I due giganti del mondo del film sottile: un'analisi delle differenze fondamentali tra sputtering magnetron e rivestimento ionico

L'essenza dello sputtering magnetron è l'"effetto di collaborazione del bombardamento ionico ad alta energia + vincolo del campo magnetico".il gas argon inerte viene introdotto nella camera a vuoto, e il plasma si forma attraverso un'eccitazione del campo elettrico; poi gli ioni argon sono accelerati dal campo elettrico e bombardano la superficie del materiale bersaglio,"sputtering" gli atomi del materiale bersaglio lontanoIl punto più cruciale è che il campo magnetico dietro il bersaglio legherà gli elettroni vicino alla superficie del bersaglio per eseguire un movimento a spirale,miglioramento significativo dell'efficienza di ionizzazione del gas argon, permettendo infine agli atomi di materiale bersaglio sputterati di depositarsi uniformemente sulla superficie del substrato per formare un film.Questo progetto di "accelerazione del campo elettrico + vincolo del campo magnetico" risolve i punti critici del lento tasso di produzione e dell'alta temperatura del substrato nello sputtering tradizionale, diventando la tecnologia di base per la produzione di massa industriale.

Il rivestimento ionico è un processo composito di "evaporazione / sputtering + ionizzazione + accelerazione del campo elettrico", noto come la "combinazione di evaporazione a vuoto e sputtering".Prima cosa, il materiale bersaglio forma particelle di gas attraverso l'evaporazione o lo sputtering, quindi queste particelle vengono ionizzate da scariche luminose in ioni ad alta energia; successivamente,sotto l'azione di un forte campo elettrico, questi ioni vengono accelerati verso il substrato, non solo pulendo le impurità sulla superficie del substrato, ma formando anche un forte legame con il substrato con alta energia cinetica.Questo metodo di deposizione di ionizzazione consente un salto nella forza del legame tra lo strato di pellicola e il substrato.

L'adesione è l'indicatore fondamentale per misurare la durata dello strato di pellicola.3-10N/cm, mentre il rivestimento ionico può raggiungere5-15N/cmPer esempio, nel test della deposizione di pellicole di alluminio su substrati di vetro, l'adesione del rivestimento ionico raggiunge12N/cm, che è superiore a5 volteQuesto vantaggio deriva dall'effetto di sputtering degli ioni sul substrato, che può formare un1-5 nmstrato di transizione misto, ottenendo un "legame a livello atomico" tra lo strato di pellicola e il substrato.

La velocità di deposizione della pellicola di metallo dello sputtering a magnetroni è10-100nm/min, e quella dei film composti è5-30nm/min■ mentre il tasso di rivestimento ionico è generalmente più lento, solo5-50 nm/minPer esempio, nel caso della pellicola ITO utilizzata nei display, lo sputtering magnetron può completare una200 nmrivestimento di spessore in1 ora, mentre il rivestimento ionico richiede2-3 oreCiò è dovuto al fatto che il processo di ionizzazione consuma parte dell'energia, con conseguente riduzione del numero di particelle effettivamente depositate.

In scenari di rivestimento su larga scala, l'avantage di uniformità dello sputtering magnetron è particolarmente evidente.lo sputtering magnetron può controllare la deviazione dello spessore del film dei substrati di grande area all'interno± 1%-5%, mentre l'uniformità del rivestimento ionico è di solito± 3%-7%I dati di produzione di un produttore di display mostrano che per la linea di 6a generazione con un substrato di vetro (1500 mm * 1800 mm), la pellicola ITO viene depositata mediante sputtering magnetronico, con una uniformità dello spessore che raggiunge± 1%. Il rendimento della produzione continua di500 pezziè superiore a97%, molto superiore al85%di sputtering ionico.

La temperatura di base è un parametro chiave che determina l'adattabilità del processo.e la temperatura di base può essere controllata entrotemperatura ambiente a 300°C, e alcuni processi possono persino mantenere la temperatura ambiente; mentre lo sputtering ionico dovuto al bombardamento ionico genera calore, la temperatura di base è generalmente nell'intervallo di150-500°CQuesta differenza consente allo sputtering magnetron di adattarsi a materiali sensibili al calore come pellicole flessibili in PET e dispositivi MEMS - quando si depositano elettrodi Au su un2 μmspessore MEMS, lo sputtering magnetron aumenta solo la temperatura di base a80°C, e la deformazione del cantilever cambia solo di0.1 μm■ mentre la350°CL'elevata temperatura di sputtering ionico farà sì che il cantilever si pieghi direttamente e fallisca.

