Prinzip der Vakuumverdampfungsbeschichtung
1. Ausrüstung und physikalischer Prozess der Vakuumverdampfungsbeschichtung
Die Vakuumverdampfungsanlage besteht im Wesentlichen aus einer Vakuumkammer und einem Absaugsystem. In der Vakuumkammer befinden sich die Verdampfungsquelle (d. h. der Verdampfungsheizer), das Substrat mit Substratrahmen, die Substratheizung, das Abgassystem usw.
Das Beschichtungsmaterial wird in die Verdampfungsquelle der Vakuumkammer eingebracht und unter Hochvakuumbedingungen durch diese erhitzt, um zu verdampfen. Ist die mittlere freie Reichweite der Dampfmoleküle größer als die lineare Ausdehnung der Vakuumkammer, werden die Atome und Moleküle des Filmdampfes nach dem Austritt aus der Oberfläche der Verdampfungsquelle kaum durch Kollisionen mit anderen Molekülen oder Atomen behindert und erreichen direkt die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats. Aufgrund der niedrigen Substrattemperatur kondensieren die Filmdampfpartikel darauf und bilden einen Film.
Um die Haftung der Verdampfungsmoleküle auf dem Substrat zu verbessern, kann das Substrat durch geeignete Erwärmung oder Ionenreinigung aktiviert werden. Die Vakuumverdampfungsbeschichtung durchläuft folgende physikalische Prozesse: Materialverdampfung, Transport und Abscheidung zu einem Film.
(1) Durch die Umwandlung anderer Energieformen in Wärmeenergie wird das Filmmaterial erhitzt, um zu verdampfen oder zu sublimieren und so gasförmige Partikel (Atome, Moleküle oder Atomcluster) mit einer bestimmten Energiemenge (0,1 bis 0,3 eV) zu bilden.
(2) Gasförmige Partikel verlassen die Oberfläche des Films und werden mit einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit, im Wesentlichen kollisionsfrei, 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) Widerstandsheizungsverdampfung
Die Widerstandsheizungsverdampfung ist das einfachste und gebräuchlichste Heizverfahren und eignet sich im Allgemeinen für Beschichtungsmaterialien mit einem Schmelzpunkt unter 1500 °C. Hochschmelzende Metalle in Draht- oder Blechform (W, Mo, Ti, Ta, Bornitrid usw.) werden üblicherweise zu einer geeigneten Verdampfungsquelle geformt und mit dem Beschichtungsmaterial befüllt. Durch die Joulesche Wärme des elektrischen Stroms wird das Beschichtungsmaterial geschmolzen, verdampft oder sublimiert. Die Verdampfungsquellen haben typischerweise Formen wie Mehrstrangspiralen, U-Formen, Sinuswellen, dünne Platten, Boote, Kegelkörbe usw. Gleichzeitig erfordert das Verfahren, dass das Verdampfungsquellenmaterial einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Sättigungsdampfdruck und stabile chemische Eigenschaften aufweist, bei hohen Temperaturen keine chemische Reaktion mit dem Beschichtungsmaterial eingeht, eine gute Hitzebeständigkeit und eine geringe Änderung der Leistungsdichte aufweist. Es wird ein hoher Strom durch die Verdampfungsquelle geleitet, um diese zu erhitzen und das Filmmaterial durch direktes Erhitzen zu verdampfen. Alternativ wird das Filmmaterial in einen Tiegel aus Graphit und bestimmten hochtemperaturbeständigen Metalloxiden gegeben. wie A202, B0) und andere Materialien zur indirekten Erwärmung zum Verdampfen.
Die Widerstandsheizungsverdampfung hat ihre Grenzen: Hochschmelzende Metalle besitzen einen niedrigen Dampfdruck, was die Herstellung dünner Schichten erschwert; manche Elemente neigen zur Legierungsbildung mit dem Heizdraht; eine gleichmäßige Zusammensetzung der Legierungsschicht lässt sich nur schwer erzielen. Aufgrund ihrer einfachen Struktur, des geringen Preises und der unkomplizierten Handhabung ist die Widerstandsheizungsverdampfung dennoch ein weit verbreitetes Verdampfungsverfahren.
