Les deux géants du monde du film mince: une analyse des différences fondamentales entre la pulvérisation par magnétron et le revêtement ionique

L'essence de la pulvérisation magnétron est "l'effet collaboratif du bombardement d'ions de haute énergie + contrainte de champ magnétique". Son principe de fonctionnement peut être résumé en trois étapes clés : Premièrement, du gaz argon inerte est introduit dans la chambre à vide et un plasma est formé par excitation d'un champ électrique ; ensuite, les ions argon sont accélérés par le champ électrique et bombardent la surface du matériau cible, "pulvérisant" les atomes du matériau cible ; le point le plus crucial est que le champ magnétique derrière la cible liera les électrons près de la surface de la cible pour effectuer un mouvement en spirale, améliorant considérablement l'efficacité d'ionisation du gaz argon, et permettant finalement aux atomes du matériau cible pulvérisé de se déposer uniformément sur la surface du substrat pour former un film. Cette conception "accélération par champ électrique + contrainte par champ magnétique" résout les problèmes de faible taux de production et de température élevée du substrat dans la pulvérisation traditionnelle, devenant la technologie de base pour la production de masse industrielle.

Le placage ionique est un processus composite de "évaporation / pulvérisation + ionisation + accélération par champ électrique", connu comme "la combinaison de l'évaporation sous vide et de la pulvérisation". Son processus principal est : d'abord, le matériau cible forme des particules gazeuses par évaporation ou pulvérisation, puis ces particules sont ionisées par décharge luminescente en ions de haute énergie ; ensuite, sous l'action d'un champ électrique puissant, ces ions sont accélérés vers le substrat, nettoyant non seulement les impuretés à la surface du substrat, mais formant également une liaison forte avec le substrat avec une énergie cinétique élevée. Cette méthode de dépôt par ionisation permet un saut dans la force de liaison entre la couche de film et le substrat.

L'adhérence est l'indicateur clé pour mesurer la durabilité de la couche de film. Les données expérimentales montrent que l'adhérence des couches de film pulvérisées par magnétron est généralement comprise entre 3-10 N/cm, tandis que le placage ionique peut atteindre 5-15 N/cm, et certains revêtements durs encore plus. Par exemple, dans le test de dépôt de film d'aluminium sur des substrats en verre, l'adhérence du placage ionique atteint 12 N/cm, ce qui est plus de 5 fois celle de l'évaporation traditionnelle. Même après des frottements répétés, il ne se détache pas facilement. Cet avantage découle de l'effet de pulvérisation des ions sur le substrat, qui peut former une couche de transition mixte de 1-5 nm, réalisant une "liaison au niveau atomique" entre la couche de film et le substrat.

Le taux de dépôt affecte directement l'efficacité de la production. Le taux de dépôt de film métallique de la pulvérisation magnétron est de 10-100 nm/min, et celui des films composés est de 5-30 nm/min; tandis que le taux de placage ionique est généralement plus lent, seulement 5-50 nm/min. Par exemple, dans le cas du film ITO utilisé dans les écrans d'affichage, la pulvérisation magnétron peut réaliser un revêtement de 200 nm d'épaisseur en 1 heure, tandis que le placage ionique nécessite 2-3 heures. Ceci est dû au fait que le processus d'ionisation consomme une partie de l'énergie, entraînant une réduction du nombre de particules effectivement déposées.

Dans les scénarios de revêtement à grande échelle, l'avantage d'uniformité de la pulvérisation magnétron est particulièrement évident. Grâce à la "table tournante planétaire" et à la "disposition symétrique multi-cibles", la pulvérisation magnétron peut contrôler l'écart d'épaisseur du film sur de grandes surfaces de substrats dans ±1%-5%, tandis que l'uniformité du placage ionique est généralement de ±3%-7%. Les données de production d'un fabricant de panneaux d'affichage montrent que pour la ligne de 6ème génération avec un substrat en verre (1500 mm * 1800 mm), le film ITO est déposé par pulvérisation magnétron, avec une uniformité d'épaisseur atteignant ±1%. Le rendement de production continue de 500 pièces est aussi élevé que 97%, dépassant largement les 85% de la pulvérisation ionique.

La température de base est un paramètre clé déterminant l'adaptabilité du processus. La pulvérisation magnétron réduit le bombardement direct des ions sur le substrat grâce au confinement du champ magnétique, et la température de base peut être contrôlée entre température ambiante et 300 °C, et certains processus peuvent même maintenir la température ambiante ; tandis que la pulvérisation ionique, en raison du bombardement d'ions qui génère de la chaleur, la température de base est généralement comprise entre 150-500 °C. Cette différence permet à la pulvérisation magnétron de s'adapter aux matériaux sensibles à la chaleur tels que les films flexibles PET et les dispositifs MEMS - lors du dépôt d'électrodes en Au sur un micro-cantilever MEMS de 2 µm d'épaisseur, la pulvérisation magnétron ne fait monter la température de base qu'à 80 °C, et la déflexion du cantilever ne change que de 0,1 µm; tandis que la température élevée de 350 °C du placage ionique provoquera la flexion directe et la défaillance du cantilever.

