تبخیر پرتو الکترونی در مقابل پاشش مغناطیسی برای پوشش‌های اپتیکی

پوشش نوری، به عنوان یک فناوری اصلی برای افزایش عملکرد اجزای نوری، به طور گسترده ای در تجهیزات لیزر، سیستم های تصویربرداری، دستگاه های فتوولتائیک و سایر زمینه ها استفاده می شود.کیفیت آن به طور مستقیم شاخص های کلیدی سیستم های نوری مانند انتقال را تعیین می کند، بازتاب و ثبات محیط زیست.تبخیر پرتو الکترون (E-Beam Evaporation) و اسپتر کردن مغناطیس (Magnetron Sputtering) دو تکنولوژی اصلی تثبیت بخار فیزیکی (PVD) در حال حاضر هستند.این مقاله از ماهیت تکنولوژی شروع خواهد شد.به طور سیستماتیک مزایای اصلی و محدودیت های دو فناوری را مقایسه کنید، و یک پایه علمی برای انتخاب فرآیند پوشش نوری فراهم می کند.

هر دو تکنیک مهاجرت و سپرده گذاری اتم ها/مولکول های مواد هدف را در محیط خلاء به دست می آورند.اما تفاوت در مکانیسم های تحریک و انتقال انرژی پایه و اساس تفاوت های عملکرد بعدی آنها را می سازد..

تکنولوژی تبخیر پرتوهای الکترونی از پرتوهای الکترونی با انرژی بالا به عنوان حامل انرژی استفاده می کند. 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 fieldانرژی جنبشی الکترون ها به انرژی حرارتی تبدیل می شود و باعث می شود که ماده هدف در یک حالت ذوب یا تبخیر در دمای بالا شکل بگیرد.پس از اینکه اتم ها/مولکول های ماده هدف گازی از سطح ماده هدف جدا می شوند، آنها به صورت تصادفی در اتاق خلاء حرکت می کنند و در نهایت بر روی سطح بستر نوری از قبل درمان شده قرار می گیرند و یک فیلم یکنواخت را تشکیل می دهند.سنگ شکن های آب سرد می توانند به طور موثر از واکنش های شیمیایی بین مواد هدف و سنگ شکن جلوگیری کنند.این ویژگی آنها را در آماده سازی فیلم های با خالصیت بالا به یک مزیت می رساند.

اسپتر کردن مغناطیس بر اساس اصول تخلیه گاز و بمب گذاری یون است.گاز بی اثر (معمولا آرگون) در یک اتاق خلاء وارد می شود و توسط فرکانس رادیویی یا میدان الکتریکی جریان مستقیم تحریک می شود تا پلاسما ایجاد شودتحت اثر يک ميدان الکتريکي، يون هاي آرگون در پلاسما سطح ماده ي هدف را شتاب ميدهند و بمباران مي کننداجازه می دهد تا اتم های ماده هدف به انرژی کافی برای آزاد شدن از محدودیت های شبکه (iبرای افزایش کارایی اسپتر کردن، دستگاه یک میدان مغناطیسی را پشت ماده هدف ایجاد می کند. از طریق اثر محاصره میدان مغناطیسی بر الکترون ها,مسیر حرکت الکترون ها در پلاسما طولانی می شود، احتمال برخورد با مولکول های آرگون را افزایش می دهد، در نتیجه تراکم پلاسما و سرعت اسپتر شدن را بهبود می بخشد.با توجه به انواع مختلف مواد هدف، می توان آن را به SPUTTERING مقناطیسی DC (مناسب برای اهداف هادی) و SPUTTERING مقناطیسی RF (مناسب برای اهداف عایق بندی) تقسیم کرد.

پوشش نوری دارای الزامات سختگیرانه ای برای خلوص، یکسانی، تراکم و وضعیت استرس فیلم است.تفاوت عملکرد این دو فناوری در این شاخص های اصلی به طور مستقیم محدوده کاربرد آنها را تعیین می کند.

