de pureté de la pulvérisation par magnétrons provient principalement de l'environnement plasmatique.et la couche d'oxyde sur la surface cible sera mélangée au film pendant le processus de pulvérisationBien qu'il puisse être amélioré en augmentant le degré de vide et en utilisant le pré-pulvérisation des matériaux cibles,pour les films optiques ayant des exigences de pureté extrêmement élevées (tels que le revêtement de lentilles à cavité à résonance laser), il est encore difficile de comparer l'évaporation du faisceau d'électrons.

L'uniformité du film affecte directement la précision de la forme de la surface des composants optiques, en particulier lors du revêtement de substrats de grande taille, elle est encore plus cruciale.L'évaporation du faisceau d'électrons peut obtenir un écart d'épaisseur de film inférieur à ± 1% sur un substrat de 300 mm de diamètre en faisant pivoter l'étape du substrat et en optimisant le chemin de balayage du faisceau d'électronsCependant, en raison des caractéristiques de la source "point" de la source d'évaporation, l'atténuation de l'épaisseur est susceptible de se produire au bord du substrat.La pulvérisation par magnétron fonctionne mieux sur des substrats de grande taille (tels que le verre photovoltaïque de 600 mm * 600 mm) en raison des caractéristiques de pulvérisation de la "source de surface" du matériau cibleL'uniformité de l'épaisseur peut être contrôlée à ± 2%, et la distribution de l'épaisseur de la couche de film est plus proche d'un rectangle, avec un effet de bord plus faible.

En termes de densité, le pulvérisation par magnétron présente un avantage: les particules pulvérisées ont une énergie cinétique plus élevée (généralement de 10 à 100 fois celle des particules évaporées par faisceau d'électrons),et lorsqu'ils sont déposés sur la surface du substrat, ils peuvent produire des effets d'adsorption et de diffusion plus puissants, formant un réseau de film plus étroitement disposé avec une densité supérieure à 98%.Cette compacité améliore la résistance à l'usure et à l'humidité et à la chaleur du filmPar exemple, le TiO₂le film à haute réflectivité préparé par pulvérisation par magnétrons a une atténuation de la réflectivité inférieure à 0,5% après avoir été placé à 85 °C /85% RH pendant 1000 heures.La densité du film évaporé par le faisceau d'électrons est généralement comprise entre 90% et 95%, et un traitement de recuit ultérieur est nécessaire pour améliorer ses performances, mais cela peut entraîner des changements dans la contrainte du film.

L'efficacité du procédé se reflète principalement dans le taux de dépôt et la capacité de production.Pour cibles métalliques (comme l'aluminium et l'argent), il peut atteindre 50nm/s, tandis que pour les cibles d'oxyde (tels que le SiO₂et TiO₂En outre, la quantité de cible chargée à la fois est limitée et des arrêt fréquents sont nécessaires pour les changements de cible.Il convient à la production de petits lots et de haute précision.La vitesse de dépôt des cibles métalliques peut atteindre 20 nm/s, et celle des cibles oxydées par pulvérisation réactive peut atteindre 3-8 nm/s.Il prend également en charge la pulvérisation simultanée de plusieurs ciblesLa capacité de production en lots uniques est de 3 à 5 fois supérieure à celle de l'évaporation par faisceau d'électrons.

En termes de coût, l'investissement initial dans les équipements d'évaporation de faisceau d'électrons est relativement élevé (environ 1,5 à 2 fois celui des équipements de pulvérisation de magnétrons de la même spécification),et le coût de maintenance du pistolet électronique est élevéLa structure de l'équipement de pulvérisation magnétronique est relativement simple.et le taux d'utilisation du matériau cible peut atteindre 70-80% (alors que celui de l'évaporation du faisceau d'électrons est seulement de 50-60%)Le coût d'exploitation à long terme est inférieur, ce qui le rend plus adapté à la production industrielle à grande échelle.

Compte tenu des différences de performances susmentionnées, les deux technologies ont constitué des divisions d'application claires dans le domaine du revêtement optique,correspondant respectivement à des exigences de performance et à des échelles de production différentes.

Dans les domaines où une pureté extrêmement élevée et une précision optique des films minces sont requises, l'évaporation par faisceau d'électrons est un choix irremplaçable.dans les lentilles laser à haute puissance utilisées dans les dispositifs de fusion nucléaire laserDans ce cas, il est nécessaire de préparer des films antireflet avec des pertes extrêmement faibles.₂- Je vous en prie.₂Je vous en prie.₅les films multicouches préparés par évaporation du faisceau d'électrons peuvent avoir un coefficient d'absorption de la lumière inférieur à 10^{- 6}Dans les systèmes de détection infrarouge de l'aérospatiale, le détecteur de magnétons peut être utilisé pour la détection de la radioactivité.les films antireflet à base de Ge préparés par évaporation du faisceau d'électrons peuvent améliorer efficacement la transmittance infrarouge et maintenir des performances stables à des températures extrêmes (-60°C à 120°C).