Lo sputtering a magnetron supporta varie modalità come lo sputtering congiunto e lo sputtering reattivo e può preparare vari tipi di film, tra cui film conducenti trasparenti ITO, film duri TiN, ecc.e materiali complessi come ITO e TiNLo sputtering ionico è più efficiente nella preparazione di rivestimenti metallici e ceramici duri, come TiAlN e CrN, e presenta limitazioni nel rivestimento di materiali organici e leghe a basso punto di fusione.Per esempio:, quando si rivesti la pellicola di Cu sulla scheda di circuito flessibile dello schermo del telefono cellulare, lo sputtering magnetron può essere completato a60°C, e la deformazione del cantilever cambia solo di0.1 μm■ mentre l'elevata temperatura di350°CIl metodo di prova non è applicabile se il prodotto è sottoposto a un'azione di sputtering ionico che comporterà un restringimento e una deformazione della pellicola PET.

Il più grande vantaggio dello sputtering magnetron risiede nella sua produzione stabile e nella sua adattabilità alle basse temperature.Il suo sistema di controllo a circuito chiuso è in grado di monitorare in tempo reale parametri quali lo spessore del film e la composizione del gas, con un errore di spessore della pellicola controllato entro± 0,1 nm, e il rendimento può ancora mantenere oltre99%per30 giorni consecutiviIn questo modo, il tasso di utilizzazione obiettivo può essere raggiunto.60%-80%, risparmio20%Tuttavia, questa tecnologia presenta anche dei limiti: scarse prestazioni di riempimento del buco e scarsa capacità di copertura dei passaggi,e non è uniforme come lo sputtering ionico su superfici curve complesse■ e la struttura dell'apparecchiatura è complessa, con un costo di investimento iniziale più elevato.

L'effetto bombardamento ionico permette allo strato di pellicola di penetrare nei piccoli pori del substrato.anche se la forma del substrato è complessa (come il taglio di un coltello o la cavità dello stampo)Nel test di resistenza all'usura, il rivestimento in TiN (2 μmSputtering ionico (2 μmspessore) sotto un1 kgattrito di carico per100, 000 volteha una quantità di usura di solo0.2 μmTuttavia, anche gli svantaggi dello sputtering ionico sono molto evidenti: la lenta velocità di deposizione che si traduce in una bassa efficienza di produzione,elevata temperatura propensa a danneggiare i substrati sensibili, e complesso controllo dei parametri di processo, con un rischio maggiore di introduzione di impurità di gas rispetto allo sputtering magnetronico.

A causa della sua grande area di uniformità e dei vantaggi di deposizione a bassa temperatura, lo sputtering magnetron è ampiamente utilizzato in elettronica, ottica e nuovi campi energetici:

• Industria elettronica: pellicole conducenti trasparenti ITO per schermi, elettrodi a testa magnetica per dischi rigidi, pellicole di Cu per schede di circuiti flessibili;
• Industria ottica: pellicole antiriflesso per lenti per occhiali, pellicole antiriflesso per coperture di vetro per telefoni cellulari;
• Il caso di produzione in serie di un certo produttore di dischi rigidi dimostra che il film in lega di Ni-Fe (20 nmspessore) preparato con sputtering magnetron, con la deviazione dei componenti controllata entro± 0,5%, soddisfa i requisiti di alta precisione della testa magnetica.

L'aderenza super forte del rivestimento ionico lo rende la scelta preferita per rivestimenti duri e rivestimenti di pezzi complessi:

• La lavorazione: TiN, TiAlN rivestimenti ultra-duri per utensili di taglio e stampi, possono prolungare la vita utile di3-10 volte;
• Industria della decorazione: pellicole decorative resistenti all'usura per apparecchiature per bagno e orologi di fascia alta, che combinano bellezza e durata;
• Aerospaziale: rivestimenti protettivi ad alta temperatura per pale e ingranaggi di motori, in grado di resistere a temperature superiori a800°C.

Nel settore dei stampi automobilistici, il rivestimento in TiAlN dei rivestimenti ionici ha una durezza di3200HV, permettendo allo stampo di stampare continuamente100, 000 volteo più senza evidente usura.