خلوص فیلم یک عامل کلیدی است که بر عملکرد نوری تأثیر می گذارد. محتوای بیش از حد ناخالصی منجر به افزایش جذب نور و کاهش انتقال می شود.تبخير پرتو الکترون از طریق سه نقطه خالصيت بالا را تضمین مي کنداول، انرژي پرتگاه الکترون بر روي سطح ماده هدف متمرکز شده و سنگ شکن فقط مقدار کمی از گرما را از طریق تشعشع دریافت مي کندجلوگیری از ذوب شدن و چسبیدن مواد هدف به گلداندوم، درجه خلاء بالاتر دارد (معمولاً به سطح 10 می رسد)^-6Pa) ، آلودگی ذرات تبخیر شده توسط مولکول های گاز را کاهش می دهد.جلوگیری از آلودگی متقابل چندین ماده هدفداده های تجربی نشان می دهد که محتوای ناخالصی SiO₂فیلم ضد انعکاس تهیه شده توسط تبخیر پرتو الکترون کمتر از 50ppm است،در حالی که محتوای ناخالصی در فرآیند اسپتر کردن ماگنترون معمولاً 100-200 PPM است به دلیل یون های گاز باقی مانده در پلاسما.

کمبود پاکیزگی اسپتر کردن ماگنترون عمدتاً از محیط پلاسمای ناشی می شود. یون های آرگون ممکن است در شبکه فیلم جاسازی شوند.و لایه اکسید روی سطح هدف در طول فرآیند پاشاندن به فیلم مخلوط می شود.اگرچه می توان آن را با افزایش درجه خلاء و استفاده از اسپتر کردن مواد هدف بهبود بخشید.برای فیلم های نوری با الزامات خالصیت فوق العاده بالا (مانند پوشش لنز حفره ای رزونانس لیزر)، هنوز هم سخت است که با تبخیر پرتو الکترون مطابقت داشته باشد.

یکنواخت فیلم به طور مستقیم بر دقت شکل سطح اجزای نوری تاثیر می گذارد، به ویژه هنگام پوشش سبسترات های بزرگ، حتی مهم تر است.تبخیر پرتو الکترون می تواند انحراف ضخامت فیلم کمتر از ± 1٪ را در یک بستر قطر 300 میلی متر با چرخش مرحله بستر و بهینه سازی مسیر اسکن پرتو الکترون به دست آوردبا این حال، با توجه به ویژگی های "منبع نقطه ای" منبع تبخیر، کاهش ضخامت در لبه ی بستر رخ می دهد.اسپتر کردن مغناطیس در بستر های بزرگ (مانند شیشه فتوولتائیک 600mm * 600mm) به دلیل ویژگی های اسپتر شدن "منبع سطحی" مواد مورد نظر بهتر استیکسانی ضخامت را می توان در حدود ± 2٪ کنترل کرد و توزیع ضخامت لایه فیلم نزدیک به یک مستطیل است، با اثر لبه ضعیف تر.

از نظر تراکم، اسپتر کردن ماگنترون دارای مزیت است. ذرات اسپتر شده انرژی حرکتی بالاتری دارند (معمولاً 10 تا 100 برابر ذرات تبخیر شده پرتوی الکترون) ،و هنگامی که روی سطح بستر قرار می گیرد، آنها می توانند اثرات جذب و انتشار قوی تری ایجاد کنند و یک شبکه فیلم با تراکم بیش از 98٪ را تشکیل دهند.این فشرده سازی مقاومت لباس و مقاومت در برابر رطوبت و گرما را افزایش می دهدبه عنوان مثال، TiO₂فیلمی با بازتاب بالا که با اسپتر کردن ماگنترون تهیه شده است، پس از قرار دادن در 85 °C /85٪RH برای 1000 ساعت، کاهش بازتاب کمتر از 0.5٪ دارد.چگالی فیلم تبخیر یافته توسط پرتو الکترون معمولا بین 90 تا 95 درصد استبرای بهبود عملکرد آن، نیاز به درمان گرمایش بعدی است، اما این ممکن است منجر به تغییرات در استرس فیلم شود.

