Prinzip der Vakuum-Aufdampfbeschichtung
1、Ausrüstung und physikalischer Prozess der Vakuumverdampfungsbeschichtung
Die Vakuumverdampfungsbeschichtungsanlage besteht hauptsächlich aus einer Vakuumkammer und einem Evakuierungssystem.In der Vakuumkammer befinden sich eine Verdampfungsquelle (z. B. Verdampfungsheizung), ein Substrat und ein Substratrahmen, eine Substratheizung, ein Abgassystem usw.
Das Beschichtungsmaterial wird in die Verdampfungsquelle der Vakuumkammer gegeben und unter Hochvakuumbedingungen durch die Verdampfungsquelle erhitzt, um zu verdampfen.Wenn die durchschnittliche freie Reichweite der Dampfmoleküle größer ist als die lineare Größe der Vakuumkammer, werden die Atome und Moleküle des Filmdampfs, nachdem sie von der Oberfläche der Verdampfungsquelle entwichen sind, selten durch die Kollision anderer Moleküle oder Atome behindert. und gelangen direkt auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats.Aufgrund der niedrigen Temperatur des Substrats kondensieren die Filmdampfpartikel darauf und bilden einen Film.
Um die Haftung von Verdampfungsmolekülen und Substrat zu verbessern, kann das Substrat durch geeignete Erwärmung oder Ionenreinigung aktiviert werden.Die Vakuumbedampfungsbeschichtung durchläuft die folgenden physikalischen Prozesse von der Materialverdampfung über den Transport bis hin zur Abscheidung in einen Film.
(1) Mithilfe verschiedener Methoden zur Umwandlung anderer Energieformen in Wärmeenergie wird das Filmmaterial erhitzt, um mit einer bestimmten Energiemenge (0,1 bis 0,3 eV) zu gasförmigen Partikeln (Atome, Moleküle oder Atomcluster) zu verdampfen oder zu sublimieren.
(2) Gasförmige Partikel verlassen die Oberfläche des Films und werden mit einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit, im Wesentlichen ohne Kollision, geradlinig zur Oberfläche des Substrats transportiert.
(3) Die gasförmigen Partikel, die die Oberfläche des Substrats erreichen, verschmelzen und bilden Keime und wachsen dann zu einem Festphasenfilm heran.
(4) Reorganisation oder chemische Bindung der Atome, aus denen der Film besteht.
2、Verdampfungserwärmung
(1) Verdampfung durch Widerstandsheizung
Die Widerstandserhitzungsverdampfung ist die einfachste und am häufigsten verwendete Heizmethode und eignet sich im Allgemeinen für Beschichtungsmaterialien mit einem Schmelzpunkt unter 1500 °C sowie für Metalle mit hohem Schmelzpunkt in Draht- oder Blechform (W, Mo, Ti, Ta, Bornitrid usw.). Normalerweise wird eine Verdampfungsquelle in geeigneter Form hergestellt und mit Verdampfungsmaterialien beladen, um das Beschichtungsmaterial durch die Joulesche Wärme des elektrischen Stroms zu schmelzen, zu verdampfen oder zu sublimieren. Die Form der Verdampfungsquelle umfasst hauptsächlich eine mehrsträngige Spirale in U-Form und eine Sinuswelle B. dünne Platten, Boote, Kegelkörbe usw. Gleichzeitig erfordert das Verfahren, dass das Verdampfungsquellenmaterial einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Sättigungsdampfdruck und stabile chemische Eigenschaften aufweist und bei hohen Temperaturen keine chemische Reaktion mit dem Beschichtungsmaterial eingeht. gute Wärmebeständigkeit, geringe Änderung der Leistungsdichte usw. Es wird ein hoher Strom durch die Verdampfungsquelle geleitet, um das Filmmaterial durch direktes Erhitzen aufzuheizen und zu verdampfen, oder das Filmmaterial in einen Tiegel aus Graphit zu geben, der bestimmte hohe Temperaturen aufweist Metalloxide (wie A202, B0) und andere Materialien zur indirekten Erwärmung verdampfen.
Die Aufdampfbeschichtung mit Widerstandsheizung weist Einschränkungen auf: Refraktärmetalle haben einen niedrigen Dampfdruck, wodurch es schwierig ist, einen dünnen Film herzustellen.Bei einigen Elementen lässt sich leicht eine Legierung mit dem Heizdraht bilden.Es ist nicht einfach, eine gleichmäßige Zusammensetzung des Legierungsfilms zu erhalten.Aufgrund der einfachen Struktur, des niedrigen Preises und der einfachen Bedienung der Verdampfungsmethode mit Widerstandsheizung ist sie eine sehr häufige Anwendung der Verdampfungsmethode.