La pulvérisation magnétron prend en charge divers modes tels que la co-pulvérisation et la pulvérisation réactive, et peut préparer divers types de films, y compris des films conducteurs transparents ITO, des films durs TiN, etc., et des matériaux complexes tels que ITO et TiN. La pulvérisation ionique est plus compétente dans la préparation de revêtements durs métalliques et céramiques, tels que TiAlN et CrN, et présente des limitations dans le revêtement de matériaux organiques et d'alliages à bas point de fusion. Par exemple, lors du revêtement d'un film de Cu sur la carte de circuit imprimé flexible de l'écran de téléphone portable, la pulvérisation magnétron peut être réalisée à 60 °C, et la déflexion du cantilever ne change que de 0,1 µm; tandis que la température élevée de 350 °C du placage ionique provoquera le rétrécissement et la déformation du film PET, et n'est pas applicable.

Le plus grand avantage de la pulvérisation magnétron réside dans sa production stable et son adaptabilité à basse température. Son système de contrôle en boucle fermée peut surveiller en temps réel des paramètres tels que l'épaisseur du film et la composition du gaz, avec une erreur d'épaisseur de film contrôlée dans ±0,1 nm, et le rendement peut encore maintenir plus de 99% pendant 30 jours consécutifs de fonctionnement continu. Dans le même temps, le taux d'utilisation de la cible peut atteindre 60%-80%, économisant 20% de coûts de matériaux supplémentaires par rapport à la pulvérisation traditionnelle. Cependant, cette technologie présente également des limites : une mauvaise performance de remplissage des trous et une faible capacité de couverture des marches, et elle n'est pas aussi uniforme que la pulvérisation ionique sur des surfaces courbes complexes ; et la structure de l'équipement est complexe, avec un coût d'investissement initial plus élevé.

La caractéristique exceptionnelle de la pulvérisation ionique est son adhérence super forte et son adaptabilité de surface. L'effet de bombardement ionique permet à la couche de film de pénétrer dans les minuscules pores du substrat, même si la forme du substrat est complexe (telle que le tranchant d'un couteau ou la cavité d'un moule), elle peut obtenir une couverture uniforme. Dans le test de résistance à l'usure, le revêtement TiN (2 µm d'épaisseur) de pulvérisation ionique (2 µm d'épaisseur) sous une charge de friction de 1 kg pendant n'a qu'une usure de 0,2 µm, soit la moitié de celle du revêtement similaire de pulvérisation magnétron. Cependant, les inconvénients de la pulvérisation ionique sont également très évidents : taux de dépôt lent entraînant une faible efficacité de production, température élevée susceptible d'endommager les substrats sensibles, et contrôle complexe des paramètres du processus, avec un risque plus élevé d'introduction d'impuretés gazeuses que la pulvérisation magnétron.

En raison de son uniformité sur de grandes surfaces et de ses avantages de dépôt à basse température, la pulvérisation magnétron est largement utilisée dans les domaines de l'électronique, de l'optique et des nouvelles énergies : Industrie électronique : films conducteurs transparents ITO pour écrans d'affichage, électrodes de têtes magnétiques de disques durs, films Cu pour cartes de circuits imprimés flexibles ; Industrie optique : films antireflets pour verres de lunettes, films antireflets pour couvertures en verre de téléphones portables ; Industrie des nouvelles énergies : champs arrière en aluminium pour cellules solaires, revêtement pour languettes d'électrodes de batteries. Le cas de production de masse d'un certain fabricant de disques durs montre que le film d'alliage Ni-Fe (

• 20 nm
• d'épaisseur) préparé par pulvérisation magnétron, avec la déviation des composants contrôlée dans
• ±0,5%, répond aux exigences de haute précision de la tête magnétique.(II) Placage ionique : un outil puissant pour la protection haut de gamme et les besoins spéciauxL'adhérence super forte du placage ionique en fait le choix privilégié pour les revêtements durs et le placage de pièces complexes : Usinage : revêtements ultra-durs TiN, TiAlN pour outils de coupe et moules, peuvent prolonger la durée de vie de 3 à 10 fois

800 °C

• . Dans le domaine des moules automobiles, le revêtement TiAlN par placage ionique a une dureté de 3200 HV, permettant au moule de frapper en continu
• 100 000 fois
• ou plus sans usure évidente.VI. Résumé : Comment choisir la technologie appropriée ?La pulvérisation magnétron et le placage ionique ne s'excluent pas mutuellement, mais sont plutôt complémentaires et symbiotiques. Lors du choix, on peut suivre trois grands principes : Si une production à grande échelle, en masse et un placage à basse température (par exemple pour les écrans et l'électronique flexible) sont requis, la priorité doit être donnée à la pulvérisation magnétron ; Si une adhérence élevée, une résistance à l'usure et un placage sur des surfaces courbes complexes (par exemple pour les outils de coupe et les moules) sont nécessaires, le placage ionique est un meilleur choix ; Si un équilibre entre performance et coût est recherché, et que la résistance à la température du substrat est moyenne, la rentabilité globale de la pulvérisation magnétron est plus élevée. Avec le développement de la technologie, les deux s'intègrent également constamment - par exemple, la technologie de pulvérisation magnétron assistée par faisceau d'ions, qui conserve les avantages d'uniformité et de taux de la pulvérisation magnétron tout en améliorant l'adhérence de la couche de film grâce au bombardement ionique. À l'avenir, dans les domaines haut de gamme tels que les semi-conducteurs et les nouvelles énergies, cette technologie de revêtement "forte alliance" deviendra une nouvelle tendance de développement, apportant plus de possibilités au monde des films microscopiques.