بهره وری فرآیند عمدتاً در میزان رسوب و ظرفیت تولید منعکس می شود. میزان رسوب تبخیر پرتو الکترون با نوع ماده هدف بسیار متفاوت است.برای اهداف فلزی (مانند آلومینیوم و نقره)، می تواند به 50nm/s برسد، در حالی که برای اهداف اکسید (مانند SiO₂و TiO₂علاوه بر این، مقدار هدف بارگذاری شده در یک زمان محدود است و خاموش شدن مکرر برای تغییرات هدف مورد نیاز است.برای تولید دسته کوچک و دقیق مناسب است. سرعت رسوب اسپتر کردن ماگنترون پایدارتر است. سرعت رسوب اهداف فلزی می تواند به 20nm / s برسد و هدف های اکسید از طریق اسپتر کردن واکنشی می تواند به 3-8nm / s برسد.همچنین از اسپتر کردن همزمان چندین هدف پشتیبانی می کند، امکان رسوب مداوم فیلم های چند لایه ای را فراهم می کند. ظرفیت تولید یک دسته از 3-5 برابر تبخیر پرتوی الکترون است.

از نظر هزینه، سرمایه گذاری اولیه در تجهیزات تبخیر پرتو الکترون نسبتاً بالا است (حدود 1.5 تا 2 برابر تجهیزات اسپتر کردن ماگنترون از همان مشخصات).و هزينه نگهداري اسلحه الکترونيک بالاست، با نیاز به تعویض رشته و کاتود هر 1000 ساعت. ساختار تجهیزات اسپتر کردن ماگنترون نسبتا ساده است،و میزان استفاده از مواد هدف می تواند به 70-80٪ برسد (در حالی که تبخیر پرتو الکترون فقط 50-60٪ است)هزینه های عملیاتی طولانی مدت پایین تر است، که آن را برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ مناسب تر می کند.

بر اساس تفاوت های عملکرد بالا، این دو فناوری تقسیمات کاربردی واضح را در زمینه پوشش نوری تشکیل داده اند.به ترتیب مطابق با الزامات عملکردی و مقیاس های تولید مختلف.

در زمینه هایی که نیاز به خلوص بسیار بالا و دقت نوری از فیلم های نازک وجود دارد، تبخیر پرتو الکترون یک انتخاب غیر قابل جایگزین است.در لنزهای لیزری با قدرت بالا که در دستگاه های فیوژن هسته ای لیزر استفاده می شوند، لازم است که فیلم های ضد انعکاس با از دست دادن بسیار کم تهیه شود.₂-آره.₂اوه₅فیلم های چند لایه ای تهیه شده توسط تبخیر پرتو الکترون می توانند ضریب جذب نور کمتر از 10 داشته باشند.^-6در سیستم های تشخیص مادون قرمز در زمینه هوافضا،فیلم های ضد انعکاس مبتنی بر Ge که با تبخیر پرتوی الکترون تهیه شده اند می توانند به طور موثر انتقال مادون قرمز را افزایش دهند و عملکرد پایدار را در دمای شدید (-60 °C تا 120 °C) حفظ کنند..

علاوه بر این، تبخیر پرتو الکترون در آماده سازی فیلم های فلزات گرانبها مزایا آشکار دارد.فیلم های بازتاب دهنده Au مورد استفاده در ابزارهای نوری پیشرفته می توانند بازتاب آینه ای تا 99٪ را به دست آورند..5٪ با فرآیند تبخیر پرتو الکترون، با یکسانی خوب لایه فیلم و بدون نقص سوراخ.فیلم های Au که با اسپتر کردن ماگنترون تهیه شده اند، به دلیل باقی مانده یون های آرگون، مستعد خشکی سطحی هستند..

در زمینه های تولید در مقیاس بزرگ مانند فتوولتائیک، پانل های نمایش و شیشه خودرو، اسپتر کردن ماگنترون با مزایای خود در بهره وری و هزینه تسلط دارد.در تولید سلول های خورشیدی فتوولتائیک، فیلم رسانای شفاف ITO که با اسپتر کردن ماگنترون تهیه شده است می تواند مقاومت بلوک را در عرض 10Ω / مربع با انتقال بیش از 90٪ کنترل کند ،و ظرفیت تولید روزانه یک خط تولید می تواند به 100در پوشش شیشه جلو خودرو، فیلم عایق حرارتی تهیه شده توسط اسپتر کردن ماگنترون می تواند به طور موثر بیش از 90٪ تابش مادون قرمز را مسدود کند،و لایه فیلم چسبندگی قوی داردبعد از 2000تا آزمايش اصطکاكي هم نميرفته