(2) Elektronenstrahl-Heizverdampfung
Bei der Elektronenstrahlverdampfung handelt es sich um eine Methode zur Verdampfung des Beschichtungsmaterials durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl hoher Energiedichte, indem es in einen wassergekühlten Kupfertiegel gegeben wird.Die Verdampfungsquelle besteht aus einer Elektronenemissionsquelle, einer Elektronenbeschleunigungsquelle, einem Tiegel (normalerweise ein Kupfertiegel), einer Magnetfeldspule und einem Kühlwassersatz usw. Bei diesem Gerät wird das erhitzte Material in Wasser gegeben -gekühlter Tiegel, und der Elektronenstrahl bombardiert nur einen sehr kleinen Teil des Materials, während der größte Teil des restlichen Materials aufgrund der Kühlwirkung des Tiegels auf einer sehr niedrigen Temperatur verbleibt, was als der beschossene Teil des Tiegels angesehen werden kann.Somit könnte die Methode der Elektronenstrahlheizung zur Verdampfung eine Kontamination zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Verdampfungsquellenmaterial vermeiden.
Der Aufbau der Elektronenstrahl-Verdampfungsquelle kann in drei Typen unterteilt werden: gerade Kanonen (Boules-Kanonen), Ringkanonen (elektrisch abgelenkt) und E-Kanonen (magnetisch abgelenkt).In einer Verdampfungsanlage können ein oder mehrere Tiegel platziert werden, die viele verschiedene Substanzen gleichzeitig oder getrennt verdampfen und abscheiden können.
Elektronenstrahlverdampfungsquellen haben die folgenden Vorteile.
①Durch die hohe Strahldichte der Elektronenstrahlbeschuss-Verdampfungsquelle kann eine weitaus höhere Energiedichte erreicht werden als mit der Widerstandsheizquelle, die Materialien mit hohem Schmelzpunkt wie W, Mo, Al2O3 usw. verdampfen kann.
②Das Beschichtungsmaterial wird in einen wassergekühlten Kupfertiegel gegeben, wodurch die Verdampfung des Verdampfungsquellenmaterials und die Reaktion zwischen ihnen vermieden werden können.
③Wärme kann direkt auf die Oberfläche des Beschichtungsmaterials aufgebracht werden, wodurch der thermische Wirkungsgrad hoch und der Verlust an Wärmeleitung und Wärmestrahlung gering ist.
Der Nachteil der Verdampfungsmethode mit Elektronenstrahlheizung besteht darin, dass die Primärelektronen von der Elektronenkanone und die Sekundärelektronen von der Oberfläche des Beschichtungsmaterials die verdampfenden Atome und Restgasmoleküle ionisieren, was manchmal die Qualität des Films beeinträchtigt.
(3) Hochfrequenz-Induktionserwärmungsverdampfung
Bei der Hochfrequenz-Induktionserwärmungsverdampfung wird der Tiegel mit dem Beschichtungsmaterial in der Mitte der Hochfrequenz-Spiralspule platziert, so dass das Beschichtungsmaterial unter der Induktion eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes einen starken Wirbelstrom und einen Hystereseeffekt erzeugt, der das verursacht Filmschicht so lange erhitzen, bis sie verdampft und verdunstet.Die Verdampfungsquelle besteht im Allgemeinen aus einer wassergekühlten Hochfrequenzspule und einem Tiegel aus Graphit oder Keramik (Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Boroxid usw.).Das Hochfrequenznetzteil nutzt eine Frequenz von zehntausend bis mehreren hunderttausend Hz, die Eingangsleistung beträgt mehrere bis mehrere hundert Kilowatt, je kleiner das Volumen des Membranmaterials, desto höher die Induktionsfrequenz.Die Frequenz der Induktionsspule besteht normalerweise aus wassergekühltem Kupferrohr.
Der Nachteil der Hochfrequenz-Induktionserwärmungs-Verdampfungsmethode besteht darin, dass die Feineinstellung der Eingangsleistung nicht einfach ist. Sie bietet die folgenden Vorteile.
①Hohe Verdunstungsrate
②Die Temperatur der Verdampfungsquelle ist gleichmäßig und stabil, so dass es nicht leicht ist, das Phänomen des Spritzens von Beschichtungströpfchen zu erzeugen, und es kann auch das Phänomen von Nadellöchern auf dem abgeschiedenen Film vermieden werden.
③Die Verdampfungsquelle wird einmal geladen und die Temperatur ist relativ einfach und einfach zu steuern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28. Okt. 2022