Elektronenstrahlverdampfung vs. Magnetronsputtern für optische Beschichtungen

Optische Beschichtung, als Kerntechnologie zur Verbesserung der Leistung optischer Komponenten, wird in großem Umfang in Laserausrüstungen, Bildgebungssystemen, Photovoltaikgeräten und anderen Bereichen eingesetzt. Ihre Qualität bestimmt direkt wichtige Indikatoren optischer Systeme wie Transmissionsgrad, Reflexionsgrad und Umweltstabilität. Elektronenstrahlverdampfung (E-Beam Evaporation) und Magnetronsputtern (Magnetronsputtern) sind derzeit zwei gängige physikalische Gasphasenabscheidungstechnologien (PVD), zwischen denen es erhebliche Unterschiede in Bezug auf Beschichtungsprinzipien, Leistung und Anwendungsszenarien gibt. Dieser Artikel beginnt mit dem Wesen der Technologie, vergleicht systematisch die Kernvorteile und -beschränkungen der beiden Technologien und liefert eine wissenschaftliche Grundlage für die Prozessauswahl der optischen Beschichtung.

Beide Techniken erreichen die Migration und Abscheidung von Zielmaterialatomen/Molekülen in einer Vakuumumgebung, aber die Unterschiede in den Energieanregungs- und Übertragungsmechanismen legen den Grundstein für ihre späteren Leistungsunterschiede.

Die Elektronenstrahlverdampfungstechnologie verwendet Hochenergie-Elektronenstrahlen als Energieträger. Elektronen, die von einer Elektronenkanone erzeugt werden, werden durch Hochspannung beschleunigt und dann unter dem Fokussierungseffekt eines Magnetfelds präzise auf die Oberfläche des Zielmaterials bombardiert, das in einem wassergekühlten Tiegel platziert ist. Die kinetische Energie der Elektronen wird in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch das Zielmaterial lokal einen hochtemperierten geschmolzenen oder verdampften Zustand bildet. Nachdem sich die gasförmigen Zielmaterialatome/Moleküle von der Oberfläche des Zielmaterials gelöst haben, bewegen sie sich zufällig in der Vakuumkammer und lagern sich schließlich auf der Oberfläche des vorbehandelten optischen Substrats ab, wodurch ein gleichmäßiger Film entsteht. Während des gesamten Prozesses können wassergekühlte Tiegel chemische Reaktionen zwischen dem Zielmaterial und dem Tiegel wirksam verhindern und so die Verunreinigung durch Verunreinigungen reduzieren. Diese Eigenschaft verschafft ihnen einen Vorteil bei der Herstellung von hochreinen Filmen.

Das Magnetronsputtern basiert auf den Prinzipien der Gasentladung und des Ionenbeschusses. Inertgas (normalerweise Argon) wird in eine Vakuumkammer eingebracht und durch ein Hochfrequenz- oder Gleichstrom-elektrisches Feld angeregt, um Plasma zu bilden. Unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes beschleunigen Argonionen im Plasma und bombardieren die Oberfläche des Zielmaterials, wodurch die Atome des Zielmaterials genügend Energie erhalten, um sich von den Gittereinschränkungen zu befreien (d. h. der "Sputter"-Prozess). Um die Sputtereffizienz zu erhöhen, richtet das Gerät ein Magnetfeld hinter dem Zielmaterial ein. Durch den Einschluss von Elektronen durch das Magnetfeld wird der Bewegungspfad der Elektronen im Plasma verlängert, wodurch die Kollisionswahrscheinlichkeit mit Argonmolekülen erhöht und somit die Plasmadichte und die Sputterrate verbessert werden. Je nach Art des Zielmaterials kann es in DC-Magnetronsputtern (geeignet für Leiterziele) und RF-Magnetronsputtern (geeignet für isolierende Ziele) unterteilt werden.

Die optische Beschichtung stellt strenge Anforderungen an die Reinheit, Gleichmäßigkeit, Dichte und den Spannungszustand des Films. Die Leistungsunterschiede der beiden Technologien in diesen Kernindikatoren bestimmen direkt ihren Anwendungsbereich.

