Os dois gigantes do mundo do filme fino: Uma análise das principais diferenças entre sputtering por magnetron e deposição iônica

A essência da pulverização catódica por magnetron é o "efeito colaborativo de bombardeamento de íons de alta energia + restrição de campo magnético". Seu princípio de funcionamento pode ser resumido em três etapas-chave: Primeiro, gás argônio inerte é introduzido na câmara de vácuo e o plasma é formado através de excitação de campo elétrico; em seguida, os íons de argônio são acelerados pelo campo elétrico e bombardeiam a superfície do material alvo, "pulverizando" os átomos do material alvo; o ponto mais crucial é que o campo magnético atrás do alvo ligará os elétrons perto da superfície do alvo para realizar um movimento espiral, melhorando significativamente a eficiência de ionização do gás argônio e, finalmente, permitindo que os átomos do material alvo pulverizados se depositem uniformemente na superfície do substrato para formar um filme. Este projeto de "aceleração de campo elétrico + restrição de campo magnético" resolve os pontos problemáticos de baixa taxa de produção e alta temperatura do substrato na pulverização tradicional, tornando-se a tecnologia central para produção em massa industrial.

A deposição por íons é um processo composto de "evaporação / pulverização + ionização + aceleração de campo elétrico", conhecido como a "combinação de evaporação a vácuo e pulverização". Seu processo central é: primeiro, o material alvo forma partículas gasosas através de evaporação ou pulverização, em seguida, essas partículas são ionizadas por descarga luminosa em íons de alta energia; subsequentemente, sob a ação de um forte campo elétrico, esses íons são acelerados em direção ao substrato, não apenas limpando as impurezas na superfície do substrato, mas também formando uma forte ligação com o substrato com alta energia cinética. Este método de deposição por ionização permite um salto na força de ligação entre a camada de filme e o substrato.

A adesão é o indicador central para medir a durabilidade da camada de filme. Dados experimentais mostram que a adesão das camadas de filme pulverizadas por magnetron geralmente fica entre 3-10N/cm, enquanto a deposição por íons pode atingir 5-15N/cm, e alguns revestimentos duros ainda mais. Por exemplo, no teste de deposição de filme de alumínio em substratos de vidro, a adesão da deposição por íons atinge 12N/cm, que é mais de 5 vezes a da evaporação tradicional. Mesmo após atrito repetido, não se solta facilmente. Essa vantagem decorre do efeito de pulverização dos íons no substrato, que pode formar uma camada de transição mista de 1-5nm, alcançando "ligação em nível atômico" entre a camada de filme e o substrato.

A taxa de deposição afeta diretamente a eficiência de produção. A taxa de deposição de filme metálico da pulverização catódica por magnetron é 10-100nm/min, e a de filmes compostos é 5-30nm/min; enquanto a taxa de deposição por íons é geralmente mais lenta, apenas 5-50nm/min. Por exemplo, no caso do filme ITO usado em telas, a pulverização catódica por magnetron pode completar um revestimento de 200nm de espessura em 1 hora, enquanto a deposição por íons requer 2-3 horas. Isso ocorre porque o processo de ionização consome parte da energia, resultando em uma redução no número de partículas efetivamente depositadas.

Em cenários de revestimento em larga escala, a vantagem de uniformidade da pulverização catódica por magnetron é particularmente óbvia. Com a ajuda de "mesa giratória planetária" e "layout simétrico de múltiplos alvos", a pulverização catódica por magnetron pode controlar o desvio da espessura do filme de substratos de grande área dentro de ±1%-5%, enquanto a uniformidade da deposição por íons é geralmente ±3%-7%. Os dados de produção de um fabricante de painéis de exibição mostram que para a linha de 6ª geração com substrato de vidro (1500mm * 1800mm), o filme ITO é depositado por pulverização catódica por magnetron, com a uniformidade de espessura atingindo dentro de ±1%. O rendimento de produção contínua de 500 peças é tão alto quanto 97%, superando em muito os 85% da pulverização por íons.

A temperatura da base é um parâmetro chave que determina a adaptabilidade do processo. A pulverização catódica por magnetron reduz o bombardeamento direto de íons no substrato através da restrição do campo magnético, e a temperatura da base pode ser controlada dentro de temperatura ambiente a 300℃, e alguns processos podem até manter a temperatura ambiente; enquanto a pulverização por íons, devido ao bombardeamento de íons gerar calor, a temperatura da base geralmente está na faixa de 150-500℃. Essa diferença permite que a pulverização catódica por magnetron se adapte a materiais sensíveis ao calor, como filmes flexíveis de PET e dispositivos MEMS - ao depositar eletrodos de Au em um MEMS de 2μm de espessura, a pulverização catódica por magnetron eleva a temperatura da base para apenas 80℃, e a deflexão do cantilever muda em apenas 0.1μm; enquanto a alta temperatura de 350℃ da deposição por íons fará com que o cantilever se curve diretamente e falhe.

