Dua raksasa dunia film tipis: Analisis perbedaan inti antara magnetron sputtering dan ion plating

Inti dari magnetron sputtering adalah "efek kolaboratif dari pemboman ion energi tinggi + pembatasan medan magnet". Prinsip kerjanya dapat diringkas menjadi tiga langkah kunci: Pertama,gas argon inert dimasukkan ke ruang vakum, dan plasma terbentuk melalui rangsangan medan listrik; kemudian ion argon dipercepat oleh medan listrik dan membombardir permukaan bahan target,"Membenturkan" atom bahan target; titik yang paling penting adalah bahwa medan magnet di belakang target akan mengikat elektron dekat permukaan target untuk melakukan gerakan spiral,Meningkatkan secara signifikan efisiensi ionisasi gas argon, dan akhirnya memungkinkan atom bahan target yang disemprotkan untuk secara merata menetap di permukaan substrat untuk membentuk film.Desain "percepatan medan listrik + kendala medan magnet" ini memecahkan masalah kecepatan produksi yang lambat dan suhu substrat yang tinggi dalam penyemprotan tradisional, menjadi teknologi inti untuk produksi massal industri.

Ion plating adalah proses komposit dari "evaporation / sputtering + ionisasi + akselerasi medan listrik", yang dikenal sebagai "kombinasi penguapan vakum dan sputtering".Pertama, bahan target membentuk partikel gas melalui penguapan atau penyemprotan, maka partikel-partikel ini diisi oleh pelepasan cahaya menjadi ion energi tinggi; kemudian,di bawah pengaruh medan listrik yang kuat, ion-ion ini dipercepat ke arah substrat, tidak hanya membersihkan kotoran di permukaan substrat, tetapi juga membentuk ikatan kuat dengan substrat dengan energi kinetik yang tinggi.Metode pengendapan ionisasi ini memungkinkan lompatan kekuatan ikatan antara lapisan film dan substrat.

Adhesi adalah indikator inti untuk mengukur daya tahan lapisan film.3-10N/cm, sementara plating ion dapat mencapai5-15N/cmSebagai contoh, dalam pengujian pengendapan film aluminium pada substrat kaca, adhesi lapisan ion mencapai12N/cm, yang lebih dari5 kaliKeuntungan ini berasal dari efek penyemprotan ion pada substrat yang dapat membentuk lapisan yang lebih kecil.1-5nmlapisan transisi campuran, mencapai "ikatan tingkat atom" antara lapisan film dan substrat.

Tingkat deposisi secara langsung mempengaruhi efisiensi produksi.10-100nm/menit, dan film senyawa adalah5-30nm/menit; sementara laju plating ion umumnya lebih lambat, hanya5-50nm/menitSebagai contoh, dalam kasus film ITO yang digunakan dalam layar tampilan, magnetron sputtering dapat menyelesaikan200nmlapisan tebal di1 jam, sedangkan plating ion membutuhkan2-3 jamHal ini karena proses ionisasi mengkonsumsi sebagian energi, sehingga mengurangi jumlah partikel yang efektif disimpan.

Dalam skenario pelapis skala besar, keuntungan seragam magnetron sputtering sangat jelas.magnetron sputtering dapat mengontrol penyimpangan ketebalan film substrat area besar dalam± 1%-5%, sedangkan keseragaman lapisan ion biasanya± 3%-7%Data produksi dari produsen panel display menunjukkan bahwa untuk lini generasi ke-6 dengan substrat kaca (1500mm * 1800mm), film ITO didepositkan dengan magnetron sputtering, dengan keseragaman ketebalan mencapai± 1%. Hasil dari produksi terus-menerus500 buahsetinggi97%, jauh melebihi85%dari ion sputtering.

Temperatur dasar adalah parameter kunci yang menentukan kemampuan proses untuk beradaptasi.dan suhu dasar dapat dikontrol dalamsuhu kamar hingga 300°C, dan beberapa proses bahkan dapat mempertahankan suhu ruangan; sementara ion sputtering karena pengeboman ion menghasilkan panas, suhu dasar umumnya dalam kisaran150-500°CPerbedaan ini memungkinkan magnetron sputtering untuk beradaptasi dengan bahan yang sensitif terhadap panas seperti film fleksibel PET dan perangkat MEMS - ketika mendepositkan elektroda Au pada2 μmtebal MEMS cantilever, magnetron sputtering hanya meningkatkan suhu dasar untuk80°C, dan penyimpangan dari perubahan cantilever hanya dengan0.1 μm; sementara350°CSuhu tinggi dari ion sputtering akan menyebabkan kantilever langsung membengkok dan gagal.