Die Reinheit des Films ist ein Schlüsselfaktor, der die optische Leistung beeinflusst. Ein übermäßiger Verunreinigungsgehalt führt zu erhöhter Lichtabsorption und verringerter Transmission. Die Elektronenstrahlverdampfung gewährleistet hohe Reinheit durch drei Punkte: Erstens konzentriert sich die Energie des Elektronenstrahls auf die Oberfläche des Zielmaterials, und der Tiegel empfängt nur eine geringe Wärmemenge durch Strahlung, wodurch das Schmelzen und Anhaften des Zielmaterials am Tiegel vermieden wird. Zweitens hat es einen höheren Vakuumgrad (in der Regel bis zu 10^-6 Pa), wodurch die Kontamination von verdampften Partikeln durch Gasmoleküle reduziert wird. Drittens kann es eine präzise Verdampfung eines einzelnen Zielmaterials erreichen, wodurch eine Kreuzkontamination mehrerer Zielmaterialien vermieden wird. Experimentelle Daten zeigen, dass der Verunreinigungsgehalt des durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellten SiO₂-Antireflexfilms weniger als 50 ppm beträgt, während der Verunreinigungsgehalt des Magnetronsputterverfahrens aufgrund der Restgasionen im Plasma in der Regel 100-200 ppm beträgt.

Der Reinheitsmangel des Magnetronsputterns beruht hauptsächlich auf der Plasmaumgebung. Argonionen können sich in das Filmgitter einbetten, und die Oxidschicht auf der Zieloberfläche wird während des Sputterprozesses in den Film gemischt. Obwohl es durch Erhöhen des Vakuumgrades und Verwenden von Vorsputtern von Zielmaterialien verbessert werden kann, ist es für optische Filme mit ultrahohen Reinheitsanforderungen (wie z. B. Beschichtungen von Laserresonanzhohlraumlinsen) immer noch schwierig, mit der Elektronenstrahlverdampfung gleichzuziehen.

Die Gleichmäßigkeit des Films wirkt sich direkt auf die Oberflächenformgenauigkeit optischer Komponenten aus, insbesondere beim Beschichten großformatiger Substrate ist sie noch wichtiger. Die Elektronenstrahlverdampfung kann durch Drehen der Substrattisch und Optimieren des Elektronenstrahl-Abtastpfads eine Filmstärkenabweichung von weniger als ±1 % auf einem Substrat mit 300 mm Durchmesser erreichen. Aufgrund der "Punktquellen"-Eigenschaften der Verdampfungsquelle ist jedoch eine Dickenabschwächung am Rand des Substrats wahrscheinlich. Das Magnetronsputtern schneidet auf großformatigen Substraten (z. B. 600 mm * 600 mm Photovoltaikglas) aufgrund der "Oberflächenquellen"-Sputtereigenschaften des Zielmaterials besser ab. Die Dickengleichmäßigkeit kann innerhalb von ±2 % gesteuert werden, und die Dickenverteilung der Filmschicht nähert sich einem Rechteck, mit einem schwächeren Kanteneffekt.

In Bezug auf die Dichte hat das Magnetronsputtern einen Vorteil. Gesputterte Partikel haben eine höhere kinetische Energie (typischerweise das 10- bis 100-fache der durch Elektronenstrahl verdampften Partikel), und wenn sie auf der Substratoberfläche abgelagert werden, können sie stärkere Adsorptions- und Diffusionseffekte erzeugen, wodurch ein dichter angeordnetes Filmgitter mit einer Dichte von über 98 % entsteht. Diese Kompaktheit erhöht die Verschleißfestigkeit und die Feuchtigkeits- und Hitzebeständigkeit des Films. Beispielsweise weist der durch Magnetronsputtern hergestellte TiO₂-Hochreflexionsfilm nach 1000 Stunden bei 85 °C / 85 % relativer Luftfeuchtigkeit eine Reflexionsgradabschwächung von weniger als 0,5 % auf. Die Dichte des durch Elektronenstrahl verdampften Films liegt in der Regel zwischen 90 % und 95 %, und eine anschließende Temperbehandlung ist erforderlich, um seine Leistung zu verbessern, was jedoch zu Änderungen der Spannung des Films führen kann.

