PVD-coatings: thermische verdamping en sputteren

PVD-coatings (Physical Vapor Deposition) zijn veelgebruikte technieken voor het creëren van dunne films en oppervlaktecoatings. Thermische verdamping en sputteren zijn twee belangrijke PVD-processen. Hieronder volgt een overzicht van beide:

1. Thermische verdamping

• Beginsel:Materiaal wordt in een vacuümkamer verhit tot het verdampt of sublimeert. Het verdampte materiaal condenseert vervolgens op een substraat en vormt een dunne film.
• Proces:
• Het bronmateriaal (metaal, keramiek, etc.) wordt verhit, meestal door middel van weerstandsverwarming, een elektronenbundel of een laser.
• Zodra het materiaal het verdampingspunt bereikt, verlaten de atomen of moleculen de bron en reizen door het vacuüm naar het substraat.
• De verdampt atomen condenseren op het oppervlak van het substraat en vormen een dunne laag.
• Toepassingen:
• Wordt vaak gebruikt voor het afzetten van metalen, halfgeleiders en isolatoren.
• Toepassingen zijn onder meer optische coatings, decoratieve afwerkingen en micro-elektronica.
• Voordelen:
• Hoge afzettingssnelheden.
• Eenvoudig en kosteneffectief voor bepaalde materialen.
• Kan zeer zuivere films produceren.
• Nadelen:
• Beperkt tot materialen met een laag smeltpunt of hoge dampspanning.
• Slechte bedekking van de treden op complexe oppervlakken.
• Minder controle over de filmcompositie bij legeringen.

2. Sputteren

• Principe: Ionen uit een plasma worden versneld in de richting van een doelmateriaal, waardoor atomen uit het doelmateriaal worden geworpen (gesputterd), die zich vervolgens op het substraat afzetten.
• Proces:
• Het doelmateriaal (metaal, legering, enz.) wordt in de kamer geplaatst en er wordt een gas (meestal argon) ingebracht.
• Er wordt een hoge spanning toegepast waardoor een plasma ontstaat, waardoor het gas ioniseert.
• De positief geladen ionen uit het plasma worden versneld in de richting van het negatief geladen doelwit, waardoor de atomen fysiek van het oppervlak loskomen.
• Deze atomen slaan vervolgens neer op het substraat en vormen een dunne film.
• Toepassingen:
• Veelgebruikt in de halfgeleiderproductie, het coaten van glas en het creëren van slijtvaste coatings.
• Ideaal voor het maken van legeringen, keramiek of complexe dunne films.
• Voordelen:
• Kan een breed scala aan materialen aanbrengen, waaronder metalen, legeringen en oxiden.
• Uitstekende uniformiteit van de film en stapsgewijze dekking, zelfs bij complexe vormen.
• Nauwkeurige controle over de filmdikte en -samenstelling.
• Nadelen:
• Lagere afzettingssnelheden vergeleken met thermische verdamping.
• Duurder vanwege de complexiteit van de apparatuur en de behoefte aan meer energie.

Belangrijkste verschillen:

• Bron van de afzetting:
• Bij thermische verdamping wordt warmte gebruikt om materiaal te verdampen, terwijl sputteren gebruikmaakt van ionenbombardement om atomen fysiek los te maken.
• Benodigde energie:
• Voor thermische verdamping is doorgaans minder energie nodig dan voor sputteren, omdat er gebruik wordt gemaakt van verhitting in plaats van plasmageneratie.
• Materialen:
• Sputteren kan worden gebruikt voor het afzetten van een breder scala aan materialen, waaronder materialen met een hoog smeltpunt, die moeilijk te verdampen zijn.
• Filmkwaliteit:
• Sputteren biedt doorgaans een betere controle over de filmdikte, uniformiteit en samenstelling.