Evaporação de feixe de elétrons versus pulverização por magneto para revestimentos ópticos

O revestimento óptico, como tecnologia central para aprimorar o desempenho dos componentes ópticos, é amplamente utilizado em equipamentos a laser, sistemas de imagem, dispositivos fotovoltaicos e outros campos. Sua qualidade determina diretamente indicadores-chave de sistemas ópticos, como transmitância, refletância e estabilidade ambiental. A Evaporação por Feixe de Elétrons (E-Beam Evaporation) e o Sputtering por Magnetron (magnetron Sputtering) são duas tecnologias de deposição física de vapor (PVD) principais atualmente, e existem diferenças significativas entre elas em princípios de revestimento, desempenho e cenários de aplicação. Este artigo partirá da essência da tecnologia, comparando sistematicamente as principais vantagens e limitações das duas tecnologias e fornecendo uma base científica para a seleção do processo de revestimento óptico.

Ambas as técnicas alcançam a migração e deposição de átomos/moléculas do material alvo em um ambiente de vácuo, mas as diferenças na excitação de energia e nos mecanismos de transferência estabelecem a base para suas subsequentes diferenças de desempenho.

A tecnologia de evaporação por feixe de elétrons utiliza feixes de elétrons de alta energia como portadores de energia. Os elétrons gerados por uma pistola de elétrons são acelerados por alta voltagem e, em seguida, bombardeiam com precisão a superfície do material alvo colocado em um cadinho resfriado a água sob o efeito de foco de um campo magnético. A energia cinética dos elétrons é convertida em energia térmica, fazendo com que o material alvo forme um estado fundido ou evaporado de alta temperatura localmente. Depois que os átomos/moléculas do material alvo gasoso se separam da superfície do material alvo, eles se movem aleatoriamente na câmara de vácuo e, eventualmente, se depositam na superfície do substrato óptico pré-tratado, formando um filme uniforme. Em todo o processo, os cadinhos resfriados a água podem efetivamente evitar reações químicas entre o material alvo e o cadinho, reduzindo a contaminação por impurezas. Essa característica lhes confere uma vantagem na preparação de filmes de alta pureza.

O sputtering por magnetron é baseado nos princípios de descarga de gás e bombardeio iônico. Gás inerte (geralmente argônio) é introduzido em uma câmara de vácuo e excitado por um campo elétrico de radiofrequência ou corrente contínua para formar plasma. Sob a ação de um campo elétrico, os íons de argônio no plasma aceleram e bombardeiam a superfície do material alvo, permitindo que os átomos do material alvo obtenham energia suficiente para se libertarem das restrições da rede (ou seja, o processo de "sputtering"). Para aumentar a eficiência do sputtering, o dispositivo configura um campo magnético atrás do material alvo. Por meio do efeito de confinamento do campo magnético sobre os elétrons, o caminho de movimento dos elétrons no plasma é prolongado, aumentando a probabilidade de colisão com as moléculas de argônio, melhorando assim a densidade do plasma e a taxa de sputtering. De acordo com os diferentes tipos de materiais alvo, ele pode ser dividido em sputtering por magnetron CC (adequado para alvos condutores) e sputtering por magnetron RF (adequado para alvos isolantes).

O revestimento óptico tem requisitos rigorosos para a pureza, uniformidade, densidade e estado de tensão do filme. As diferenças de desempenho das duas tecnologias nesses indicadores principais determinam diretamente seu escopo de aplicação.

A pureza do filme é um fator-chave que afeta o desempenho óptico. O excesso de conteúdo de impurezas levará ao aumento da absorção de luz e à diminuição da transmitância. A evaporação por feixe de elétrons garante alta pureza por meio de três pontos: Primeiro, a energia do feixe de elétrons é concentrada na superfície do material alvo, e o cadinho recebe apenas uma pequena quantidade de calor por meio da radiação, evitando a fusão e a adesão do material alvo ao cadinho. Segundo, possui um grau de vácuo mais alto (geralmente atingindo o nível de 10^-6 Pa), reduzindo a contaminação das partículas evaporadas por moléculas de gás. Terceiro, pode alcançar a evaporação precisa de um único material alvo, evitando a contaminação cruzada de vários materiais alvo. Dados experimentais mostram que o teor de impurezas do filme antirreflexo de SiO₂ preparado por evaporação por feixe de elétrons é inferior a 50 ppm, enquanto o teor de impurezas do processo de sputtering por magnetron é geralmente de 100 a 200 PPM devido aos íons de gás residuais no plasma.

