การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนเทียบกับการสปัตเตอร์ด้วยแมกนีตรอนสำหรับสารเคลือบผิวแบบออปติคัล

การเคลือบผิวแบบออปติคอล ซึ่งเป็นเทคโนโลยีหลักในการเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนประกอบออปติคอล ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เลเซอร์ ระบบถ่ายภาพ อุปกรณ์โฟโตโวลตาอิก และสาขาอื่นๆ คุณภาพของมันจะกำหนดตัวบ่งชี้สำคัญของระบบออปติคอลโดยตรง เช่น การส่งผ่าน การสะท้อน และความเสถียรของสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน (E-Beam Evaporation) และการสปัตเตอร์แมกนีตรอน (Magnetron Sputtering) เป็นสองเทคโนโลยีการสะสมไอสารเคมี (PVD) หลักในปัจจุบัน และมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านหลักการเคลือบ ประสิทธิภาพ และสถานการณ์การใช้งาน บทความนี้จะเริ่มต้นจากสาระสำคัญของเทคโนโลยี เปรียบเทียบข้อดีและข้อจำกัดหลักของสองเทคโนโลยีอย่างเป็นระบบ และให้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการเลือกกระบวนการเคลือบผิวแบบออปติคอล

ทั้งสองเทคนิคบรรลุการย้ายและการสะสมของอะตอม/โมเลกุลของวัสดุเป้าหมายในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ แต่ความแตกต่างในกลไกการกระตุ้นและถ่ายโอนพลังงานวางรากฐานสำหรับความแตกต่างของประสิทธิภาพในภายหลัง

เทคโนโลยีการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนใช้ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงเป็นตัวนำพลังงาน อิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นโดยปืนอิเล็กตรอนจะถูกเร่งด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง จากนั้นจึงระเบิดพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายที่วางอยู่ในเบ้าหลอมที่ระบายความร้อนด้วยน้ำอย่างแม่นยำภายใต้ผลการโฟกัสของสนามแม่เหล็ก พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน ทำให้วัสดุเป้าหมายเกิดสถานะหลอมเหลวหรือระเหยที่อุณหภูมิสูงในท้องถิ่น หลังจากที่อะตอม/โมเลกุลของวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซหลุดออกจากพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายแล้ว พวกมันจะเคลื่อนที่แบบสุ่มในห้องสุญญากาศและในที่สุดก็สะสมบนพื้นผิวของพื้นผิวออปติคอลที่ผ่านการบำบัดล่วงหน้า ทำให้เกิดฟิล์มสม่ำเสมอ ตลอดกระบวนการ เบ้าหลอมที่ระบายความร้อนด้วยน้ำสามารถป้องกันปฏิกิริยาเคมีระหว่างวัสดุเป้าหมายและเบ้าหลอมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดการปนเปื้อน สิ่งนี้ทำให้พวกเขามีข้อได้เปรียบในการเตรียมฟิล์มที่มีความบริสุทธิ์สูง

การสปัตเตอร์แมกนีตรอนขึ้นอยู่กับหลักการของการปล่อยก๊าซและการระเบิดไอออน ก๊าซเฉื่อย (โดยปกติคืออาร์กอน) จะถูกนำเข้าสู่ห้องสุญญากาศและถูกกระตุ้นด้วยสนามไฟฟ้าความถี่วิทยุหรือกระแสตรงเพื่อสร้างพลาสมา ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า ไอออนอาร์กอนในพลาสมาจะเร่งความเร็วและระเบิดพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย ทำให้อะตอมของวัสดุเป้าหมายได้รับพลังงานเพียงพอที่จะหลุดออกจากข้อจำกัดของแลตทิซ (เช่น กระบวนการ "สปัตเตอร์") เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสปัตเตอร์ อุปกรณ์จะติดตั้งสนามแม่เหล็กไว้ด้านหลังวัสดุเป้าหมาย ผ่านผลการกักขังของสนามแม่เหล็กบนอิเล็กตรอน เส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในพลาสมาจะยาวนานขึ้น เพิ่มโอกาสในการชนกับโมเลกุลอาร์กอน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลาสมาและอัตราการสปัตเตอร์ ตามประเภทของวัสดุเป้าหมายที่แตกต่างกัน สามารถแบ่งออกเป็นการสปัตเตอร์แมกนีตรอน DC (เหมาะสำหรับเป้าหมายตัวนำ) และการสปัตเตอร์แมกนีตรอน RF (เหมาะสำหรับเป้าหมายฉนวน)

การเคลือบผิวแบบออปติคอลมีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับความบริสุทธิ์ ความสม่ำเสมอ ความหนาแน่น และสถานะความเค้นของฟิล์ม ความแตกต่างของประสิทธิภาพของสองเทคโนโลยีในตัวบ่งชี้หลักเหล่านี้จะกำหนดขอบเขตการใช้งานโดยตรง

ความบริสุทธิ์ของฟิล์มเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพทางแสง เนื้อหาของสิ่งเจือปนที่มากเกินไปจะนำไปสู่การดูดกลืนแสงที่เพิ่มขึ้นและการส่งผ่านที่ลดลง การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนช่วยให้มั่นใจได้ถึงความบริสุทธิ์สูงผ่านสามประเด็น: ประการแรก พลังงานของลำอิเล็กตรอนจะถูกรวมศูนย์บนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย และเบ้าหลอมจะได้รับความร้อนเพียงเล็กน้อยผ่านการแผ่รังสี หลีกเลี่ยงการหลอมละลายและการยึดเกาะของวัสดุเป้าหมายกับเบ้าหลอม ประการที่สอง มีองศาสุญญากาศที่สูงขึ้น (โดยปกติจะถึงระดับ 10^-6 Pa) ลดการปนเปื้อนของอนุภาคที่ระเหยด้วยโมเลกุลของก๊าซ ประการที่สาม สามารถบรรลุการระเหยที่แม่นยำของวัสดุเป้าหมายเดียว หลีกเลี่ยงการปนเปื้อนข้ามของวัสดุเป้าหมายหลายชนิด ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าปริมาณสิ่งเจือปนของ SiO₂ ฟิล์มป้องกันการสะท้อนแสงที่เตรียมโดยการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนน้อยกว่า 50ppm ในขณะที่ปริมาณสิ่งเจือปนของกระบวนการสปัตเตอร์แมกนีตรอนมักจะอยู่ที่ 100-200 PPM เนื่องจากไอออนก๊าซที่เหลืออยู่ในพลาสมา

ข้อบกพร่องด้านความบริสุทธิ์ของการสปัตเตอร์แมกนีตรอนส่วนใหญ่มาจากสภาพแวดล้อมของพลาสมา ไอออนอาร์กอนอาจฝังอยู่ในแลตทิซของฟิล์ม และชั้นออกไซด์บนพื้นผิวเป้าหมายจะถูกผสมลงในฟิล์มในระหว่างกระบวนการสปัตเตอร์ แม้ว่าจะสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มองศาสุญญากาศและการใช้การสปัตเตอร์ล่วงหน้าของวัสดุเป้าหมาย สำหรับฟิล์มแสงที่มีข้อกำหนดความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (เช่น การเคลือบเลนส์โพรงเรโซแนนซ์เลเซอร์) ยังคงยากที่จะจับคู่กับการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน

ความสม่ำเสมอของฟิล์มส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำของรูปร่างพื้นผิวของส่วนประกอบออปติคอล โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเคลือบพื้นผิวขนาดใหญ่ ยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนสามารถบรรลุค่าเบี่ยงเบนความหนาของฟิล์มน้อยกว่า ±1% บนพื้นผิวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. โดยการหมุนแท่นวางพื้นผิวและปรับเส้นทางการสแกนของลำอิเล็กตรอนให้เหมาะสม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะ "แหล่งกำเนิดจุด" ของแหล่งกำเนิดการระเหย การลดทอนความหนาจึงเกิดขึ้นได้ง่ายที่ขอบของพื้นผิว การสปัตเตอร์แมกนีตรอนทำงานได้ดีกว่าบนพื้นผิวขนาดใหญ่ (เช่น กระจกโฟโตโวลตาอิกขนาด 600 มม.*600 มม.) เนื่องจากลักษณะการสปัตเตอร์ "แหล่งกำเนิดพื้นผิว" ของวัสดุเป้าหมาย ความสม่ำเสมอของความหนาสามารถควบคุมได้ภายใน ±2% และการกระจายความหนาของชั้นฟิล์มใกล้เคียงกับสี่เหลี่ยมผืนผ้ามากขึ้น โดยมีผลกระทบต่อขอบที่อ่อนแอกว่า

