E-Beam Evaporation vs Magnetron Sputtering untuk Lapisan Optik

Lapisan optik, sebagai teknologi inti untuk meningkatkan kinerja komponen optik, banyak digunakan dalam peralatan laser, sistem pencitraan, perangkat fotovoltaik dan bidang lainnya.Kualitasnya secara langsung menentukan indikator utama sistem optik seperti transmisi, reflektansi dan stabilitas lingkungan.Electron Beam Evaporation (E-Beam Evaporation) dan Magnetron Sputtering (magnetron Sputtering) adalah dua teknologi pendinginan uap fisik (PVD) saat ini, dan ada perbedaan yang signifikan di antara mereka dalam prinsip pelapis, kinerja dan skenario aplikasi.secara sistematis membandingkan keuntungan dan keterbatasan inti dari kedua teknologi, dan memberikan dasar ilmiah untuk pemilihan proses pelapis optik.

Kedua teknik ini mencapai migrasi dan deposisi atom/molekul bahan target dalam lingkungan vakum,tapi perbedaan dalam mekanisme rangsangan energi dan transfer meletakkan dasar untuk perbedaan kinerja mereka berikutnya.

Teknologi penguapan sinar elektron menggunakan sinar elektron bertenaga tinggi sebagai pembawa energi. 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 fieldEnergi kinetik elektron diubah menjadi energi termal, menyebabkan bahan target membentuk keadaan cair atau menguap pada suhu tinggi secara lokal.Setelah atom/molekul bahan target gas lepas dari permukaan bahan target, mereka bergerak secara acak di ruang vakum dan akhirnya deposit di permukaan substrat optik pra-diobati, membentuk film seragam.crucibles air-dingin dapat secara efektif mencegah reaksi kimia antara bahan target dan crucibleFitur ini memberi mereka keuntungan dalam persiapan film kemurnian tinggi.

Magnetron sputtering didasarkan pada prinsip pelepasan gas dan pemboman ion.Gas inert (biasanya argon) dimasukkan ke dalam ruang vakum dan dihidupkan oleh frekuensi radio atau medan listrik arus searah untuk membentuk plasmaDi bawah tindakan medan listrik, argon ion dalam plasma mempercepat dan bom permukaan bahan target,memungkinkan atom bahan target untuk mendapatkan energi yang cukup untuk melepaskan diri dari kendala kisi (iUntuk meningkatkan efisiensi penyemprotan, perangkat mengatur medan magnet di belakang bahan target.,jalur gerak elektron di plasma diperpanjang, meningkatkan probabilitas tabrakan dengan molekul argon, sehingga meningkatkan kepadatan plasma dan tingkat penyemprotan.Menurut berbagai jenis bahan target, dapat dibagi menjadi DC magnetron sputtering (cocok untuk sasaran konduktor) dan RF magnetron sputtering (cocok untuk tujuan isolasi).

Lapisan optik memiliki persyaratan yang ketat untuk kemurnian, keseragaman, kepadatan dan keadaan tegangan film.Perbedaan kinerja kedua teknologi dalam indikator inti ini secara langsung menentukan ruang lingkup aplikasi mereka.

Kebersihan film adalah faktor kunci yang mempengaruhi kinerja optik. Kandungan kotoran yang berlebihan akan menyebabkan peningkatan penyerapan cahaya dan penurunan transmisi.penguapan sinar elektron memastikan kemurnian tinggi melalui tiga titikPertama, energi dari sinar elektron terkonsentrasi pada permukaan bahan target, dan crevice hanya menerima sejumlah kecil panas melalui radiasi,menghindari peleburan dan adhesi material target ke creviceKedua, ia memiliki tingkat vakum yang lebih tinggi (biasanya mencapai tingkat 10 °C).^{- 6}Pa), mengurangi kontaminasi partikel yang menguap oleh molekul gas.menghindari kontaminasi silang dari beberapa bahan targetData eksperimental menunjukkan bahwa kandungan kotoran SiO₂film anti-refleksi yang disiapkan dengan penguapan sinar elektron kurang dari 50 ppm,sedangkan kandungan kotoran dari proses magnetron sputtering biasanya 100-200 PPM karena ion gas residual di plasma.

Kekurangan kemurnian magnetron sputtering terutama berasal dari lingkungan plasma.dan lapisan oksida pada permukaan target akan dicampur ke dalam film selama proses sputteringMeskipun dapat ditingkatkan dengan meningkatkan tingkat vakum dan menggunakan pra-sputtering bahan target,untuk film optik dengan persyaratan kemurnian yang sangat tinggi (seperti lapisan lensa rongga resonan laser), masih sulit untuk mencocokkan penguapan sinar elektron.