Die Prozesseffizienz spiegelt sich hauptsächlich in der Abscheidungsrate und der Produktionskapazität wider. Die Abscheidungsrate der Elektronenstrahlverdampfung variiert stark mit der Art des Zielmaterials. Für Metallziele (wie Aluminium und Silber) kann sie 50 nm/s erreichen, während sie für Oxidziele (wie SiO₂ und TiO₂) nur 1-5 nm/s beträgt. Darüber hinaus ist die Menge des gleichzeitig geladenen Ziels begrenzt, und häufige Abschaltungen für Zielwechsel sind erforderlich. Es eignet sich für Kleinserien- und Hochpräzisionsfertigung. Die Abscheidungsrate des Magnetronsputterns ist stabiler. Die Abscheidungsrate von Metallzielen kann 20 nm/s erreichen, und die von Oxidzielen durch reaktives Sputtern kann 3-8 nm/s erreichen. Es unterstützt auch das gleichzeitige Sputtern mehrerer Ziele, wodurch eine kontinuierliche Abscheidung von Mehrschichtfilmen ermöglicht wird. Die Einzelserienproduktionskapazität ist 3-5 Mal so hoch wie die der Elektronenstrahlverdampfung.

In Bezug auf die Kosten ist die Anfangsinvestition in Elektronenstrahlverdampfungsanlagen relativ hoch (etwa das 1,5- bis 2-fache der Magnetronsputteranlagen gleicher Spezifikation), und die Wartungskosten der Elektronenkanone sind hoch, wobei der Glühfaden und die Kathode alle 1.000 Stunden ausgetauscht werden müssen. Die Struktur der Magnetronsputteranlagen ist relativ einfach, und die Zielmaterialausnutzungsrate kann 70-80 % erreichen (während die der Elektronenstrahlverdampfung nur 50-60 % beträgt). Die langfristigen Betriebskosten sind niedriger, was es besser für die industrielle Großserienproduktion geeignet macht.

Basierend auf den oben genannten Leistungsunterschieden haben die beiden Technologien klare Anwendungsbereiche im Bereich der optischen Beschichtung gebildet, die jeweils unterschiedlichen Leistungsanforderungen und Produktionsmaßstäben entsprechen.

In Bereichen, in denen extrem hohe Reinheit und optische Genauigkeit von Dünnschichten erforderlich sind, ist die Elektronenstrahlverdampfung eine unersetzliche Wahl. Beispielsweise ist es bei Hochleistungslaserlinsen, die in Laser-Kernfusionsgeräten verwendet werden, erforderlich, Antireflexionsfilme mit extrem geringem Verlust herzustellen. Die durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellten SiO₂/Ta₂O₅-Mehrschichtfilme können einen Lichtabsorptionskoeffizienten von weniger als 10^-6 aufweisen, was den Produkten des Magnetronsputterns weit überlegen ist. In den Infrarotdetektionssystemen des Luft- und Raumfahrtbereichs können die durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellten Ge-basierten Antireflexionsfilme die Infrarotdurchlässigkeit effektiv erhöhen und eine stabile Leistung bei extremen Temperaturen (-60 °C bis 120 °C) aufrechterhalten.

Darüber hinaus hat die Elektronenstrahlverdampfung offensichtliche Vorteile bei der Herstellung von Edelmetallfilmen. Au-Reflexionsfilme, die in hochwertigen optischen Instrumenten verwendet werden, können durch das Elektronenstrahlverdampfungsverfahren einen Spiegelreflexionsgrad von bis zu 99,5 % erreichen, mit guter Gleichmäßigkeit der Filmschicht und ohne Nadellöcher. Im Gegensatz dazu neigen durch Magnetronsputtern hergestellte Au-Filme aufgrund von Restargonionen zu Oberflächenrauheit.

In Großserienproduktionsbereichen wie Photovoltaik, Display-Panels und Automobilglas dominiert das Magnetronsputtern mit seinen Vorteilen in Bezug auf Effizienz und Kosten. Bei der Herstellung von Photovoltaik-Solarzellen kann der durch Magnetronsputtern hergestellte ITO-Transparent-Leitfilm den Blockwiderstand innerhalb von 10Ω/q steuern, mit einer Transmission von über 90 %, und die tägliche Produktionskapazität einer einzelnen Produktionslinie kann 100.000 Stück erreichen. Bei der Beschichtung von Automobilwindschutzscheiben kann der durch Magnetronsputtern hergestellte Wärmeisolationsfilm über 90 % der Infrarotstrahlung effektiv blockieren, und die Filmschicht weist eine starke Haftung auf. Nach 2.000 Reibungstests hat es sich nicht abgelöst.