ในแง่ของความหนาแน่น การสปัตเตอร์แมกนีตรอนมีข้อได้เปรียบ อนุภาคที่ถูกสปัตเตอร์มีพลังงานจลน์ที่สูงกว่า (โดยทั่วไป 10 ถึง 100 เท่าของอนุภาคที่ระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน) และเมื่อสะสมบนพื้นผิวของพื้นผิว พวกมันสามารถสร้างการดูดซับและผลการแพร่กระจายที่แข็งแกร่งขึ้น ทำให้เกิดแลตทิซฟิล์มที่จัดเรียงอย่างใกล้ชิดมากขึ้น โดยมีความหนาแน่นมากกว่า 98% ความกะทัดรัดนี้ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอของฟิล์ม และความทนทานต่อความชื้นและความร้อน ตัวอย่างเช่น ฟิล์มสะท้อนแสงสูง TiO₂ ที่เตรียมโดยการสปัตเตอร์แมกนีตรอนมีการลดทอนการสะท้อนแสงน้อยกว่า 0.5% หลังจากวางไว้ที่ 85 °C /85%RH เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง ความหนาแน่นของฟิล์มที่ระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนมักจะอยู่ระหว่าง 90% ถึง 95% และจำเป็นต้องมีการอบอ่อนในภายหลังเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ แต่สิ่งนี้อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความเค้นของฟิล์ม

ประสิทธิภาพของกระบวนการสะท้อนให้เห็นส่วนใหญ่ในอัตราการสะสมและความสามารถในการผลิต อัตราการสะสมของการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนแตกต่างกันไปตามประเภทของวัสดุเป้าหมาย สำหรับเป้าหมายโลหะ (เช่น อะลูมิเนียมและเงิน) สามารถเข้าถึง 50nm/s ในขณะที่สำหรับเป้าหมายออกไซด์ (เช่น SiO₂ และ TiO₂) มีเพียง 1-5nm/s นอกจากนี้ ปริมาณเป้าหมายที่โหลดในแต่ละครั้งมีจำกัด และจำเป็นต้องมีการปิดเครื่องบ่อยครั้งเพื่อเปลี่ยนเป้าหมาย เหมาะสำหรับการผลิตขนาดเล็กและมีความแม่นยำสูง อัตราการสะสมของการสปัตเตอร์แมกนีตรอนมีความเสถียรมากกว่า อัตราการสะสมของเป้าหมายโลหะสามารถเข้าถึง 20nm/s และของเป้าหมายออกไซด์ผ่านการสปัตเตอร์แบบรีแอคทีฟสามารถเข้าถึง 3-8nm/s นอกจากนี้ยังรองรับการสปัตเตอร์พร้อมกันของเป้าหมายหลายรายการ ทำให้สามารถสะสมฟิล์มหลายชั้นได้อย่างต่อเนื่อง ความสามารถในการผลิตแบบครั้งเดียวสูงกว่าการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน 3-5 เท่า

ในแง่ของต้นทุน การลงทุนเริ่มต้นในอุปกรณ์ระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนค่อนข้างสูง (ประมาณ 1.5 ถึง 2 เท่าของอุปกรณ์สปัตเตอร์แมกนีตรอนที่มีข้อกำหนดเดียวกัน) และต้นทุนการบำรุงรักษาของปืนอิเล็กตรอนสูง โดยต้องเปลี่ยนไส้หลอดและแคโทดทุกๆ 1,000 ชั่วโมง โครงสร้างของอุปกรณ์สปัตเตอร์แมกนีตรอนค่อนข้างง่าย และอัตราการใช้ประโยชน์จากวัสดุเป้าหมายสามารถเข้าถึง 70-80% (ในขณะที่การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนมีเพียง 50-60%) ต้นทุนการดำเนินงานในระยะยาวต่ำกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

