E-Beam Evaporation vs. Magnetronowe Napylanie dla Powłok Optycznych

Powłoka optyczna, jako podstawowa technologia zwiększająca wydajność komponentów optycznych, jest szeroko stosowana w sprzęcie laserowym, systemach obrazowania, urządzeniach fotowoltaicznych i innych dziedzinach.Jego jakość bezpośrednio określa kluczowe wskaźniki systemów optycznych, takie jak przepuszczalność, odblaskowości i stabilności środowiskowej.Wyparowanie wiązki elektronów (E-Beam Evaporation) i rozpylanie magnetronowe (magnetron Sputtering) są obecnie dwiema głównymi technologiami fizycznego osadzenia pary (PVD), a między nimi istnieją znaczące różnice w zasadach powlekania, wydajności i scenariuszach zastosowań.systematyczne porównanie podstawowych zalet i ograniczeń obu technologii, a także dostarczyć naukowej podstawy do wyboru procesu powłoki optycznej.

Obie techniki umożliwiają migrację i osadzenie atomów/cząsteczek docelowego materiału w środowisku próżni,ale różnice w mechanizmach pobudzenia i transferu energii stanowią podstawę dla ich późniejszych różnic w wydajności.

Technologia parowania wiązki elektronów wykorzystuje wiązki elektronów o wysokiej energii jako nośniki energii. 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 fieldEnergia kinetyczna elektronów jest przekształcana w energię cieplną, powodując, że materiał docelowy tworzy wysoko-temperaturowy stan stopiony lub odparowany lokalnie.Po oddzieleniu się atomów/cząsteczek gazowego materiału docelowego od powierzchni materiału docelowego, przemieszczają się losowo w komorze próżniowej i ostatecznie osadzają się na powierzchni przetworzonego podłoża optycznego, tworząc jednolity film.zbiorniki chłodzone wodą mogą skutecznie zapobiegać reakcjom chemicznym między materiałem docelowym a chłodnikiemTa cecha daje im przewagę w przygotowaniu folii o wysokiej czystości.

Magnetronowe rozpylanie opiera się na zasadach wyładowania gazu i bombardowania jonów.Gazu obojętnego (zwykle argonu) wprowadza się do komory próżniowej i pobudza go częstotliwość radiowa lub pole elektryczne prądu stałego w celu utworzenia plazmyPod działaniem pola elektrycznego, jony argonu w osoczu przyspieszają i bombardują powierzchnię materiału docelowego.umożliwiając atomom materiału docelowego uzyskanie wystarczającej energii do uwolnienia się od ograniczeń siatki (iAby zwiększyć wydajność rozpylania, urządzenie tworzy pole magnetyczne za materiałem docelowym.,W celu uzyskania odpowiednich wyników, należy zastosować następujące metody:Zgodnie z różnymi rodzajami materiałów docelowych, można go podzielić na rozpylanie magnetronów DC (odpowiednie dla celów przewodzących) i rozpylanie magnetronów RF (odpowiednie dla celów izolacyjnych).

Powłoka optyczna ma rygorystyczne wymagania dotyczące czystości, jednolitości, gęstości i stanu naprężenia folii.Różnice w wydajności obu technologii w tych podstawowych wskaźnikach bezpośrednio określają zakres ich zastosowania.

Czystość folii jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność optyczną. Nadmierna zawartość zanieczyszczeń prowadzi do zwiększenia absorpcji światła i zmniejszenia przepuszczalności.Wyparzenie wiązki elektronów zapewnia wysoką czystość poprzez trzy punktyPo pierwsze, energia wiązki elektronów jest skoncentrowana na powierzchni materiału docelowego, a tyglik otrzymuje tylko niewielką ilość ciepła poprzez promieniowanie,zapobieganie topnieniu i przyczepieniu się materiału docelowego do cieczyPo drugie, ma wyższy stopień próżni (zazwyczaj osiągający poziom 10 °C).^-6Po trzecie, może osiągnąć precyzyjne odparowanie pojedynczego materiału docelowego,unikanie skażenia krzyżowego wielu materiałów docelowychDane eksperymentalne pokazują, że zawartość zanieczyszczeń w SiO₂folia antyrefleksyjna przygotowana przez odparowanie wiązki elektronów jest mniejsza niż 50 ppm,natomiast zawartość zanieczyszczeń w procesie rozpylania magnetronem wynosi zwykle 100-200 ppm ze względu na pozostałe jony gazowe w osoczu.

Niedobór czystości magnetronowego rozpylania wynika głównie ze środowiska plazmowego.a warstwa tlenku na powierzchni docelowej zostanie zmieszana z filmem podczas procesu rozpylaniaChociaż można go poprawić poprzez zwiększenie stopnia próżni i użycie przedprzepychania materiałów docelowych,do folii optycznych o bardzo wysokim poziomie czystości (np. powłoka soczewki z laserem rezonansowym), nadal trudno jest dopasować odparowanie wiązki elektronów.

