غول‌های دنیای لایه نازک: تحلیلی بر تفاوت‌های اساسی بین اسپاترینگ مغناطروژنی و لایه‌نشانی یونی

ماهیت اسپاترینگ ماگنترون "اثر همکاری بمب گذاری یون با انرژی بالا + محدودیت میدان مغناطیسی" است. اصل کار آن را می توان به سه مرحله کلیدی خلاصه کرد:گاز آرگون بی اثر وارد اتاق خلاء می شود.، و پلاسما از طریق تحریک میدان الکتریکی تشکیل می شود؛ سپس یون های آرگون توسط میدان الکتریکی شتاب می یابند و سطح ماده هدف را بمباران می کنند،از اتم هاي مواد هدف دور ميکندمهم ترین نکته این است که میدان مغناطیسی پشت هدف، الکترون ها را در نزدیکی سطح هدف متصل می کند تا حرکتی مارپیچی انجام دهد.بهبود قابل توجهی در کارایی یونیزاسیون گاز آرگون، و در نهایت اجازه می دهد تا اتم های مواد هدف اسپتر شده به طور یکنواخت بر روی سطح بستر قرار بگیرند تا یک فیلم ایجاد کنند.این طرح "سرعتی میدان الکتریکی + محدودیت میدان مغناطیسی" نقاط درد سرعت تولید آهسته و دمای بالای بستر را در اسپوتینگ سنتی حل می کند، تبدیل شدن به تکنولوژی اصلی برای تولید انبوه صنعتی.

پوشش یون یک فرآیند ترکیبی از "ابخارات / اسپوتینگ + یونیزاسیون + شتاب میدان الکتریکی" است که به عنوان "جمع تبخیر خلاء و اسپوتینگ" شناخته می شود. فرآیند اصلی آن عبارت است از:اولمواد هدف از طریق تبخیر یا اسپتر شدن ذرات گاز را تشکیل می دهند، سپس این ذرات توسط تخلیه درخشش به یون های با انرژی بالا یونیزه می شوند.تحت اثر یک میدان الکتریکی قوی، این یون ها به سمت بستر تسریع می شوند، نه تنها ناخالصی های روی سطح بستر را تمیز می کنند، بلکه یک پیوند قوی با بستر با انرژی حرکتی بالا تشکیل می دهند.این روش رسوب یونیزاسیون باعث می شود یک جهش در قدرت پیوند بین لایه فیلم و بستر.

چسبندگی شاخص اصلی برای اندازه گیری دوام لایه فیلم است. داده های تجربی نشان می دهد که چسبندگی لایه های فیلم اسپتر شده مغنترون معمولا بین3-10N/cm، در حالی که پوشش یون می تواند به5-15N/cmبه عنوان مثال در آزمایش رسوب فیلم آلومینیوم بر روی زیرپوش های شیشه ای، چسبندگی پوشش یون به12N/cm، که بیشتر ازپنج باراین مزیت ناشی از اثر پراکندگی یون ها بر روی بستر است که می تواند یک1-5nmلایه گذار مخلوط، به دست آوردن "بند در سطح اتمی" بین لایه فیلم و بستر.

میزان رسوب به طور مستقیم بر بهره وری تولید تاثیر می گذارد.10-100nm/min، و که از فیلم های ترکیبی است5-30nm/minدر حالی که سرعت پوشش یون به طور کلی آهسته تر است، تنها5-50nm/minبه عنوان مثال در مورد فیلم ITO مورد استفاده در صفحه نمایش، اسپتر کردن مغناطیس می تواند یک200 نانو متریپوشش ضخیم در1 ساعت، در حالی که پوشش یون نیاز به2-3 ساعتاین به این دلیل است که فرآیند یونیزاسیون بخشی از انرژی را مصرف می کند، که منجر به کاهش تعداد ذرات مؤثر است.

در سناریوهای پوشش در مقیاس بزرگ، مزیت یکنواخت بودن اسپتر کردن ماگنترون به ویژه آشکار است. با کمک "گردگرد سیاره ای" و "توضيحات تقارن چند هدف"،اسپتر کردن ماگنترون می تواند انحراف ضخامت فیلم از زیربناهای بزرگ را در داخل کنترل کند±1%-5%، در حالی که یکنواخت بودن پوشش یون معمولا±3٪ تا 7٪داده های تولید یک سازنده صفحه نمایش نشان می دهد که برای خط نسل ششم با زیربنای شیشه ای (1500mm * 1800mm), فیلم ITO با اسپتر کردن ماگنترون، با یکسانی ضخامت در داخل±1%محصول تولید مستمر500 عددبه اندازه97 درصد، که به مراتب از85 درصداز اسپتر کردن یون.

دمای پایه یک پارامتر کلیدی است که سازگاری فرآیند را تعیین می کند. اسپاترینگ مغناطیسی بمباران مستقیم یون ها را در بستر از طریق محاصره میدان مغناطیسی کاهش می دهد.و دمای پایه را می توان دردمای اتاق تا 300°C، و برخی از فرآیندهای حتی می تواند دمای اتاق را حفظ کند؛ در حالی که اسپتر کردن یون به دلیل بمب گذاری یون باعث تولید گرما می شود، دمای پایه به طور کلی در محدوده150 تا 500 درجه سانتیگراداین تفاوت اجازه می دهد تا اسپتر کردن ماگنترون برای سازگاری با مواد حساس به گرما مانند فیلم های انعطاف پذیر PET و دستگاه های MEMS - هنگام سپردن الکترود های Au بر روی یک2μmMEMS ضخیم است، اسپتر کردن ماگنترون فقط دمای پایه را به۸۰ درجه سانتیگراد، و تغییر انحراف کانتیلیور تنها با0.1μmدر حالی که۳۵۰ درجه سانتیگراددمای بالا از اسپتر کردن یون باعث می شود که کانتیلیور به طور مستقیم خم شود و شکست بخورد.

