Η εξατμίλωση με ηλεκτρονική ακτίνα έναντι της ψεκασμού με μαγνητόστρωμα για οπτικές επίστρωσεις

Η οπτική επικάλυψη, ως βασική τεχνολογία για τη βελτίωση της απόδοσης των οπτικών εξαρτημάτων, χρησιμοποιείται ευρέως σε εξοπλισμό λέιζερ, συστήματα απεικόνισης, φωτοβολταϊκές συσκευές και άλλους τομείς.Η ποιότητά του καθορίζει άμεσα τους βασικούς δείκτες των οπτικών συστημάτων, όπως η διαπερατότητα, αντανάκλαση και περιβαλλοντική σταθερότητα.Η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων (E-Beam Evaporation) και η ψεκασμός μαγνητόστρονων (magnetron Sputtering) είναι δύο κύριες τεχνολογίες φυσικής εναπόθεσης ατμού (PVD) σήμερα.Το άρθρο αυτό θα ξεκινήσει από την ουσία της τεχνολογίας,Συστηματική σύγκριση των βασικών πλεονεκτημάτων και περιορισμών των δύο τεχνολογιών, και παρέχουν επιστημονική βάση για την επιλογή της διαδικασίας της οπτικής επικάλυψης.

Και οι δύο τεχνικές επιτυγχάνουν τη μετανάστευση και την εναπόθεση των ατόμων/μοριακών του υλικού-στόχου σε περιβάλλον κενού.αλλά οι διαφορές στους μηχανισμούς διέγερσης και μεταφοράς ενέργειας θέτουν τα θεμέλια για τις μεταγενέστερες διαφορές απόδοσης.

Η τεχνολογία εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων χρησιμοποιεί δέσμες ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας ως φορείς ενέργειας. 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 fieldΗ κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, προκαλώντας το υλικό στόχο να σχηματίσει μια υψηλής θερμοκρασίας λιωμένη ή εξατμισμένη κατάσταση τοπικά.Μετά την απομόνωση των ατόμων/μοριακών του αέριας ύλης-στόχου από την επιφάνεια του υλικού-στόχου, μετακινούνται τυχαία στον θάλαμο κενού και τελικά αποθηκεύονται στην επιφάνεια του προεπεξεργασμένου οπτικού υποστρώματος, σχηματίζοντας ένα ομοιόμορφο φιλμ.τα ψυγεία με νερό μπορούν να αποτρέψουν αποτελεσματικά τις χημικές αντιδράσεις μεταξύ του υλικού-στόχου και του ψυγείουΑυτό το χαρακτηριστικό τους δίνει ένα πλεονέκτημα στην παρασκευή ταινιών υψηλής καθαρότητας.

Η ψεκαστική με μαγνητρόνια βασίζεται στις αρχές της εκτόξευσης αερίων και του βομβαρδισμού ιόντων.Το αδρανές αέριο (συνήθως το άργονο) εισάγεται σε έναν θάλαμο κενού και διεγείρεται από ραδιοσυχνότητα ή συνεχές ηλεκτρικό πεδίο για να σχηματιστεί πλάσμαΥπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ιόντα αργόνου στο πλάσμα επιταχύνουν και βομβαρδίζουν την επιφάνεια του υλικού-στόχου.Η ατμόσφαιρα του υλικού-στόχου πρέπει να είναι καθαρή, ώστε να είναι δυνατή η απομάκρυνση της ατμόσφαιρας από τους περιορισμούς του πλέγματος.Για να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της ψεκασμού, η συσκευή δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο πίσω από το στόχο υλικό.,η πορεία κίνησης των ηλεκτρονίων στο πλάσμα παρατείνεται, αυξάνοντας την πιθανότητα σύγκρουσης με τα μόρια αργονίου, βελτιώνοντας έτσι την πυκνότητα του πλάσματος και τον ρυθμό ψεκασμού.Σύμφωνα με τους διάφορους τύπους των υλικών στόχου, μπορεί να διαιρεθεί σε ψεκασμό μαγνητρών DC (κατάλληλο για στόχους αγωγών) και ψεκασμό μαγνητρών RF (κατάλληλο για στόχους μόνωσης).