Jednorodność folii bezpośrednio wpływa na dokładność kształtu powierzchni komponentów optycznych, zwłaszcza przy powleczaniu dużych podłoża, jest jeszcze ważniejsza.Wyparanie wiązki elektronów może osiągnąć odchylenie grubości folii mniejsze niż ± 1% na podłożu o średnicy 300 mm poprzez obrót etapu podłoża i optymalizację ścieżki skanowania wiązki elektronówJednakże ze względu na charakterystykę "źródła punktowego" źródła parowania, osłabienie grubości występuje zazwyczaj na krawędzi podłoża.Wykonywanie rozpylania magnetronowego jest lepsze na dużych podłogach (takich jak szkło fotowoltaiczne 600 mm * 600 mm) ze względu na właściwości rozpylania "źródła powierzchniowego" materiału docelowegoJednolitość grubości może być kontrolowana w zakresie ± 2%, a rozkład grubości warstwy folii jest bliżej prostokąta, z słabszym efektem krawędzi.

Z punktu widzenia gęstości magnetronowe rozpylanie ma zaletę: rozpylane cząstki mają wyższą energię kinetyczną (zwykle od 10 do 100 razy większą niż cząstki odparowane wiązką elektronów),i gdy osadzone są na powierzchni podłoża, mogą one powodować silniejsze efekty adsorpcji i dyfuzji, tworząc ściślej ułożoną siatkę foliową o gęstości powyżej 98%.Ta kompaktowość zwiększa odporność folii na zużycie, wilgoć i ciepłoPrzykładowo, TiO₂folia o wysokiej odblaskowości przygotowana przez rozpylanie magnetronem ma osłabienie odblaskowości mniejsze niż 0,5% po umieszczeniu w temperaturze 85 °C /85% RH przez 1000 godzin.Gęstość folii odparowanej przez wiązkę elektronów wynosi zazwyczaj od 90% do 95%, a następnie do poprawy jej wydajności potrzebna jest obróbka odgrzewająca, ale może to prowadzić do zmian naprężenia folii.

Wydajność procesu odzwierciedla się głównie w szybkości osadzenia i zdolności produkcyjnej.Do celów metalowych (takich jak aluminium i srebro), może osiągnąć 50nm/s, podczas gdy dla celów tlenkowych (takich jak SiO₂i TiO₂Ponadto ilość ładowanego celu jest ograniczona, a częste wyłączenia w przypadku zmiany celu są wymagane.Jest odpowiedni do produkcji w małych partiach i wysokiej precyzjiSzybkość osadzenia magnetronowego rozpylania jest bardziej stabilna. Szybkość osadzenia celów metalowych może osiągnąć 20 nm/s, a celów tlenowych poprzez rozpylanie reaktywne może osiągnąć 3-8 nm/s.Wspiera również jednoczesne rozpylanie wielu celów.Wykorzystuje się ją w procesie oddychania wielowarstwowego, a jego zdolność produkcyjna jest 3-5 razy większa niż w przypadku parowania wiązki elektronów.

Z punktu widzenia kosztów, początkowa inwestycja w urządzenia do parowania wiązki elektronów jest stosunkowo wysoka (około 1,5-2 razy większa niż w przypadku urządzeń do rozpylania magnetronów o tej samej specyfikacji),i koszty utrzymania broni elektronicznej są wysokie, przy czym włókno i katodę należy wymieniać co 1000 godzin.i wskaźnik wykorzystania docelowego materiału może osiągnąć 70-80% (podczas gdy odparowanie wiązki elektronów wynosi tylko 50-60%)Długoterminowe koszty eksploatacji są niższe, co czyni go bardziej odpowiednim do produkcji przemysłowej na dużą skalę.

W oparciu o powyższe różnice w wydajności obie technologie utworzyły wyraźne podziały zastosowań w dziedzinie powłok optycznych,odpowiednio odpowiadające różnym wymaganiom wydajności i skalom produkcji.

W dziedzinach, w których wymagana jest bardzo wysoka czystość i dokładność optyczna cienkich folii, parowanie wiązki elektronów jest niezastąpionym wyborem.w wysokowydajnych soczewkach laserowych stosowanych w urządzeniach lasernej fuzji jądrowej, konieczne jest przygotowanie folii antyrefleksyjnych o niezwykle niskiej stratze.₂/Ta₂O₅wielewarstwowe folie przygotowane przez parowanie wiązki elektronów mogą mieć współczynnik absorpcji światła niższy niż 10^-6W systemach wykrywania podczerwieni w przemyśle lotniczymfilmy antyrefleksyjne na bazie Ge przygotowane przez parowanie wiązki elektronów mogą skutecznie zwiększać przepuszczalność podczerwieni i utrzymywać stabilną wydajność w ekstremalnych temperaturach (-60°C do 120°C).