A deficiência de pureza do sputtering por magnetron decorre principalmente do ambiente de plasma. Os íons de argônio podem se embutir na rede do filme, e a camada de óxido na superfície do alvo será misturada ao filme durante o processo de sputtering. Embora possa ser melhorado aumentando o grau de vácuo e usando pré-sputtering de materiais alvo, para filmes ópticos com requisitos de pureza ultra-alta (como revestimento de lentes de cavidade ressonante a laser), ainda é difícil combinar a evaporação por feixe de elétrons.

A uniformidade do filme afeta diretamente a precisão da forma da superfície dos componentes ópticos, especialmente ao revestir substratos de grandes dimensões, é ainda mais crucial. A evaporação por feixe de elétrons pode alcançar um desvio de espessura do filme inferior a ±1% em um substrato de 300 mm de diâmetro, girando o estágio do substrato e otimizando o caminho de varredura do feixe de elétrons. No entanto, devido às características de "fonte pontual" da fonte de evaporação, a atenuação da espessura é propensa a ocorrer na borda do substrato. O sputtering por magnetron tem um desempenho melhor em substratos de grandes dimensões (como vidro fotovoltaico de 600 mm * 600 mm) devido às características de sputtering de "fonte de superfície" do material alvo. A uniformidade da espessura pode ser controlada dentro de ±2%, e a distribuição da espessura da camada do filme é mais próxima de um retângulo, com um efeito de borda mais fraco.

Em termos de densidade, o sputtering por magnetron tem uma vantagem. As partículas pulverizadas têm maior energia cinética (tipicamente 10 a 100 vezes a das partículas evaporadas por feixe de elétrons) e, quando depositadas na superfície do substrato, podem produzir efeitos de adsorção e difusão mais fortes, formando uma rede de filme mais intimamente organizada com uma densidade superior a 98%. Essa compacidade aumenta a resistência ao desgaste do filme e a resistência à umidade e ao calor. Por exemplo, o filme de alta reflexão de TiO₂ preparado por sputtering por magnetron tem uma atenuação de refletância inferior a 0,5% após ser colocado a 85 °C / 85% UR por 1000 horas. A densidade do filme evaporado por feixe de elétrons geralmente fica entre 90% e 95%, e o tratamento térmico subsequente é necessário para melhorar seu desempenho, mas isso pode levar a alterações na tensão do filme.

A eficiência do processo é refletida principalmente na taxa de deposição e na capacidade de produção. A taxa de deposição da evaporação por feixe de elétrons varia muito com o tipo de material alvo. Para alvos metálicos (como alumínio e prata), pode atingir 50 nm/s, enquanto para alvos de óxido (como SiO₂ e TiO₂), é de apenas 1-5 nm/s. Além disso, a quantidade de alvo carregada de uma só vez é limitada, e são necessárias paradas frequentes para trocas de alvo. É adequado para produção em pequenos lotes e de alta precisão. A taxa de deposição do sputtering por magnetron é mais estável. A taxa de deposição de alvos metálicos pode atingir 20 nm/s, e a de alvos de óxido por meio de sputtering reativo pode atingir 3-8 nm/s. Ele também suporta o sputtering simultâneo de vários alvos, permitindo a deposição contínua de filmes multicamadas. A capacidade de produção de lote único é 3-5 vezes maior que a da evaporação por feixe de elétrons.

Em termos de custo, o investimento inicial em equipamentos de evaporação por feixe de elétrons é relativamente alto (cerca de 1,5 a 2 vezes o dos equipamentos de sputtering por magnetron da mesma especificação), e o custo de manutenção da pistola de elétrons é alto, com o filamento e o cátodo precisando ser substituídos a cada 1.000 horas. A estrutura do equipamento de sputtering por magnetron é relativamente simples, e a taxa de utilização do material alvo pode atingir 70-80% (enquanto a da evaporação por feixe de elétrons é de apenas 50-60%). O custo operacional de longo prazo é menor, tornando-o mais adequado para produção industrial em larga escala.

Com base nas diferenças de desempenho acima, as duas tecnologias formaram divisões de aplicação claras no campo do revestimento óptico, correspondendo respectivamente a diferentes requisitos de desempenho e escalas de produção.

Em campos onde é necessária pureza extremamente alta e precisão óptica de filmes finos, a evaporação por feixe de elétrons é uma escolha insubstituível. Por exemplo, em lentes a laser de alta potência usadas em dispositivos de fusão nuclear a laser, é necessário preparar filmes antirreflexo com perda extremamente baixa. Os filmes multicamadas de SiO₂/Ta₂O₅ preparados por evaporação por feixe de elétrons podem ter um coeficiente de absorção de luz inferior a 10^-6, o que é muito superior ao dos produtos de sputtering por magnetron. Nos sistemas de detecção infravermelha do campo aeroespacial, os filmes antirreflexo à base de Ge preparados por evaporação por feixe de elétrons podem efetivamente aumentar a transmitância infravermelha e manter um desempenho estável em temperaturas extremas (-60°C a 120°C).