Η οπτική επικάλυψη έχει αυστηρές απαιτήσεις για την καθαρότητα, την ομοιομορφία, την πυκνότητα και την κατάσταση έντασης του φιλμ.Οι διαφορές απόδοσης των δύο τεχνολογιών σε αυτούς τους βασικούς δείκτες καθορίζουν άμεσα το πεδίο εφαρμογής τους.

Η καθαρότητα του φιλμ είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει την οπτική απόδοση.Η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων εξασφαλίζει υψηλή καθαρότητα μέσω τριών σημείων.Πρώτον, η ενέργεια της δέσμης ηλεκτρονίων συγκεντρώνεται στην επιφάνεια του υλικού-στόχου, και ο χωνευτής λαμβάνει μόνο μια μικρή ποσότητα θερμότητας μέσω ακτινοβολίας.αποφυγή τήξης και προσκόλλησης του υλικού-στόχου στον χωνευτήραΔεύτερον, έχει υψηλότερο βαθμό κενού (συνήθως φτάνει το επίπεδο 10 °C).^-6Τρίτον, μπορεί να επιτύχει ακριβή εξάτμιση ενός μόνο υλικού-στόχου,αποφυγή διασταυρούμενης μόλυνσης πολλαπλών υλικών-στόχωνΤα πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι η περιεκτικότητα σε ρύπους του SiO₂η ταινία αντιαντανάκλασης που παρασκευάζεται με εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων είναι μικρότερη από 50 ppm,ενώ η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες της διαδικασίας ψεκασμού με μαγνητρόνιο είναι συνήθως 100-200 ppm λόγω των υπολειμματικών ιόντων αερίων στο πλάσμα.

Η έλλειψη καθαρότητας του σπυττέρ μαγνητρονίου οφείλεται κυρίως στο περιβάλλον πλάσματος.και το στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια στόχου θα αναμιχθεί στο φιλμ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψεκασμούΑν και μπορεί να βελτιωθεί αυξάνοντας τον βαθμό κενού και χρησιμοποιώντας προ-σπυττάρισμα των υλικών-στόχων,για οπτικές ταινίες με εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις καθαρότητας (όπως επικάλυψη φακέλων με κοιλότητες με υπερηχητικό λέιζερ), είναι ακόμα δύσκολο να ταιριάξει με την εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων.

Η ομοιομορφία του φιλμ επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια του σχήματος της επιφάνειας των οπτικών εξαρτημάτων, ειδικά κατά την επικάλυψη μεγάλων υποστρωμάτων, είναι ακόμη πιο κρίσιμη.Η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων μπορεί να επιτύχει απόκλιση πάχους ταινίας μικρότερη από ± 1% σε υπόστρωμα διαμέτρου 300 mm με περιστροφή του σταδίου υποστρώματος και βελτιστοποίηση της διαδρομής σάρωσης δέσμης ηλεκτρονίωνΩστόσο, λόγω των χαρακτηριστικών της πηγής εξάτμισης, η εξασθένιση του πάχους είναι πιθανό να συμβεί στην άκρη του υποστρώματος.Η ψεκαστική με μαγνητόστρονες επιτελείται καλύτερα σε υποστρώματα μεγάλου μεγέθους (όπως το φωτοβολταϊκό γυαλί 600 mm * 600 mm) λόγω των χαρακτηριστικών ψεκασμού της "επιφανειακής πηγής" του υλικού-στόχουΗ ομοιομορφία του πάχους μπορεί να ελεγχθεί εντός ± 2% και η κατανομή του πάχους του στρώματος του φιλμ είναι πιο κοντά σε ορθογώνιο, με ασθενέστερη επίδραση άκρων.