Keseragaman film secara langsung mempengaruhi akurasi bentuk permukaan komponen optik, terutama ketika melapisi substrat berukuran besar, bahkan lebih penting.Evaporasi sinar elektron dapat mencapai penyimpangan ketebalan film kurang dari ± 1% pada substrat diameter 300 mm dengan memutar tahap substrat dan mengoptimalkan jalur pemindaian sinar elektronNamun, karena karakteristik "sumber titik" dari sumber penguapan, atenuasi ketebalan cenderung terjadi di tepi substrat.Magnetron sputtering berkinerja lebih baik pada substrat berukuran besar (seperti kaca fotovoltaik 600mm * 600mm) karena karakteristik "surface source" sputtering dari bahan targetPersamaan ketebalan dapat dikontrol dalam ± 2%, dan distribusi ketebalan lapisan film lebih dekat ke persegi panjang, dengan efek tepi yang lebih lemah.

Dalam hal kepadatan, magnetron sputtering memiliki keuntungan. partikel yang disemprotkan memiliki energi kinetik yang lebih tinggi (biasanya 10 sampai 100 kali dari partikel sinar elektron yang menguap),dan ketika terdeposit pada permukaan substrat, mereka dapat menghasilkan efek adsorpsi dan difusi yang lebih kuat, membentuk kisi film yang lebih dekat dengan kepadatan lebih dari 98%.Kompakitas ini meningkatkan ketahanan film terhadap keausan dan kelembaban dan panasMisalnya, TiO₂film reflektif tinggi yang disiapkan dengan magnetron sputtering memiliki attenuasi reflektansi kurang dari 0,5% setelah ditempatkan pada 85 °C /85% RH selama 1000 jam.Kepadatan film yang menguap oleh sinar elektron biasanya antara 90% dan 95%, dan perawatan penggilingan berikutnya diperlukan untuk meningkatkan kinerjanya, tetapi ini dapat menyebabkan perubahan tekanan film.

Efisiensi proses terutama tercermin dalam tingkat deposisi dan kapasitas produksi.Untuk target logam (seperti aluminium dan perak), dapat mencapai 50nm/s, sedangkan untuk target oksida (seperti SiO₂dan TiO₂), hanya 1-5nm/s. Selain itu, jumlah target yang dimuat pada satu waktu terbatas, dan shutdown yang sering diperlukan untuk perubahan target.Ini cocok untuk produksi batch kecil dan presisi tinggi. Tingkat deposisi magnetron sputtering lebih stabil. Tingkat deposisi target logam dapat mencapai 20nm / s, dan target oksida melalui sputtering reaktif dapat mencapai 3-8nm / s.Ini juga mendukung sputtering simultan dari beberapa targetKapasitas produksi satu batch adalah 3-5 kali dari penguapan sinar elektron.

Dari segi biaya, investasi awal dalam peralatan penguapan sinar elektron relatif tinggi (sekitar 1,5 sampai 2 kali dari peralatan penyemprotan magnetron dari spesifikasi yang sama),dan biaya pemeliharaan senjata elektron tinggi, dengan filamen dan katode perlu diganti setiap 1.000 jam. Struktur peralatan magnetron sputtering relatif sederhana,dan tingkat pemanfaatan bahan target dapat mencapai 70-80% (sedangkan dari penguapan sinar elektron hanya 50-60%)Biaya operasional jangka panjang lebih rendah, sehingga lebih cocok untuk produksi industri skala besar.

Berdasarkan perbedaan kinerja di atas, kedua teknologi telah membentuk pembagian aplikasi yang jelas di bidang pelapis optik,masing-masing sesuai dengan persyaratan kinerja yang berbeda dan skala produksi.

Dalam bidang di mana kemurnian yang sangat tinggi dan akurasi optik dari film tipis diperlukan, penguapan sinar elektron adalah pilihan yang tak tergantikan.dalam lensa laser bertenaga tinggi yang digunakan dalam perangkat laser fusi nuklir, perlu untuk mempersiapkan film anti-refleksi dengan kerugian yang sangat rendah.₂/ Ta₂O₅film multilayer yang disiapkan dengan penguapan sinar elektron dapat memiliki koefisien penyerapan cahaya kurang dari 10^{- 6}Dalam sistem deteksi inframerah bidang aerospace,film anti-refleksi berbasis Ge yang dibuat dengan penguapan sinar elektron dapat secara efektif meningkatkan transmisi inframerah dan mempertahankan kinerja stabil pada suhu ekstrim (-60 °C hingga 120 °C).

