Principe van vacuümverdampingscoating
1. Apparatuur en fysiek proces van vacuümverdampingscoating
De apparatuur voor vacuümverdampingscoating bestaat hoofdzakelijk uit een vacuümkamer en een evacuatiesysteem. In de vacuümkamer bevinden zich de verdampingsbron (d.w.z. de verdampingsverwarmer), het substraat en het substraatframe, de substraatverwarmer, het afzuigsysteem, enz.
Het coatingmateriaal wordt in de verdampingsbron van de vacuümkamer geplaatst en onder hoogvacuümomstandigheden door de verdampingsbron verhit om te verdampen. Wanneer de gemiddelde vrije spreiding van de dampmoleculen groter is dan de lineaire grootte van de vacuümkamer, worden de atomen en moleculen van de filmdamp, nadat ze van het oppervlak van de verdampingsbron zijn ontsnapt, nauwelijks gehinderd door botsingen met andere moleculen of atomen en bereiken ze direct het oppervlak van het te coaten substraat. Door de lage temperatuur van het substraat condenseren de filmdampdeeltjes erop en vormen ze een film.
Om de hechting van verdampingsmoleculen aan het substraat te verbeteren, kan het substraat worden geactiveerd door middel van de juiste verhitting of ionenreiniging. Vacuümverdampingscoating doorloopt de volgende fysische processen: van materiaalverdamping en transport tot afzetting in een film.
(1)Door verschillende manieren te gebruiken om andere vormen van energie om te zetten in thermische energie, wordt het filmmateriaal verhit om te verdampen of te sublimeren tot gasvormige deeltjes (atomen, moleculen of atoomclusters) met een bepaalde hoeveelheid energie (0,1 tot 0,3 eV).
(2)Gasdeeltjes verlaten het oppervlak van de film en worden met een bepaalde bewegingssnelheid, vrijwel zonder botsing, in een rechte lijn naar het oppervlak van het substraat getransporteerd.
(3)De gasvormige deeltjes die het oppervlak van het substraat bereiken, smelten samen en vormen een nucleatie, waarna ze uitgroeien tot een vaste-fasefilm.
(4)Reorganisatie of chemische binding van de atomen waaruit de film bestaat.
2. Verdampingsverwarming
(1) Weerstandsverwarming verdamping
Weerstandsverhittingsverdamping is de eenvoudigste en meest gebruikte verwarmingsmethode, over het algemeen toepasbaar op coatingmaterialen met een smeltpunt lager dan 1500℃, metalen met een hoog smeltpunt in draad- of plaatvorm (W, Mo, Ti, Ta, boornitride, enz.) worden meestal gemaakt in een geschikte vorm van verdampingsbron, geladen met verdampingsmaterialen, door de Joule-warmte van elektrische stroom om het platingmateriaal te smelten, te verdampen of te sublimeren, de vorm van de verdampingsbron omvat voornamelijk meerstrengs spiraal, U-vormig, sinusgolf, dunne plaat, boot, kegelmand, enz. Tegelijkertijd vereist de methode dat het verdampingsbronmateriaal een hoog smeltpunt, een lage verzadigde dampspanning, stabiele chemische eigenschappen heeft, geen chemische reactie heeft met het coatingmateriaal bij hoge temperatuur, een goede hittebestendigheid, een kleine verandering in vermogensdichtheid, enz. Het gebruikt een hoge stroom door de verdampingsbron om het te verwarmen en het filmmateriaal te verdampen door directe verwarming, of plaats het filmmateriaal in de smeltkroes van grafiet en bepaalde hoge temperatuurbestendige metaaloxiden (zoals A202, B0) en andere materialen voor indirecte verhitting laten verdampen.
Weerstandsverhittingsverdamping heeft beperkingen: vuurvaste metalen hebben een lage dampspanning, waardoor het moeilijk is om een dunne film te maken; sommige elementen vormen gemakkelijk een legering met de verwarmingsdraad; het is niet eenvoudig om een uniforme samenstelling van de legeringsfilm te verkrijgen. Vanwege de eenvoudige structuur, lage prijs en eenvoudige bediening van weerstandsverdamping is dit een veelvoorkomende toepassing.