Από την άποψη της πυκνότητας, η ψεκασμό μαγνητρονίων έχει ένα πλεονέκτημα.και όταν εναποτίθενται στην επιφάνεια του υποστρώματος, μπορούν να παράγουν ισχυρότερα αποτελέσματα προσρόφησης και διάχυσης, σχηματίζοντας ένα πιο στενά διατεταγμένο πλέγμα με πυκνότητα άνω του 98%.Η συμπαγή αυτή βελτιώνει την αντοχή της ταινίας στην φθορά και την αντοχή στην υγρασία και τη θερμότηταΓια παράδειγμα, το TiO₂η ταινία υψηλής αντανάκλασης που παρασκευάζεται με ψεκασμό μαγνητρονίων έχει εξασθένιση της αντανάκλασης μικρότερη από 0,5% μετά από τοποθέτηση σε θερμοκρασία 85 °C /85% RH για 1000 ώρες.Η πυκνότητα του φιλμ που εξατμίζεται από τη δέσμη ηλεκτρονίων είναι συνήθως μεταξύ 90% και 95%, και η επακόλουθη επεξεργασία ανάψυξης είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της απόδοσής του, αλλά αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές στην πίεση του φιλμ.

Η απόδοση της διαδικασίας αντανακλάται κυρίως στον ρυθμό εναπόθεσης και την παραγωγική ικανότητα.Για μεταλλικούς στόχους (όπως αλουμίνιο και ασήμι), μπορεί να φθάσει τα 50nm/s, ενώ για στόχους οξειδίων (όπως το SiO₂και TiO₂Επιπλέον, η ποσότητα του στόχου που φορτίζεται κάθε φορά είναι περιορισμένη και απαιτούνται συχνές διακοπές για αλλαγές στόχου.Είναι κατάλληλο για μικρές παρτίδες και υψηλής ακρίβειας παραγωγήςΟ ρυθμός αποθέσεως του magnetron sputtering είναι πιο σταθερός. Ο ρυθμός αποθέσεως των στόχων μετάλλου μπορεί να φθάσει τα 20nm/s, και αυτός των στόχων οξειδίου μέσω του αντιδραστικού sputtering μπορεί να φθάσει τα 3-8nm/s.Υποστηρίζει επίσης ταυτόχρονη ψεκασμό πολλαπλών στόχωνΗ παραγωγική ικανότητα μιας μόνο παρτίδας είναι 3-5 φορές μεγαλύτερη από εκείνη της εξατμίσεως δέσμης ηλεκτρονίων.

Όσον αφορά το κόστος, η αρχική επένδυση σε εξοπλισμό εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων είναι σχετικά υψηλή (περίπου 1,5 έως 2 φορές μεγαλύτερη από αυτή του εξοπλισμού ψεκασμού μαγνητρονίων της ίδιας προδιαγραφής),Και το κόστος συντήρησης του ηλεκτρονικού όπλου είναι υψηλό.Η δομή του εξοπλισμού ψεκασμού μαγνητρονίων είναι σχετικά απλή.και το ποσοστό αξιοποίησης του υλικού στόχου μπορεί να φτάσει το 70-80% (ενώ το ποσοστό εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων είναι μόνο 50-60%)Το μακροπρόθεσμο λειτουργικό κόστος είναι χαμηλότερο, καθιστώντας το πιο κατάλληλο για μεγάλης κλίμακας βιομηχανική παραγωγή.

Με βάση τις ανωτέρω διαφορές επιδόσεων, οι δύο τεχνολογίες έχουν δημιουργήσει σαφείς διαφορές εφαρμογής στον τομέα της οπτικής επικάλυψης,αντίστοιχα αντιστοιχούν σε διαφορετικές απαιτήσεις απόδοσης και κλίμακες παραγωγής.