Magnetron sputtering mendukung berbagai mode seperti co-sputtering dan sputtering reaktif, dan dapat mempersiapkan berbagai jenis film, termasuk ITO transparan film konduktif, TiN film keras, dll,dan bahan kompleks seperti ITO dan TiNIon sputtering lebih mahir dalam mempersiapkan logam dan keramik hard coatings, seperti TiAlN dan CrN, dan memiliki keterbatasan dalam lapisan bahan organik dan paduan titik leleh rendah.Misalnya, ketika lapisan Cu film pada papan sirkuit fleksibel layar ponsel, magnetron sputtering dapat diselesaikan pada60°C, dan pergeseran pergeseran kantilever hanya dengan0.1 μm; sementara suhu tinggi dari350°Cdari ion sputtering akan menyebabkan film PET mengecil dan cacat, dan tidak berlaku.

Keuntungan terbesar dari magnetron sputtering terletak pada produksi yang stabil dan kemampuan beradaptasi pada suhu rendah.Sistem kontrol loop tertutupnya dapat memantau parameter seperti ketebalan film dan komposisi gas secara real time, dengan kesalahan ketebalan film dikontrol dalam± 0,1 nm, dan hasil masih dapat mempertahankan lebih dari99%untuk30 hari berturut-turutPada saat yang sama, tingkat pemanfaatan target dapat dicapai.60%-80%, menghemat20%biaya bahan yang lebih tinggi daripada penyemprotan tradisional. Namun, teknologi ini juga memiliki keterbatasan: kinerja lubang pengisi yang buruk dan kemampuan penutup langkah yang lemah,dan tidak seragam seperti ion sputtering pada permukaan melengkung kompleks; dan struktur peralatan yang kompleks, dengan biaya investasi awal yang lebih tinggi.

Fitur yang luar biasa dari ion sputtering adalah perekatannya yang sangat kuat dan kemampuan beradaptasi permukaan.bahkan jika bentuk substratnya kompleks (seperti tepi pisau pemotong atau rongga cetakan)Dalam uji ketahanan keausan, lapisan TiN (2 μmtebal) dari ion sputtering (2 μmtebal) di bawah1kggesekan beban untuk100,000 kalimemiliki jumlah keausan hanya0.2μmNamun, kekurangan dari ion sputtering juga sangat jelas: laju deposisi yang lambat yang mengakibatkan efisiensi produksi yang rendah,suhu tinggi yang rentan merusak substrat sensitif, dan pengendalian parameter proses yang kompleks, dengan risiko lebih tinggi dari pengenalan kotoran gas daripada penyemprotan magnetron.

Karena keseragaman luasnya dan keuntungan deposisi suhu rendah, magnetron sputtering banyak digunakan dalam elektronik, optik, dan bidang energi baru:

• Industri elektronik: ITO film konduktif transparan untuk layar tampilan, elektroda kepala magnet hard disk, film Cu untuk papan sirkuit fleksibel;
• Industri optik: Film anti-refleksi untuk lensa kacamata, film anti-refleksi untuk penutup kaca ponsel;
• Industri energi baru: Aluminium backfield untuk sel surya, lapisan untuk tab elektroda baterai.20nmtebal) disiapkan dengan magnetron sputtering, dengan penyimpangan komponen dikontrol dalam± 0,5%, memenuhi persyaratan presisi tinggi dari kepala magnet.

Perekat ion yang sangat kuat membuatnya menjadi pilihan yang disukai untuk pelapis keras dan pelapis benda kerja yang kompleks:

• Pengolahan: TiN, TiAlN ultra-hard coatings untuk alat pemotong dan cetakan, dapat memperpanjang umur layanan dengan3-10 kali;
• Industri dekorasi: film dekoratif tahan aus untuk perangkat keras kamar mandi dan jam tangan kelas atas, menggabungkan keindahan dan daya tahan;
• Aerospace: Lapisan pelindung suhu tinggi untuk bilah mesin dan gigi, mampu menahan suhu di atas800°C.

Dalam bidang cetakan otomotif, lapisan TiAlN dari plating ion memiliki kekerasan3200HV, yang memungkinkan cetakan untuk terus-menerus stamp100,000 kaliatau lebih tanpa keausan yang jelas.