(2) Verdamping door verhitting met elektronenbundels
Elektronenbundelverdamping is een methode om het coatingmateriaal te verdampen door het te bombarderen met een elektronenbundel met hoge energiedichtheid door het in een watergekoelde koperen kroes te plaatsen. De verdampingsbron bestaat uit een elektronenemissiebron, een elektronenversnellingsbron, een kroes (meestal een koperen kroes), een magneetveldspoel en een koelwaterset, enz. In dit apparaat wordt het verwarmde materiaal in een watergekoelde kroes geplaatst, en bombardeert de elektronenbundel slechts een zeer klein deel van het materiaal, terwijl het grootste deel van het resterende materiaal op een zeer lage temperatuur blijft onder het koeleffect van de kroes, wat kan worden beschouwd als het gebombardeerde deel van de kroes. De methode van elektronenbundelverhitting voor verdamping kan dus verontreiniging tussen het coatingmateriaal en het verdampingsbronmateriaal voorkomen.
De structuur van de elektronenbundelverdampingsbron kan worden onderverdeeld in drie typen: rechte kanonnen (Boules-kanonnen), ringkanonnen (elektrisch afgebogen) en e-kanonnen (magnetisch afgebogen). In een verdampingsinstallatie kunnen één of meerdere smeltkroezen worden geplaatst, die veel verschillende stoffen tegelijkertijd of afzonderlijk kunnen verdampen en afzetten.
Elektronenbundelverdampingsbronnen hebben de volgende voordelen.
1. De hoge straaldichtheid van de verdampingsbron met elektronenbundelbombardement kan een veel hogere energiedichtheid bereiken dan de weerstandsverwarmingsbron, die materialen met een hoog smeltpunt, zoals W, Mo, Al2O3, enz. kan verdampen.
2 Het coatingmateriaal wordt in een watergekoelde koperen kroes geplaatst, waardoor verdamping van het verdampingsbronmateriaal en de reactie tussen hen wordt voorkomen.
③Warmte kan direct aan het oppervlak van het coatingmateriaal worden toegevoegd, waardoor het thermisch rendement hoog is en het verlies aan warmtegeleiding en warmtestraling laag.
Het nadeel van de verdampingsmethode met verhitting door middel van elektronenbundels is dat de primaire elektronen van het elektronenkanon en de secundaire elektronen van het oppervlak van het coatingmateriaal de verdampende atomen en resterende gasmoleculen ioniseren, wat soms de kwaliteit van de film beïnvloedt.
(3) Verdamping met hoogfrequente inductieverwarming
Bij hoogfrequente inductieverdamping wordt de smeltkroes met het coatingmateriaal in het midden van de hoogfrequente spiraal geplaatst. Het coatingmateriaal genereert een sterke wervelstroom en hysterese onder invloed van de inductie van een hoogfrequent elektromagnetisch veld. Hierdoor wordt de filmlaag opgewarmd tot deze verdampt. De verdampingsbron bestaat doorgaans uit een watergekoelde hoogfrequente spoel en een smeltkroes van grafiet of keramiek (magnesiumoxide, aluminiumoxide, booroxide, enz.). De hoogfrequente voeding gebruikt een frequentie van tienduizend tot enkele honderdduizend Hz. Het ingangsvermogen is enkele tot enkele honderden kilowatts. Hoe kleiner het volume van het membraanmateriaal, hoe hoger de inductiefrequentie. De frequentie van de inductiespoel wordt meestal gemaakt van watergekoelde koperen buis.
Het nadeel van de verdampingsmethode met hoogfrequente inductieverwarming is dat het niet eenvoudig is om het ingangsvermogen nauwkeurig af te stellen, maar het heeft de volgende voordelen.
①Hoge verdampingssnelheid
2De temperatuur van de verdampingsbron is uniform en stabiel, waardoor het niet gemakkelijk is om het fenomeen van spattende coatingdruppels te veroorzaken, en het kan ook het fenomeen van speldengaatjes in de afgezette film voorkomen.
③De verdampingsbron wordt één keer geladen en de temperatuur is relatief eenvoudig te regelen.
Plaatsingstijd: 28-10-2022