A pulverização catódica por magnetron suporta vários modos, como co-pulverização e pulverização reativa, e pode preparar vários tipos de filmes, incluindo filmes condutores transparentes de ITO, filmes duros de TiN, etc., e materiais complexos como ITO e TiN. A pulverização por íons é mais proficiente na preparação de revestimentos duros de metal e cerâmica, como TiAlN e CrN, e tem limitações no revestimento de materiais orgânicos e ligas de baixo ponto de fusão. Por exemplo, ao revestir filme de Cu na placa de circuito flexível da tela do celular, a pulverização catódica por magnetron pode ser concluída a 60℃, e a deflexão do cantilever muda em apenas 0.1μm; enquanto a alta temperatura de 350℃ da deposição por íons fará com que o filme de PET encolha e deforme, e não é aplicável.

A maior vantagem da pulverização catódica por magnetron reside em sua produção estável e adaptabilidade a baixas temperaturas. Seu sistema de controle em malha fechada pode monitorar parâmetros como espessura do filme e composição do gás em tempo real, com um erro de espessura do filme controlado dentro de ±0.1nm, e o rendimento pode ainda manter mais de 99% por 30 dias consecutivos de operação contínua. Ao mesmo tempo, a taxa de utilização do alvo pode atingir 60%-80%, economizando 20% a mais de custos de material do que a pulverização tradicional. No entanto, essa tecnologia também tem limitações: mau desempenho de preenchimento de orifícios e fraca capacidade de cobertura de degraus, e não é tão uniforme quanto a deposição por íons em superfícies curvas complexas; e a estrutura do equipamento é complexa, com um custo de investimento inicial mais alto.

A característica notável da pulverização catódica por íons é sua super forte adesão e adaptabilidade de superfície. O efeito de bombardeamento de íons permite que a camada de filme penetre nos minúsculos poros do substrato, mesmo que a forma do substrato seja complexa (como o fio de corte de uma faca ou a cavidade do molde), ela pode alcançar cobertura uniforme. No teste de resistência ao desgaste, o revestimento de TiN (2μm de espessura) de deposição por íons (2μm de espessura) sob uma carga de 1kg de atrito por 100.000 vezes tem uma quantidade de desgaste de apenas 0.2μm, que é metade da de um revestimento similar de pulverização catódica por magnetron. No entanto, as desvantagens da pulverização por íons também são muito óbvias: taxa de deposição lenta resultando em baixa eficiência de produção, alta temperatura propensa a danificar substratos sensíveis, e controle complexo de parâmetros de processo, com um risco maior de introdução de impurezas gasosas do que a pulverização catódica por magnetron.

Devido à sua uniformidade em larga escala e vantagens de deposição a baixa temperatura, a pulverização catódica por magnetron é amplamente utilizada nos campos de eletrônicos, óptica e nova energia:

• Indústria eletrônica: filmes condutores transparentes de ITO para telas, eletrodos de cabeçote magnético de disco rígido, filmes de Cu para placas de circuito flexíveis;
• Indústria óptica: filmes antirreflexo para lentes de óculos, filmes antirreflexo para capas de vidro de celulares;
• Indústria de nova energia: campo traseiro de alumínio para células solares, revestimento para abas de eletrodos de bateria. O caso de produção em massa de um determinado fabricante de disco rígido mostra que o filme de liga Ni-Fe (20nm de espessura) preparado por pulverização catódica por magnetron, com o desvio do componente controlado dentro de ±0.5%, atende aos requisitos de alta precisão do cabeçote magnético.

A super forte adesão da deposição por íons a torna a escolha preferencial para revestimentos duros e galvanoplastia de peças complexas:

• Usinagem: revestimentos super duros de TiN, TiAlN para ferramentas de corte e moldes, podem estender a vida útil em 3-10 vezes;
• Indústria de decoração: filmes decorativos resistentes ao desgaste para ferragens de banheiro e relógios de luxo, combinando beleza e durabilidade;
• Aeroespacial: revestimentos protetores de alta temperatura para pás de motor e engrenagens, capazes de suportar temperaturas acima de 800℃.

No campo de moldes automotivos, o revestimento de TiAlN de deposição por íons tem uma dureza de 3200HV, permitindo que o molde estampe continuamente 100.000 vezes ou mais sem desgaste óbvio.