(2) Verdampfung durch Elektronenstrahlheizung
Die Elektronenstrahlverdampfung ist ein Verfahren zur Verdampfung von Beschichtungsmaterialien durch Beschuss mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl in einem wassergekühlten Kupfertiegel. Die Verdampfungsquelle besteht aus einer Elektronenemissionsquelle, einer Elektronenbeschleunigungsquelle, einem Tiegel (üblicherweise einem Kupfertiegel), einer Magnetfeldspule und einem Kühlwassersystem. In dieser Vorrichtung befindet sich das zu erhitzende Material in einem wassergekühlten Tiegel. Der Elektronenstrahl durchdringt nur einen sehr kleinen Teil des Materials, während der größte Teil durch die Kühlung des Tiegels auf einer sehr niedrigen Temperatur verbleibt und somit als der beschossene Teil des Tiegels betrachtet werden kann. Dadurch lässt sich bei der Elektronenstrahlverdampfung eine Kontamination zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Verdampfungsquellenmaterial vermeiden.
Die Struktur der Elektronenstrahlverdampfungsquelle lässt sich in drei Typen unterteilen: gerade Elektronenkanonen (Boule-Kanonen), Ringkanonen (elektrisch abgelenkt) und Elektronenkanonen (magnetisch abgelenkt). In einer Verdampfungsanlage können ein oder mehrere Tiegel platziert werden, mit denen viele verschiedene Substanzen gleichzeitig oder nacheinander verdampft und abgeschieden werden können.
Elektronenstrahlverdampfungsquellen bieten folgende Vorteile.
① Die hohe Strahldichte der Elektronenstrahl-Bombardierungs-Verdampfungsquelle ermöglicht eine weitaus größere Energiedichte als die Widerstandsheizquelle, wodurch Materialien mit hohem Schmelzpunkt wie W, Mo, Al2O3 usw. verdampft werden können.
②Das Beschichtungsmaterial wird in einen wassergekühlten Kupfertiegel gegeben, wodurch die Verdampfung des Verdampfungsquellenmaterials und die Reaktion zwischen ihnen vermieden werden kann.
③ Die Wärme kann direkt auf die Oberfläche des Beschichtungsmaterials aufgebracht werden, wodurch die thermische Effizienz hoch und die Verluste durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung gering sind.
Der Nachteil der Elektronenstrahl-Heizverdampfungsmethode besteht darin, dass die Primärelektronen aus der Elektronenkanone und die Sekundärelektronen von der Oberfläche des Beschichtungsmaterials die verdampfenden Atome und Restgasmoleküle ionisieren, was mitunter die Qualität des Films beeinträchtigt.
(3) Hochfrequenz-Induktionserwärmung Verdampfung
Bei der Hochfrequenz-Induktionsverdampfung wird der Tiegel mit dem Beschichtungsmaterial im Zentrum einer Hochfrequenz-Spiralspule platziert. Durch die Induktion des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes entstehen im Beschichtungsmaterial starke Wirbelströme und Hystereseeffekte, die die Filmschicht erhitzen, bis sie verdampft. Die Verdampfungsquelle besteht üblicherweise aus einer wassergekühlten Hochfrequenzspule und einem Tiegel aus Graphit oder Keramik (Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Boroxid usw.). Das Hochfrequenz-Netzteil arbeitet mit einer Frequenz von zehntausend bis mehreren hunderttausend Hertz und einer Eingangsleistung von mehreren bis mehreren hundert Kilowatt. Je kleiner das Volumen des Membranmaterials, desto höher die Induktionsfrequenz. Die Induktionsspule besteht in der Regel aus einem wassergekühlten Kupferrohr.
Der Nachteil der Hochfrequenz-Induktionserwärmungs-Verdampfungsmethode besteht darin, dass die Eingangsleistung nicht einfach feinjustiert werden kann; sie hat jedoch folgende Vorteile.
① Hohe Verdunstungsrate
② Die Temperatur der Verdampfungsquelle ist gleichmäßig und stabil, sodass das Phänomen des Spritzens von Beschichtungströpfchen nicht leicht auftritt und auch das Phänomen von Nadellöchern im abgeschiedenen Film vermieden werden kann.
③Die Verdampfungsquelle wird einmal befüllt, und die Temperatur ist relativ einfach und unkompliziert zu regeln.
Veröffentlichungsdatum: 28. Oktober 2022