Além disso, a evaporação por feixe de elétrons tem vantagens óbvias na preparação de filmes de metais preciosos. Os filmes reflexivos de Au usados em instrumentos ópticos de alta qualidade podem atingir uma refletividade de espelho de até 99,5% por meio do processo de evaporação por feixe de elétrons, com boa uniformidade da camada do filme e sem defeitos de orifício. Em contraste, os filmes de Au preparados por sputtering por magnetron são propensos à rugosidade da superfície devido aos íons de argônio residuais.

Em campos de produção em larga escala, como fotovoltaica, painéis de exibição e vidro automotivo, o sputtering por magnetron domina com suas vantagens em eficiência e custo. Na produção de células solares fotovoltaicas, o filme condutor transparente ITO preparado por sputtering por magnetron pode controlar a resistência de bloco dentro de 10Ω/sq, com uma transmitância superior a 90%, e a capacidade de produção diária de uma única linha de produção pode atingir 100.000 peças. No revestimento de para-brisas automotivos, o filme de isolamento térmico preparado por sputtering por magnetron pode efetivamente bloquear mais de 90% da radiação infravermelha, e a camada do filme tem forte adesão. Não se desprendeu após 2.000 testes de atrito.

No campo de exibição, o sputtering por magnetron é a tecnologia central para o revestimento de eletrodos de dispositivos OLED. O filme condutor de liga Ag preparado por ele não apenas garante alta condutividade, mas também possui boa flexibilidade, o que pode atender aos requisitos de dobra de telas dobráveis. Além disso, a tecnologia de sputtering reativo do sputtering por magnetron pode preparar diretamente filmes de óxido sem tratamento de oxidação subsequente, simplificando o fluxo do processo e sendo adequada para a produção em massa de componentes ópticos eletrônicos de consumo, como lentes de câmeras de telefones celulares.

Com o desenvolvimento da tecnologia óptica, uma única tecnologia de revestimento tornou-se difícil de atender aos complexos requisitos de desempenho, e a aplicação integrada das duas tecnologias tornou-se uma nova tendência. Por exemplo, no revestimento de lentes de câmeras de alta qualidade, um processo composto de "evaporação por feixe de elétrons + sputtering por magnetron" é adotado: a evaporação por feixe de elétrons é usada para preparar a camada de filme óptico de alta pureza do núcleo, e o sputtering por magnetron é usado para preparar a camada protetora resistente ao desgaste da superfície. Isso não apenas garante o desempenho óptico, mas também aumenta a resistência mecânica da camada do filme.

Além disso, ambas as tecnologias estão sendo constantemente atualizadas. A evaporação por feixe de elétrons alcança o controle preciso da taxa de deposição introduzindo uma pistola de elétrons pulsada. O sputtering por magnetron desenvolveu a tecnologia de sputtering por magnetron pulsado de alta potência (HiPIMS), que pode aumentar significativamente a energia cinética das partículas pulverizadas e preparar filmes com pureza e densidade próximas às da evaporação por feixe de elétrons. Essas inovações tecnológicas estão diminuindo a lacuna de desempenho entre os dois processos e fornecendo mais opções para revestimento óptico.

A evaporação por feixe de elétrons e o sputtering por magnetron não estão em uma relação competitiva, mas sim tecnologias complementares adaptadas a diferentes requisitos de revestimento óptico. A evaporação por feixe de elétrons, com suas vantagens de alta pureza e alta precisão, é adequada para a produção em pequenos lotes de componentes ópticos de precisão de alta qualidade e filmes funcionais especiais, e é especialmente insubstituível em campos de alta qualidade, como lasers e aeroespacial. O sputtering por magnetron, com sua alta capacidade de produção e baixo custo, tornou-se a escolha preferida em campos industriais em larga escala, como fotovoltaica e eletrônicos de consumo.

Na seleção do processo real, três fatores principais - requisitos de desempenho óptico, escala de produção e orçamento de custos - precisam ser considerados de forma abrangente. Para aplicações de alta qualidade que priorizam a precisão, a evaporação por feixe de elétrons deve ser priorizada. Para produção em larga escala, onde custo e eficiência são priorizados, o sputtering por magnetron é mais adequado. Para requisitos de desempenho complexos, um processo combinado das duas tecnologias pode ser adotado. No futuro, com a inovação contínua da tecnologia de revestimento, a aplicação integrada dos dois processos expandirá ainda mais os limites de desempenho do revestimento óptico e fornecerá um impulso mais forte para o desenvolvimento da indústria óptica.