Σε τομείς όπου απαιτείται εξαιρετικά υψηλή καθαρότητα και οπτική ακρίβεια λεπτών ταινιών, η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων είναι μια αναντικατάστατη επιλογή.σε φακούς λέιζερ υψηλής ισχύος που χρησιμοποιούνται σε συσκευές πυρηνικής σύντηξης λέιζερΓια να προετοιμαστούν οι ταινίες αντι-αντανάκλασης με εξαιρετικά χαμηλές απώλειες.₂/Τα₂Ο₅Πολυστρωτές ταινίες που παρασκευάζονται με εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων μπορούν να έχουν συντελεστή απορρόφησης φωτός μικρότερο από 10^-6Για τα συστήματα ανίχνευσης υπέρυθρων του αεροδιαστημικού τομέα, η ανίχνευση του υπέρυθρου είναι πολύ πιο αποτελεσματική από την ανίχνευση των προϊόντων ψεκασμού μαγνητρονίων.οι ταινίες αντι-αντανάκλασης με βάση το Ge που παρασκευάζονται με εξατμισμό δέσμης ηλεκτρονίων μπορούν να ενισχύσουν αποτελεσματικά την υπέρυθρη διαπερατότητα και να διατηρήσουν σταθερές επιδόσεις σε ακραίες θερμοκρασίες (-60 °C έως 120 °C).

Επιπλέον, η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων έχει προφανή πλεονεκτήματα στην παρασκευή ταινιών πολύτιμων μετάλλων.Οι ανακλαστικές ταινίες Au που χρησιμοποιούνται σε οπτικά όργανα υψηλής τεχνολογίας μπορούν να επιτύχουν αντανάκλαση καθρέφτη έως και 990,5% με διαδικασία εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων, με καλή ομοιομορφία του στρώματος του φιλμ και χωρίς ελαττώματα τρύπας.Οι ταινίες Au που παρασκευάζονται με ψεκασμό μαγνητρονίου είναι επιρρεπείς σε τραχύτητα της επιφάνειας λόγω υπολειμμάτων ιόντων αργόνου.

Στους μεγάλους τομείς παραγωγής, όπως η φωτοβολταϊκή ενέργεια, οι οθόνες οθόνης και το γυαλί αυτοκινήτων, η ψεκαστική μαγνητρονίου κυριαρχεί με τα πλεονεκτήματά της όσον αφορά την αποτελεσματικότητα και το κόστος.Στην παραγωγή φωτοβολταϊκών ηλιακών κυττάρων, το διαφανές αγωγό φιλμ ITO που παρασκευάζεται με ψεκασμό μαγνητρονίων μπορεί να ελέγχει την αντίσταση του μπλοκ εντός 10Ω/τ.μ., με διαπερατότητα άνω του 90%,και η ημερήσια παραγωγική ικανότητα μιας μονάδας παραγωγής μπορεί να φθάσει τα 100Στην επικάλυψη των παρμπρίζ των αυτοκινήτων, το θερμομόνωμα φιλμ που παρασκευάζεται με σπυττάρισμα μαγνητρονίων μπορεί να εμποδίσει αποτελεσματικά πάνω από το 90% της υπέρυθρης ακτινοβολίας,και το στρώμα ταινίας έχει ισχυρή προσκόλλησηΔεν έχει ξεφλουδιστεί μετά από 2.000 δοκιμές τριβής.

Στο πεδίο της οθόνης, η ψεκαστική μαγνητρονίου είναι η βασική τεχνολογία για την επικάλυψη ηλεκτροδίων των συσκευών OLED.Το αγωγό φιλμ από κράμα Ag που παράγει όχι μόνο εξασφαλίζει υψηλή αγωγιμότητα αλλά έχει επίσης καλή ευελιξία, η οποία μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις κάμψης των αναδιπλούμενων οθόνων.η τεχνολογία αντιδραστικής ψεκασμού του ψεκασμού με μαγνητρόνιο μπορεί να προετοιμάσει απευθείας ταινίες οξειδίου χωρίς επακόλουθη επεξεργασία οξείδωσης, που απλοποιεί τη ροή της διαδικασίας και είναι κατάλληλο για μαζική παραγωγή οπτικών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων καταναλωτικής χρήσης, όπως οι φακοί φωτογραφικών μηχανών κινητών τηλεφώνων.