Selain itu, penguapan sinar elektron memiliki keuntungan yang jelas dalam persiapan film logam mulia.Film reflektif Au yang digunakan dalam instrumen optik kelas atas dapat mencapai reflektivitas cermin hingga 990,5% dengan proses penguapan sinar elektron, dengan keseragaman lapisan film yang baik dan tidak ada cacat lubang jarum.Film Au yang disiapkan dengan magnetron sputtering rentan terhadap kekasaran permukaan karena ion argon residual.

Dalam bidang produksi skala besar seperti fotovoltaik, panel display, dan kaca otomotif, magnetron sputtering mendominasi dengan keuntungannya dalam efisiensi dan biaya.Dalam produksi sel surya fotovoltaik, film konduktif transparan ITO yang disiapkan dengan magnetron sputtering dapat mengontrol resistensi blok dalam 10Ω/sq, dengan transmisi lebih dari 90%,dan kapasitas produksi harian dari satu lini produksi dapat mencapai 100Dalam pelapis kaca depan mobil, film isolasi panas yang dibuat dengan magnetron sputtering dapat secara efektif memblokir lebih dari 90% radiasi inframerah,dan lapisan film memiliki adhesi yang kuatTidak lepas setelah 2.000 tes gesekan.

Dalam bidang tampilan, magnetron sputtering adalah teknologi inti untuk lapisan elektroda perangkat OLED.Film konduktif paduan Ag yang dibuat olehnya tidak hanya memastikan konduktivitas tinggi tetapi juga memiliki fleksibilitas yang baik, yang dapat memenuhi persyaratan lentur layar lipat.teknologi penyemprotan reaktif penyemprotan magnetron dapat secara langsung mempersiapkan film oksida tanpa perawatan oksidasi berikutnya, menyederhanakan aliran proses dan cocok untuk produksi massal komponen optik elektronik konsumen seperti lensa kamera ponsel.

Dengan perkembangan teknologi optik, teknologi pelapis tunggal menjadi sulit untuk memenuhi persyaratan kinerja yang kompleks,dan aplikasi terintegrasi dari kedua teknologi telah menjadi tren baruSebagai contoh, dalam pelapisan lensa kamera kelas atas, proses komposit "pengembunan sinar elektron + magnetron sputtering" diadopsi:penguapan sinar elektron digunakan untuk mempersiapkan lapisan film optik murni tinggi inti, dan magnetron sputtering digunakan untuk mempersiapkan lapisan pelindung permukaan tahan aus. Ini tidak hanya memastikan kinerja optik tetapi juga meningkatkan kekuatan mekanik lapisan film.

Selain itu, kedua teknologi terus ditingkatkan. penguapan sinar elektron mencapai kontrol yang tepat dari tingkat deposisi dengan memperkenalkan pistol elektron berdenyut.Magnetron sputtering telah mengembangkan teknologi pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) bertenaga tinggi, yang dapat secara signifikan meningkatkan energi kinetik partikel yang disemprotkan dan mempersiapkan film dengan kemurnian dan kepadatan yang dekat dengan penguapan sinar elektron.Inovasi teknologi ini mempersempit kesenjangan kinerja antara kedua proses dan menyediakan lebih banyak pilihan untuk pelapis optik.

Vaporisasi sinar elektron dan magnetron sputtering tidak berada dalam hubungan kompetitif tetapi teknologi komplementer yang disesuaikan dengan persyaratan pelapis optik yang berbeda.Evaporasi sinar elektron, dengan keunggulan kemurnian tinggi dan presisi tinggi, cocok untuk produksi seri kecil komponen optik presisi tinggi dan film fungsional khusus,dan terutama tak tergantikan di bidang high-end seperti laser dan aerospaceMagnetron sputtering, dengan kapasitas produksi yang tinggi dan biaya yang rendah, telah menjadi pilihan yang disukai di bidang industri skala besar seperti fotovoltaik dan elektronik konsumen.

Dalam pemilihan proses yang sebenarnya, tiga faktor inti - persyaratan kinerja optik, skala produksi, dan anggaran biaya - perlu dipertimbangkan secara komprehensif.Untuk aplikasi high-end yang memprioritaskan presisiUntuk produksi skala besar di mana biaya dan efisiensi diprioritaskan, magnetron sputtering lebih cocok.,proses gabungan dari kedua teknologi dapat diadopsi. Di masa depan, dengan inovasi terus-menerus teknologi pelapis,aplikasi terintegrasi dari kedua proses akan lebih memperluas batas kinerja pelapis optik dan memberikan dorongan yang lebih kuat untuk pengembangan industri optik.