Ponadto parowanie wiązki elektronów ma oczywiste zalety w przygotowaniu folii z metali szlachetnych.Filmy odblaskowe Au stosowane w wysokiej klasy instrumentach optycznych mogą osiągnąć odblaskowość lustrzaną do 990,5% w procesie parowania wiązki elektronów, przy dobrej jednolitości warstwy folii i bez defektów dziurek.Filmy Au przygotowane poprzez rozpylanie magnetronem są podatne na chropowitość powierzchni z powodu pozostałych jonów argonu.

W obszarach produkcji na dużą skalę, takich jak fotowoltaika, panele wyświetleniowe i szkło samochodowe, magnetronowe rozpylanie dominuje ze swoimi zaletami w zakresie wydajności i kosztów.W produkcji ogniw słonecznych fotowoltaicznych, przezroczysta przewodząca folia ITO przygotowana przez rozpylanie magnetronem może kontrolować opór bloku w zakresie 10Ω/sq przy przepuszczalności ponad 90%,a dzienna zdolność produkcyjna jednej linii produkcyjnej może osiągnąć 100W powłokach przednich szybków samochodowych, izolacyjna folia cieplna przygotowana przez rozpylanie magnetronem może skutecznie blokować ponad 90% promieniowania podczerwonego,a warstwa foliowa ma silne przyczepieniePo 2000 testach tarcia się nie zrzuciła.

W dziedzinie wyświetlania magnetron sputtering jest podstawową technologią powlekania elektrod urządzeń OLED.Produkowana przez nią przewodząca folia z stopów Ag nie tylko zapewnia wysoką przewodność, ale również ma dobrą elastyczność, które mogą spełniać wymagania dotyczące gięcia wyświetlaczy składanych.Technologia reakcyjnego rozpylania magnetronowego może bezpośrednio przygotować folie tlenkowe bez późniejszej obróbki utleniania, uproszczające przepływ procesu i nadające się do masowej produkcji elektronicznych komponentów optycznych, takich jak soczewki kamer telefonów komórkowych.

Wraz z rozwojem technologii optycznych, jednolity system powłoki stał się trudny do spełnienia złożonych wymagań dotyczących wydajności,i zintegrowane stosowanie obu technologii stało się nowym trendemPrzykładowo w przypadku powlekania obiektywów aparatów wysokiej klasy stosuje się złożony proces "parowania wiązki elektronów + rozpylania magnetronów":Wykorzystuje się odparowanie wiązki elektronów do przygotowania warstwy folii optycznej o wysokiej czystościW celu przygotowania warstwy ochronnej odpornej na zużycie powierzchni wykorzystuje się magnetronowe rozpylanie, co nie tylko zapewnia właściwości optyczne, ale także zwiększa wytrzymałość mechaniczną warstwy foliowej.

Ponadto obie technologie są stale ulepszane.Magnetronowe rozpylanie opracowało technologię wysokiej mocy pulsowego rozpylania magnetronowego (HiPIMS), które mogą znacząco zwiększyć energię kinetyczną rozpylanych cząstek i przygotować folie o czystości i gęstości zbliżonej do wyparowania wiązki elektronów.Te innowacje technologiczne zmniejszają różnicę w wydajności pomiędzy tymi dwoma procesami i zapewniają więcej możliwości powlekania optycznego.

Wyparanie wiązki elektronów i rozpylanie magnetronów nie są w konkurencyjnym związku, ale raczej uzupełniają się jako technologie dostosowane do różnych wymagań dotyczących powłok optycznych.Wyparzenie wiązki elektronów, ze swoimi zaletami wysokiej czystości i wysokiej precyzji, nadaje się do produkcji małych partii precyzyjnych komponentów optycznych i specjalnych folii funkcjonalnych,i jest szczególnie niezastąpiony w zaawansowanych dziedzinach, takich jak lasery i lotnictwoW związku z wysoką zdolnością produkcyjną i niskim kosztem magnetronowe rozpylanie stało się preferowanym wyborem w dużych dziedzinach przemysłu, takich jak energia fotowoltaiczna i elektronika użytkowa.

Przy wyborze procesu należy w pełni uwzględnić trzy podstawowe czynniki - wymagania dotyczące wydajności optycznej, skalę produkcji i budżet kosztów.Do zastosowań wysokiej klasy, w których priorytetem jest precyzjaW przypadku produkcji na dużą skalę, w której priorytetem są koszty i wydajność, magnetronowe rozpylanie jest bardziej odpowiednie.,W przyszłości, dzięki ciągłym innowacjom technologii powlekania,Zintegrowane stosowanie obu procesów pozwoli jeszcze bardziej poszerzyć granice wydajności powłok optycznych i zapewni silniejszy impuls dla rozwoju przemysłu optycznego.