اسپتر کردن مغناطیس از حالت های مختلفی مانند اسپتر کردن مشترک و اسپتر کردن واکنش پذیر پشتیبانی می کند و می تواند انواع مختلفی از فیلم ها را تهیه کند، از جمله فیلم های رسانای شفاف ITO، فیلم های سخت TiN و غیره.و مواد پیچیده مانند ITO و TiNاسپتر کردن یون در آماده سازی پوشش های سخت فلزی و سرامیکی مانند TiAlN و CrN مهارت بیشتری دارد و در پوشش مواد آلی و آلیاژ های نقطه ذوب پایین محدودیت هایی دارد.برای مثال، هنگام پوشش فیلم Cu بر روی صفحه مدار انعطاف پذیر صفحه نمایش تلفن همراه، اسپتر کردن مغناطیس می تواند در۶۰ درجه سانتیگراد، و انحراف کانتیلیور فقط با0.1μmدر حالی که دمای بالا۳۵۰ درجه سانتیگراداز اسپتر کردن یون باعث می شود که فیلم PET کوچک شود و تغییر شکل دهد و قابل استفاده نیست.

بزرگترین مزیت اسپتر کردن ماگنترون در تولید پایدار و سازگاری با دمای پایین آن است.سیستم کنترل حلقه بسته آن می تواند پارامترهای مانند ضخامت فیلم و ترکیب گاز را در زمان واقعی کنترل کند، با یک خطای ضخامت فیلم کنترل شده در±0.1nm، و بازده هنوز هم می تواند حفظ بیش از99 درصدبرای۳۰ روز متوالیدر عین حال، نرخ بهره برداری هدف می تواند به۶۰ تا ۸۰ درصد، پس انداز20 درصدبا این حال، این فناوری همچنین دارای محدودیت هایی است: عملکرد ضعیف سوراخ پر کردن و توانایی ضعیف پوشش مرحله،و آن را به عنوان یکنواخت به عنوان اسپاتر کردن یون در سطوح پیچیده خمیده نیستو ساختار تجهیزات پیچیده است، با هزینه سرمایه گذاری اولیه بالاتر.

ویژگی برجسته ی اسپتر کردن یون، چسبندگی فوق العاده ی قوی و سازگاری سطح آن است. اثر بمب گذاری یون اجازه می دهد که لایه فیلم به منافذ کوچک بستر نفوذ کند.حتی اگر شکل بستر پیچیده باشد (مانند لبه برش چاقو یا حفره قالب)در آزمایش مقاومت به لباس، پوشش TiN (2μmضخامت) از اسپتر کردن یون (2μmضخامت) زیر یک۱ کیلوگرماصطکاک بار برای100هزار بارمقدار لباسش فقط0.2μmبا این حال، نقص های سپترینگ یون نیز بسیار آشکار است: سرعت رسوب آهسته که منجر به بهره وری پایین تولید می شود،درجه حرارت بالا مستعد آسیب به زیربناهای حساس است، و کنترل پارامترهای فرآیند پیچیده، با خطر بیشتری از ورود ناخالصی گاز نسبت به اسپتر کردن ماگنترون.

به دلیل یکنواخت بودن منطقه بزرگ و مزایای رسوب در دمای پایین ، اسپتر کردن ماگنترون به طور گسترده ای در الکترونیک ، نوری و زمینه های انرژی جدید استفاده می شود:

• صنعت الکترونیک: فیلم های رسانای شفاف ITO برای صفحه نمایش، الکترود های سر مغناطیسی دیسک سخت، فیلم های Cu برای صفحه های مداری انعطاف پذیر؛
• صنعت نوری: فیلم های ضد انعکاس برای لنزهای عینک، فیلم های ضد انعکاس برای پوشش شیشه تلفن همراه؛
• صنعت انرژی جدید: فلز آلومینیومی برای سلول های خورشیدی، پوشش بر روی برگه های الکترود باتری.20 نانومترضخیم) که با اسپتر کردن ماگنترون تهیه می شود، با انحراف جزء کنترل شده در±0.5٪، نیاز به دقت بالای سر مغناطیسی را برآورده می کند.

چسبندگی فوق العاده قوی پوشش یون باعث می شود آن را انتخاب مورد نظر برای پوشش های سخت و پوشش پیچیدگی قطعات کار:

• ماشینکاری: TiN، TiAlN پوشش فوق سخت برای ابزار برش و قالب، می تواند طول عمر خدمات را با3 تا 10 بار;
• صنعت تزئینی: فیلم های تزئینی مقاوم در برابر فرسایش برای تجهیزات حمام و ساعت های پیشرفته، ترکیبی از زیبایی و دوام؛
• هوافضا: پوشش های محافظ درجه حرارت بالا برای تیغه های موتور و دنده ها، قادر به مقاومت در برابر دمای بالاتر۸۰۰ درجه سانتیگراد.

در زمینه قالب خودرو، پوشش TiAlN از پوشش یون دارای سختی3200HV، اجازه می دهد تا قالب به طور مداوم چاپ100هزار باریا بیشتر بدون پوشیدن آشکار.