در زمینه نمایش، اسپتر کردن ماگنترون تکنولوژی اصلی پوشش الکترود دستگاه های OLED است.فیلم رسانای آلیو Ag که توسط آن تهیه شده است نه تنها باعث هدایت بالا می شود بلکه انعطاف پذیری خوبی نیز دارد، که می تواند نیازهای خم شدن صفحه نمایش های تاشو را برآورده کند.تکنولوژی اسپترینگ واکنش پذیر اسپترینگ ماگنترون می تواند به طور مستقیم فیلم های اکسید را بدون درمان اکسیداسیون بعدی آماده کند.، ساده سازی جریان فرآیند و مناسب برای تولید انبوه اجزای نوری الکترونیکی مصرفی مانند لنزهای دوربین تلفن همراه است.

با توسعه تکنولوژی نوری، یک تکنولوژی پوشش واحد دشوار شده است تا نیازهای عملکرد پیچیده را برآورده کند.و کاربرد یکپارچه این دو تکنولوژی به یک روند جدید تبدیل شده است.به عنوان مثال، در پوشش لنزهای دوربین های پیشرفته، یک فرآیند ترکیبی از "تبخیر پرتوی الکترون + اسپتر کردن مغناطیس" مورد استفاده قرار می گیرد:تبخیر پرتو الکترون برای آماده سازی لایه فیلم نوری هسته ای با پاکیزه ی بالا استفاده می شود.این کار نه تنها عملکرد نوری را تضمین می کند بلکه همچنین قدرت مکانیکی لایه فیلم را افزایش می دهد.

علاوه بر این، هر دو تکنولوژی به طور مداوم در حال ارتقاء هستند. تبخیر پرتو الکترون با استفاده از تفنگ الکتروانی پالس، کنترل دقیق سرعت رسوب را به دست می آورد.اسپتر کردن مغناطیس تکنولوژی اسپتر کردن مغناطیس پالس با قدرت بالا (HiPIMS) را توسعه داده است، که می تواند به طور قابل توجهی انرژی جنبشی ذرات اسپتر شده را افزایش دهد و فیلم هایی را با خلوص و تراکم نزدیک به تبخیر پرتو الکترون تهیه کند.این نوآوری های تکنولوژیکی شکاف عملکرد بین این دو فرآیند را کاهش می دهد و گزینه های بیشتری برای پوشش نوری فراهم می کند.

تبخیر پرتو الکترون و اسپتر کردن ماگنترون در رابطه رقابتی نیستند بلکه فناوری های مکمل هستند که برای نیازهای مختلف پوشش نوری طراحی شده اند.تبخیر پرتو الکترون، با مزایایایی که دارای خالصیت بالا و دقت بالا است، برای تولید دسته کوچک قطعات نوری با دقت بالا و فیلم های کاربردی خاص مناسب است.و به خصوص در زمینه های پیشرفته مانند لیزر و هوافضا غیر قابل جایگزینی است.اسپتر کردن مغناطیس، با ظرفیت تولید بالا و هزینه کم، تبدیل به انتخاب مورد علاقه در زمینه های صنعتی در مقیاس بزرگ مانند فتوولتائیک و الکترونیک مصرفی شده است.

در انتخاب فرآیند واقعی، سه عامل اصلی - الزامات عملکرد نوری، مقیاس تولید و بودجه هزینه - باید به طور جامع در نظر گرفته شوند.برای کاربردهای پیشرفته که اولویت دقت را دارندبرای تولید در مقیاس بزرگ که در آن هزینه و کارایی اولویت دارند، اسپتر کردن ماگنترون مناسب تر است. برای الزامات عملکرد پیچیده,در آینده، با نوآوری مداوم تکنولوژی پوشش،کاربرد یکپارچه این دو فرآیند، مرزهای عملکرد پوشش نوری را گسترش می دهد و انگیزه قوی تری برای توسعه صنعت نوری فراهم می کند..