จากความแตกต่างของประสิทธิภาพข้างต้น สองเทคโนโลยีได้สร้างแผนกการใช้งานที่ชัดเจนในด้านการเคลือบผิวแบบออปติคอล ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและขนาดการผลิตที่แตกต่างกัน

ในสาขาที่ต้องการความบริสุทธิ์และความแม่นยำทางแสงของฟิล์มสูงมาก การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนเป็นตัวเลือกที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ ตัวอย่างเช่น ในเลนส์เลเซอร์กำลังสูงที่ใช้ในอุปกรณ์ฟิวชันนิวเคลียร์เลเซอร์ จำเป็นต้องเตรียมฟิล์มป้องกันการสะท้อนแสงที่มีการสูญเสียน้อยมาก ฟิล์มหลายชั้น SiO₂/Ta₂O₅ ที่เตรียมโดยการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนสามารถมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงต่ำกว่า 10^-6 ซึ่งเหนือกว่าผลิตภัณฑ์สปัตเตอร์แมกนีตรอนมาก ในระบบตรวจจับอินฟราเรดของสาขาการบินและอวกาศ ฟิล์มป้องกันการสะท้อนแสงที่ใช้ Ge ที่เตรียมโดยการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนสามารถเพิ่มการส่งผ่านอินฟราเรดได้อย่างมีประสิทธิภาพและรักษาประสิทธิภาพที่เสถียรที่อุณหภูมิสุดขั้ว (-60°C ถึง 120°C)

นอกจากนี้ การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนยังมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการเตรียมฟิล์มโลหะมีค่า ฟิล์มสะท้อนแสง Au ที่ใช้ในเครื่องมือออปติคอลระดับไฮเอนด์สามารถบรรลุการสะท้อนกระจกได้สูงถึง 99.5% โดยกระบวนการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน โดยมีความสม่ำเสมอที่ดีของชั้นฟิล์มและไม่มีข้อบกพร่องของรูเข็ม ในทางตรงกันข้าม ฟิล์ม Au ที่เตรียมโดยการสปัตเตอร์แมกนีตรอนมีแนวโน้มที่จะเกิดความขรุขระของพื้นผิวเนื่องจากไอออนอาร์กอนที่เหลืออยู่

ในสาขาการผลิตขนาดใหญ่ เช่น โฟโตโวลตาอิก แผงแสดงผล และกระจกรถยนต์ การสปัตเตอร์แมกนีตรอนครอบงำด้วยข้อได้เปรียบในด้านประสิทธิภาพและต้นทุน ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์โฟโตโวลตาอิก ฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งใส ITO ที่เตรียมโดยการสปัตเตอร์แมกนีตรอนสามารถควบคุมความต้านทานบล็อกได้ภายใน 10Ω/sq โดยมีการส่งผ่านมากกว่า 90% และกำลังการผลิตรายวันของสายการผลิตเดียวสามารถเข้าถึง 100,000 ชิ้น ในการเคลือบกระจกหน้ารถยนต์ ฟิล์มฉนวนความร้อนที่เตรียมโดยการสปัตเตอร์แมกนีตรอนสามารถปิดกั้นรังสีอินฟราเรดได้มากกว่า 90% และชั้นฟิล์มมีการยึดเกาะที่แข็งแรง ไม่ได้ลอกออกหลังจากการทดสอบแรงเสียดทาน 2,000 ครั้ง

ในด้านการแสดงผล การสปัตเตอร์แมกนีตรอนเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการเคลือบขั้วไฟฟ้าของอุปกรณ์ OLED ฟิล์มนำไฟฟ้าโลหะผสม Ag ที่เตรียมโดยวิธีนี้ไม่เพียงแต่รับประกันการนำไฟฟ้าสูงเท่านั้น แต่ยังมีความยืดหยุ่นที่ดี ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการในการโค้งงอของหน้าจอพับได้ นอกจากนี้ เทคโนโลยีการสปัตเตอร์แบบรีแอคทีฟของการสปัตเตอร์แมกนีตรอนยังสามารถเตรียมฟิล์มออกไซด์ได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่านการบำบัดออกซิเดชันในภายหลัง ทำให้ขั้นตอนการทำงานง่ายขึ้นและเหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากของส่วนประกอบออปติคอลอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น เลนส์กล้องโทรศัพท์มือถือ