En outre, l'évaporation par faisceau d'électrons présente des avantages évidents dans la préparation de films de métaux précieux.Les films réfléchissants au au utilisés dans les instruments optiques haut de gamme peuvent atteindre une réflectivité miroir allant jusqu'à 990,5% par évaporation par faisceau d'électrons, avec une bonne homogénéité de la couche de film et sans défauts de trou d'épingle.Les films Au préparés par pulvérisation par magnétron sont sujets à une rugosité de surface due aux ions argon résiduels..

Dans les domaines de production à grande échelle tels que les panneaux photovoltaïques, les panneaux d'affichage et le verre automobile, le pulvérisation par magnétron domine avec ses avantages en termes d'efficacité et de coût.Dans la production de cellules solaires photovoltaïques, le film conducteur transparent ITO préparé par pulvérisation par magnétron peut contrôler la résistance de bloc à 10Ω/m2, avec une transmittance supérieure à 90%,et la capacité de production quotidienne d'une seule ligne de production peut atteindre 100Dans le revêtement des pare-brise automobiles, le film isolant thermique préparé par pulvérisation par magnétron peut bloquer efficacement plus de 90% des rayonnements infrarouges,et la couche de film a une forte adhérenceIl ne s'est pas décollé après 2 000 essais de frottement.

Dans le domaine de l'affichage, la pulvérisation par magnétrons est la technologie de base pour le revêtement d'électrodes des appareils OLED.Le film conducteur d'alliage Ag préparé par elle assure non seulement une haute conductivité mais a également une bonne souplesse, qui peut répondre aux exigences de pliage des écrans pliables.la technologie de pulvérisation réactive du pulvérisation par magnétron peut préparer directement des films d'oxyde sans traitement d'oxydation ultérieur, simplifiant le flux de processus et étant adapté à la production en série de composants optiques électroniques grand public tels que les objectifs de caméra de téléphone portable.

Avec le développement de la technologie optique, une seule technologie de revêtement est devenue difficile pour répondre aux exigences de performance complexes,L'application intégrée des deux technologies est devenue une nouvelle tendance.Par exemple, dans le revêtement des lentilles de caméra haut de gamme, un procédé composite d'"évaporation du faisceau d'électrons + pulvérisation par magnétron" est adopté:l'évaporation du faisceau d'électrons est utilisée pour préparer la couche de film optique de haute pureté du noyauLa couche de protection résistante à l'usure de la surface est préparée par pulvérisation par magnétron, ce qui garantit non seulement les performances optiques, mais améliore également la résistance mécanique de la couche de film.

En outre, les deux technologies sont constamment mises à niveau. L'évaporation par faisceau d'électrons permet un contrôle précis du taux de dépôt en introduisant un pistolet à électrons pulsés.La pulvérisation par magnétron a développé une technologie de pulvérisation par magnétron à haute puissance (HiPIMS), qui peut augmenter de manière significative l'énergie cinétique des particules pulvérisées et préparer des films d'une pureté et d'une densité proches de celles de l'évaporation par faisceau d'électrons.Ces innovations technologiques réduisent l'écart de performance entre les deux procédés et offrent plus d'options pour le revêtement optique.

L'évaporation par faisceau d'électrons et la pulvérisation par magnétron ne sont pas des technologies concurrentielles mais complémentaires, adaptées à des exigences de revêtement optique différentes.Evaporation du faisceau d'électrons, avec ses avantages de haute pureté et de haute précision, convient à la production en petits lots de composants optiques de haute précision et de films fonctionnels spéciaux,et est particulièrement irremplaçable dans les domaines haut de gamme tels que les lasers et l' aérospatialeLa pulvérisation par magnétron, avec sa grande capacité de production et son faible coût, est devenue le choix préféré dans les domaines industriels à grande échelle tels que le photovoltaïque et l'électronique grand public.

Lors de la sélection du procédé, trois facteurs essentiels - les exigences de performance optique, l'échelle de production et le budget des coûts - doivent être considérés de manière exhaustive.Pour les applications haut de gamme qui privilégient la précisionPour la production à grande échelle où le coût et l'efficacité sont prioritaires, la pulvérisation par magnétrons est plus appropriée.,Dans l'avenir, grâce à l'innovation continue de la technologie de revêtement, la technologie de revêtement peut être améliorée.L'application intégrée des deux procédés élargira encore les limites de performance des revêtements optiques et donnera une impulsion plus forte au développement de l'industrie optique..