Im Displaybereich ist das Magnetronsputtern die Kerntechnologie für die Elektrodenbeschichtung von OLED-Geräten. Der dadurch hergestellte Ag-Legierungs-Leitfilm gewährleistet nicht nur eine hohe Leitfähigkeit, sondern weist auch eine gute Flexibilität auf, die den Biegeanforderungen von faltbaren Bildschirmen gerecht werden kann. Darüber hinaus kann die reaktive Sputtertechnologie des Magnetronsputterns Oxidfilme direkt ohne anschließende Oxidationsbehandlung herstellen, wodurch der Prozessablauf vereinfacht und für die Massenproduktion von optischen Komponenten der Unterhaltungselektronik wie z. B. Mobiltelefonkameraobjektiven geeignet ist.

Mit der Entwicklung der optischen Technologie ist es schwierig geworden, die komplexen Leistungsanforderungen mit einer einzigen Beschichtungstechnologie zu erfüllen, und die integrierte Anwendung der beiden Technologien ist zu einem neuen Trend geworden. Beispielsweise wird bei der Beschichtung von High-End-Kameraobjektiven ein Verbundverfahren aus "Elektronenstrahlverdampfung + Magnetronsputtern" angewendet: Die Elektronenstrahlverdampfung wird verwendet, um die optische Kernfilmschicht mit hoher Reinheit herzustellen, und das Magnetronsputtern wird verwendet, um die oberflächenverschleißfeste Schutzschicht herzustellen. Dies gewährleistet nicht nur die optische Leistung, sondern erhöht auch die mechanische Festigkeit der Filmschicht.

Darüber hinaus werden beide Technologien ständig weiterentwickelt. Die Elektronenstrahlverdampfung erreicht eine präzise Steuerung der Abscheidungsrate durch die Einführung einer gepulsten Elektronenkanone. Das Magnetronsputtern hat die Hochleistungs-Puls-Magnetronsputtertechnologie (HiPIMS) entwickelt, die die kinetische Energie der gesputterten Partikel erheblich erhöhen und Filme mit einer Reinheit und Dichte herstellen kann, die denen der Elektronenstrahlverdampfung nahekommen. Diese technologischen Innovationen verringern die Leistungslücke zwischen den beiden Verfahren und bieten mehr Optionen für die optische Beschichtung.

Elektronenstrahlverdampfung und Magnetronsputtern stehen nicht in einem Wettbewerbsverhältnis, sondern sind komplementäre Technologien, die auf unterschiedliche Anforderungen an die optische Beschichtung zugeschnitten sind. Die Elektronenstrahlverdampfung eignet sich mit ihren Vorteilen der hohen Reinheit und hohen Präzision für die Kleinserienproduktion von hochwertigen Präzisionsoptikkomponenten und Spezialfunktionsfilmen und ist insbesondere in High-End-Bereichen wie Lasern und der Luft- und Raumfahrt unersetzlich. Das Magnetronsputtern hat sich mit seiner hohen Produktionskapazität und seinen niedrigen Kosten zur bevorzugten Wahl in industriellen Großserienbereichen wie Photovoltaik und Unterhaltungselektronik entwickelt.

Bei der tatsächlichen Prozessauswahl müssen drei Kernfaktoren – die Anforderungen an die optische Leistung, der Produktionsmaßstab und das Kostenbudget – umfassend berücksichtigt werden. Für High-End-Anwendungen, bei denen die Präzision im Vordergrund steht, sollte die Elektronenstrahlverdampfung Vorrang eingeräumt werden. Für die Großserienproduktion, bei der Kosten und Effizienz im Vordergrund stehen, ist das Magnetronsputtern besser geeignet. Für komplexe Leistungsanforderungen kann ein kombiniertes Verfahren der beiden Technologien angewendet werden. In Zukunft wird die integrierte Anwendung der beiden Verfahren mit der kontinuierlichen Innovation der Beschichtungstechnologie die Leistungsgrenzen der optischen Beschichtung weiter ausweiten und einen stärkeren Impuls für die Entwicklung der optischen Industrie liefern.