Με την εξέλιξη της οπτικής τεχνολογίας, μια ενιαία τεχνολογία επίστρωσης έχει καταστεί δύσκολη για την κάλυψη των πολύπλοκων απαιτήσεων απόδοσης,και η ολοκληρωμένη εφαρμογή των δύο τεχνολογιών έχει γίνει ένα νέοΓια παράδειγμα, στην επικάλυψη φακών υψηλής τεχνολογίας φωτογραφικών μηχανών, υιοθετείται μια σύνθετη διαδικασία "εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων + ψεκασμού μαγνητρονίων":Η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται για την προετοιμασία του πυρήνα υψηλής καθαρότητας οπτικού στρώματοςΗ μέθοδος αυτή εξασφαλίζει όχι μόνο την οπτική απόδοση, αλλά επίσης ενισχύει τη μηχανική αντοχή του στρώματος του φιλμ.

Επιπλέον, και οι δύο τεχνολογίες αναβαθμίζονται συνεχώς.Η ψεκαστική με μαγνητρόνια έχει αναπτύξει τεχνολογία υψηλής ισχύος με παλμική ψεκαστική με μαγνητρόνια (HiPIMS), η οποία μπορεί να αυξήσει σημαντικά την κινητική ενέργεια των ψεκασμένων σωματιδίων και να παρασκευάσει φιλμ με καθαρότητα και πυκνότητα κοντά σε εκείνες της εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων.Αυτές οι τεχνολογικές καινοτομίες μειώνουν το χάσμα απόδοσης μεταξύ των δύο διαδικασιών και παρέχουν περισσότερες επιλογές για οπτική επικάλυψη.

Η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων και η ψεκασμός μαγνητρονίων δεν βρίσκονται σε ανταγωνιστική σχέση, αλλά είναι μάλλον συμπληρωματικές τεχνολογίες προσαρμοσμένες σε διαφορετικές απαιτήσεις οπτικής επικάλυψης.Εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων, με τα πλεονεκτήματα της υψηλής καθαρότητας και της υψηλής ακρίβειας, είναι κατάλληλο για την παραγωγή μικρών παρτίδων οπτικών εξαρτημάτων υψηλής ακρίβειας και ειδικών λειτουργικών ταινιών,και είναι ιδιαίτερα αναντικατάστατο σε υψηλής τεχνολογίας τομείς όπως οι λέιζερ και η αεροδιαστημικήΗ ψεκαστική με μαγνητόστρωμα, με την υψηλή παραγωγική της ικανότητα και το χαμηλό κόστος, έχει γίνει η προτιμώμενη επιλογή σε βιομηχανικούς τομείς μεγάλης κλίμακας, όπως η φωτοβολταϊκή ενέργεια και τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά.

Κατά την επιλογή της πραγματικής διαδικασίας, πρέπει να ληφθούν πλήρως υπόψη τρεις βασικοί παράγοντες - οι απαιτήσεις οπτικής απόδοσης, η κλίμακα παραγωγής και ο προϋπολογισμός κόστους.Για εφαρμογές υψηλού επιπέδου που δίνουν προτεραιότητα στην ακρίβειαΓια την παραγωγή μεγάλης κλίμακας, όπου το κόστος και η αποτελεσματικότητα είναι προτεραιότητα, η ψεκαστική μαγνητρονίου είναι πιο κατάλληλη.,Η εν λόγω τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες.Η ολοκληρωμένη εφαρμογή των δύο διαδικασιών θα διευρύνει περαιτέρω τα όρια απόδοσης της οπτικής επικάλυψης και θα παράσχει ισχυρότερη ώθηση για την ανάπτυξη της οπτικής βιομηχανίας..