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีออปติคอล เทคโนโลยีการเคลือบผิวแบบเดียวจึงเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่ซับซ้อน และการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีทั้งสองแบบบูรณาการได้กลายเป็นแนวโน้มใหม่ ตัวอย่างเช่น ในการเคลือบเลนส์กล้องระดับไฮเอนด์ มีการนำกระบวนการผสมผสานของ "การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน + การสปัตเตอร์แมกนีตรอน" มาใช้: การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนใช้ในการเตรียมชั้นฟิล์มแสงที่มีความบริสุทธิ์สูง และการสปัตเตอร์แมกนีตรอนใช้ในการเตรียมชั้นป้องกันการสึกหรอของพื้นผิว ซึ่งไม่เพียงแต่รับประกันประสิทธิภาพทางแสงเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลของชั้นฟิล์มอีกด้วย

นอกจากนี้ เทคโนโลยีทั้งสองยังได้รับการอัปเกรดอย่างต่อเนื่อง การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนช่วยให้ควบคุมอัตราการสะสมได้อย่างแม่นยำโดยการแนะนำปืนอิเล็กตรอนแบบพัลส์ การสปัตเตอร์แมกนีตรอนได้พัฒนาเทคโนโลยีการสปัตเตอร์แมกนีตรอนแบบพัลส์กำลังสูง (HiPIMS) ซึ่งสามารถเพิ่มพลังงานจลน์ของอนุภาคที่ถูกสปัตเตอร์ได้อย่างมาก และเตรียมฟิล์มที่มีความบริสุทธิ์และความหนาแน่นใกล้เคียงกับฟิล์มที่ระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน นวัตกรรมทางเทคโนโลยีเหล่านี้กำลังลดช่องว่างด้านประสิทธิภาพระหว่างสองกระบวนการ และมอบตัวเลือกเพิ่มเติมสำหรับการเคลือบผิวแบบออปติคอล

การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอนและการสปัตเตอร์แมกนีตรอนไม่ได้อยู่ในความสัมพันธ์ในการแข่งขัน แต่เป็นเทคโนโลยีเสริมที่ปรับให้เหมาะกับข้อกำหนดการเคลือบผิวแบบออปติคอลที่แตกต่างกัน การระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน ด้วยข้อดีของความบริสุทธิ์สูงและความแม่นยำสูง เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบออปติคอลที่มีความแม่นยำสูงและฟิล์มฟังก์ชันพิเศษในปริมาณน้อย และโดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในสาขาระดับไฮเอนด์ เช่น เลเซอร์และการบินและอวกาศ การสปัตเตอร์แมกนีตรอน ด้วยกำลังการผลิตสูงและต้นทุนต่ำ ได้กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการในสาขาอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น โฟโตโวลตาอิกและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ในการเลือกกระบวนการจริง ปัจจัยหลักสามประการ - ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางแสง ขนาดการผลิต และงบประมาณต้นทุน - จำเป็นต้องพิจารณาอย่างครอบคลุม สำหรับการใช้งานระดับไฮเอนด์ที่ให้ความสำคัญกับความแม่นยำ ควรให้ความสำคัญกับการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน สำหรับการผลิตขนาดใหญ่ที่ให้ความสำคัญกับต้นทุนและประสิทธิภาพ การสปัตเตอร์แมกนีตรอนเหมาะสมกว่า สำหรับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่ซับซ้อน สามารถนำกระบวนการรวมกันของสองเทคโนโลยีมาใช้ได้ ในอนาคต ด้วยนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการเคลือบผิว การประยุกต์ใช้กระบวนการทั้งสองแบบบูรณาการจะขยายขอบเขตประสิทธิภาพของการเคลือบผิวแบบออปติคอลต่อไป และให้แรงผลักดันที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมออปติคอล