Evaporazione del raggio elettromagnetico contro sputtering magnetronico per rivestimenti ottici

Il rivestimento ottico, in quanto tecnologia fondamentale per migliorare le prestazioni dei componenti ottici, è ampiamente utilizzato in apparecchiature laser, sistemi di imaging, dispositivi fotovoltaici e altri settori. La sua qualità determina direttamente indicatori chiave dei sistemi ottici come trasmittanza, riflettanza e stabilità ambientale. L'evaporazione a fascio di elettroni (E-Beam Evaporation) e lo sputtering magnetron (magnetron Sputtering) sono due tecnologie di deposizione fisica da vapore (PVD) principali al momento, e ci sono differenze significative tra loro nei principi di rivestimento, nelle prestazioni e negli scenari applicativi. Questo articolo partirà dall'essenza della tecnologia, confrontando sistematicamente i vantaggi e i limiti principali delle due tecnologie e fornendo una base scientifica per la selezione del processo di rivestimento ottico.

Entrambe le tecniche raggiungono la migrazione e la deposizione di atomi/molecole del materiale bersaglio in un ambiente sottovuoto, ma le differenze nell'eccitazione energetica e nei meccanismi di trasferimento pongono le basi per le successive differenze di prestazioni.

La tecnologia di evaporazione a fascio di elettroni utilizza fasci di elettroni ad alta energia come vettori di energia. Gli elettroni generati da una pistola elettronica vengono accelerati da alta tensione e quindi bombardano con precisione la superficie del materiale bersaglio posto in un crogiolo raffreddato ad acqua sotto l'effetto di focalizzazione di un campo magnetico. L'energia cinetica degli elettroni viene convertita in energia termica, facendo sì che il materiale bersaglio formi localmente uno stato fuso o evaporato ad alta temperatura. Dopo che gli atomi/molecole del materiale bersaglio gassoso si sono staccati dalla superficie del materiale bersaglio, si muovono casualmente nella camera a vuoto e alla fine si depositano sulla superficie del substrato ottico pretrattato, formando un film uniforme. Durante l'intero processo, i crogioli raffreddati ad acqua possono prevenire efficacemente le reazioni chimiche tra il materiale bersaglio e il crogiolo, riducendo la contaminazione da impurità. Questa caratteristica conferisce loro un vantaggio nella preparazione di film ad alta purezza.

Lo sputtering magnetron si basa sui principi della scarica di gas e del bombardamento ionico. Il gas inerte (di solito argon) viene introdotto in una camera a vuoto ed eccitato da un campo elettrico a radiofrequenza o a corrente continua per formare plasma. Sotto l'azione di un campo elettrico, gli ioni argon nel plasma accelerano e bombardano la superficie del materiale bersaglio, consentendo agli atomi del materiale bersaglio di ottenere energia sufficiente per liberarsi dai vincoli del reticolo (cioè il processo di "sputtering"). Per migliorare l'efficienza di sputtering, il dispositivo imposta un campo magnetico dietro il materiale bersaglio. Attraverso l'effetto di confinamento del campo magnetico sugli elettroni, il percorso di movimento degli elettroni nel plasma viene prolungato, aumentando la probabilità di collisione con le molecole di argon, migliorando così la densità del plasma e la velocità di sputtering. In base ai diversi tipi di materiali bersaglio, può essere suddiviso in sputtering magnetron DC (adatto per bersagli conduttori) e sputtering magnetron RF (adatto per bersagli isolanti).

Il rivestimento ottico ha requisiti rigorosi per la purezza, l'uniformità, la densità e lo stato di sollecitazione del film. Le differenze di prestazioni delle due tecnologie in questi indicatori chiave determinano direttamente il loro ambito di applicazione.

La purezza del film è un fattore chiave che influenza le prestazioni ottiche. Un contenuto eccessivo di impurità porterà ad un aumento dell'assorbimento della luce e ad una diminuzione della trasmittanza. L'evaporazione a fascio di elettroni garantisce un'elevata purezza attraverso tre punti: In primo luogo, l'energia del fascio di elettroni è concentrata sulla superficie del materiale bersaglio e il crogiolo riceve solo una piccola quantità di calore attraverso la radiazione, evitando la fusione e l'adesione del materiale bersaglio al crogiolo. In secondo luogo, ha un grado di vuoto più elevato (di solito raggiunge il livello di 10^-6 Pa), riducendo la contaminazione delle particelle evaporate da molecole di gas. In terzo luogo, può ottenere una precisa evaporazione di un singolo materiale bersaglio, evitando la contaminazione incrociata di più materiali bersaglio. I dati sperimentali mostrano che il contenuto di impurità del film antiriflesso SiO₂ preparato mediante evaporazione a fascio di elettroni è inferiore a 50 ppm, mentre il contenuto di impurità del processo di sputtering magnetron è solitamente 100-200 PPM a causa degli ioni di gas residui nel plasma.

La carenza di purezza dello sputtering magnetron deriva principalmente dall'ambiente del plasma. Gli ioni argon possono incorporarsi nel reticolo del film e lo strato di ossido sulla superficie del bersaglio verrà miscelato nel film durante il processo di sputtering. Sebbene possa essere migliorato aumentando il grado di vuoto e utilizzando il pre-sputtering dei materiali bersaglio, per i film ottici con requisiti di purezza ultra-elevata (come il rivestimento delle lenti della cavità risonante laser), è ancora difficile eguagliare l'evaporazione a fascio di elettroni.

L'uniformità del film influisce direttamente sull'accuratezza della forma della superficie dei componenti ottici, soprattutto quando si rivestono substrati di grandi dimensioni, è ancora più cruciale. L'evaporazione a fascio di elettroni può raggiungere una deviazione dello spessore del film inferiore a ±1% su un substrato di 300 mm di diametro ruotando lo stadio del substrato e ottimizzando il percorso di scansione del fascio di elettroni. Tuttavia, a causa delle caratteristiche del "punto sorgente" della sorgente di evaporazione, l'attenuazione dello spessore è incline a verificarsi sul bordo del substrato. Lo sputtering magnetron funziona meglio su substrati di grandi dimensioni (come vetro fotovoltaico da 600 mm * 600 mm) grazie alle caratteristiche di sputtering della "sorgente superficiale" del materiale bersaglio. L'uniformità dello spessore può essere controllata entro ±2% e la distribuzione dello spessore dello strato di film è più vicina a un rettangolo, con un effetto bordo più debole.

In termini di densità, lo sputtering magnetron ha un vantaggio. Le particelle spruzzate hanno un'energia cinetica più elevata (tipicamente da 10 a 100 volte quella delle particelle evaporate a fascio di elettroni) e, quando vengono depositate sulla superficie del substrato, possono produrre effetti di adsorbimento e diffusione più forti, formando un reticolo di film più strettamente disposto con una densità superiore al 98%. Questa compattezza aumenta la resistenza all'usura del film e la resistenza all'umidità e al calore. Ad esempio, il film ad alta riflessione TiO₂ preparato mediante sputtering magnetron ha un'attenuazione della riflettanza inferiore allo 0,5% dopo essere stato posto a 85 °C /85%RH per 1000 ore. La densità del film evaporato a fascio di elettroni è solitamente compresa tra il 90% e il 95% ed è necessario un successivo trattamento di ricottura per migliorarne le prestazioni, ma ciò può portare a cambiamenti nello stress del film.

L'efficienza del processo si riflette principalmente nella velocità di deposizione e nella capacità produttiva. La velocità di deposizione dell'evaporazione a fascio di elettroni varia notevolmente con il tipo di materiale bersaglio. Per i bersagli metallici (come alluminio e argento), può raggiungere i 50 nm/s, mentre per i bersagli di ossido (come SiO₂ e TiO₂), è solo 1-5 nm/s. Inoltre, la quantità di bersaglio caricata in una volta è limitata e sono necessari frequenti arresti per i cambi di bersaglio. È adatto per la produzione di piccoli lotti e ad alta precisione. La velocità di deposizione dello sputtering magnetron è più stabile. La velocità di deposizione dei bersagli metallici può raggiungere i 20 nm/s e quella dei bersagli di ossido attraverso lo sputtering reattivo può raggiungere i 3-8 nm/s. Supporta anche lo sputtering simultaneo di più bersagli, consentendo la deposizione continua di film multistrato. La capacità di produzione a lotto singolo è da 3 a 5 volte quella dell'evaporazione a fascio di elettroni.

In termini di costi, l'investimento iniziale in apparecchiature di evaporazione a fascio di elettroni è relativamente elevato (circa 1,5-2 volte quello delle apparecchiature di sputtering magnetron della stessa specifica) e il costo di manutenzione della pistola elettronica è elevato, con il filamento e il catodo che devono essere sostituiti ogni 1.000 ore. La struttura delle apparecchiature di sputtering magnetron è relativamente semplice e il tasso di utilizzo del materiale bersaglio può raggiungere il 70-80% (mentre quello dell'evaporazione a fascio di elettroni è solo il 50-60%). Il costo operativo a lungo termine è inferiore, rendendolo più adatto alla produzione industriale su larga scala.

Sulla base delle suddette differenze di prestazioni, le due tecnologie hanno formato chiare divisioni applicative nel campo del rivestimento ottico, corrispondenti rispettivamente a diversi requisiti di prestazioni e scale di produzione.

Nei settori in cui sono richieste purezza e accuratezza ottica estremamente elevate dei film sottili, l'evaporazione a fascio di elettroni è una scelta insostituibile. Ad esempio, nelle lenti laser ad alta potenza utilizzate nei dispositivi di fusione nucleare laser, è necessario preparare film antiriflesso con perdite estremamente basse. I film multistrato SiO₂/Ta₂O₅ preparati mediante evaporazione a fascio di elettroni possono avere un coefficiente di assorbimento della luce inferiore a 10^-6, che è di gran lunga superiore a quello dei prodotti di sputtering magnetron. Nei sistemi di rilevamento a infrarossi del settore aerospaziale, i film antiriflesso a base di Ge preparati mediante evaporazione a fascio di elettroni possono migliorare efficacemente la trasmittanza a infrarossi e mantenere prestazioni stabili a temperature estreme (-60°C a 120°C).

Inoltre, l'evaporazione a fascio di elettroni presenta evidenti vantaggi nella preparazione di film di metalli preziosi. I film riflettenti Au utilizzati in strumenti ottici di fascia alta possono raggiungere una riflettività a specchio fino al 99,5% mediante il processo di evaporazione a fascio di elettroni, con una buona uniformità dello strato di film e nessun difetto di foro stenopeico. Al contrario, i film Au preparati mediante sputtering magnetron sono soggetti a rugosità superficiale a causa degli ioni argon residui.

Nei settori della produzione su larga scala come il fotovoltaico, i pannelli di visualizzazione e il vetro automobilistico, lo sputtering magnetron domina con i suoi vantaggi in termini di efficienza e costi. Nella produzione di celle solari fotovoltaiche, il film conduttivo trasparente ITO preparato mediante sputtering magnetron può controllare la resistenza al blocco entro 10Ω/sq, con una trasmittanza superiore al 90%, e la capacità di produzione giornaliera di una singola linea di produzione può raggiungere le 100.000 unità. Nel rivestimento dei parabrezza automobilistici, il film isolante termico preparato mediante sputtering magnetron può bloccare efficacemente oltre il 90% delle radiazioni infrarosse e lo strato di film ha una forte adesione. Non si è staccato dopo 2.000 test di attrito.

Nel campo dei display, lo sputtering magnetron è la tecnologia principale per il rivestimento degli elettrodi dei dispositivi OLED. Il film conduttivo in lega Ag preparato da esso non solo garantisce un'elevata conduttività, ma ha anche una buona flessibilità, che può soddisfare i requisiti di piegatura degli schermi pieghevoli. Inoltre, la tecnologia di sputtering reattivo dello sputtering magnetron può preparare direttamente film di ossido senza un successivo trattamento di ossidazione, semplificando il flusso del processo ed essendo adatta alla produzione di massa di componenti ottici elettronici di consumo come le lenti delle fotocamere dei telefoni cellulari.

Con lo sviluppo della tecnologia ottica, una singola tecnologia di rivestimento è diventata difficile da soddisfare i complessi requisiti di prestazione e l'applicazione integrata delle due tecnologie è diventata una nuova tendenza. Ad esempio, nel rivestimento delle lenti delle fotocamere di fascia alta, viene adottato un processo composito di "evaporazione a fascio di elettroni + sputtering magnetron": l'evaporazione a fascio di elettroni viene utilizzata per preparare lo strato di film ottico di base ad alta purezza e lo sputtering magnetron viene utilizzato per preparare lo strato protettivo resistente all'usura superficiale. Questo non solo garantisce le prestazioni ottiche, ma migliora anche la resistenza meccanica dello strato di film.

Inoltre, entrambe le tecnologie sono in costante aggiornamento. L'evaporazione a fascio di elettroni raggiunge un controllo preciso della velocità di deposizione introducendo una pistola elettronica pulsata. Lo sputtering magnetron ha sviluppato la tecnologia di sputtering magnetron pulsato ad alta potenza (HiPIMS), che può migliorare significativamente l'energia cinetica delle particelle spruzzate e preparare film con purezza e densità vicine a quelle dell'evaporazione a fascio di elettroni. Queste innovazioni tecnologiche stanno riducendo il divario di prestazioni tra i due processi e offrendo più opzioni per il rivestimento ottico.

L'evaporazione a fascio di elettroni e lo sputtering magnetron non sono in una relazione competitiva, ma piuttosto tecnologie complementari su misura per diversi requisiti di rivestimento ottico. L'evaporazione a fascio di elettroni, con i suoi vantaggi di elevata purezza e alta precisione, è adatta per la produzione di piccoli lotti di componenti ottici di precisione di fascia alta e film funzionali speciali ed è particolarmente insostituibile in settori di fascia alta come laser e aerospaziale. Lo sputtering magnetron, con la sua elevata capacità produttiva e il basso costo, è diventato la scelta preferita nei settori industriali su larga scala come il fotovoltaico e l'elettronica di consumo.

Nell'effettiva selezione del processo, è necessario considerare in modo completo tre fattori principali: requisiti di prestazioni ottiche, scala di produzione e budget dei costi. Per le applicazioni di fascia alta che privilegiano la precisione, è necessario dare la priorità all'evaporazione a fascio di elettroni. Per la produzione su larga scala in cui vengono privilegiati i costi e l'efficienza, lo sputtering magnetron è più adatto. Per requisiti di prestazioni complessi, è possibile adottare un processo combinato delle due tecnologie. In futuro, con la continua innovazione della tecnologia di rivestimento, l'applicazione integrata dei due processi espanderà ulteriormente i confini delle prestazioni del rivestimento ottico e fornirà un impulso più forte per lo sviluppo dell'industria ottica.