Principe van vacuümverdampingscoating
1. Apparatuur en fysisch proces van vacuümverdampingscoating
De vacuümverdampingscoating-installatie bestaat hoofdzakelijk uit een vacuümkamer en een afzuigsysteem. In de vacuümkamer bevinden zich de verdampingsbron (oftewel de verdampingsverwarmer), het substraat en het substraatframe, de substraatverwarmer, het afzuigsysteem, enzovoort.
Het coatingmateriaal wordt in de verdampingsbron van de vacuümkamer geplaatst en onder hoogvacuümomstandigheden door de verdampingsbron verwarmd, waardoor het verdampt. Wanneer de gemiddelde vrije bewegingsruimte van de dampmoleculen groter is dan de lineaire afmeting van de vacuümkamer, worden de atomen en moleculen van de filmdamp, nadat ze het oppervlak van de verdampingsbron hebben verlaten, 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 een film.
Om de hechting van verdampingsmoleculen aan het substraat te verbeteren, kan het substraat geactiveerd worden door middel van verwarming of ionenreiniging. Vacuümverdampingscoating doorloopt de volgende fysische processen, van materiaalverdamping en transport tot afzetting in een film.
(1) Door gebruik te maken van verschillende manieren 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) Gasvormige deeltjes verlaten het oppervlak van de film en worden met een bepaalde snelheid naar het oppervlak van het substraat getransporteerd, in wezen zonder botsingen, in een rechte lijn.
(3)De gasdeeltjes die het oppervlak van het substraat bereiken, coalesceren en vormen kernen, en groeien vervolgens uit tot een vaste-fasefilm.
(4) Herorganisatie of chemische binding van de atomen waaruit de film is opgebouwd.
2. Verdampingsverwarming
(1) Weerstandsverwarming verdamping
Weerstandsverdamping is de eenvoudigste en meest gebruikte verwarmingsmethode, over het algemeen toepasbaar op coatingmaterialen met een smeltpunt onder de 1500 °C. Metalen met een hoog smeltpunt in draad- of plaatvorm (W, Mo, Ti, Ta, boornitride, enz.) worden meestal verwerkt tot een geschikte verdampingsbron, gevuld met verdampingsmateriaal, waardoor het coatingmateriaal smelt, verdampt of sublimeert door de Joule-warmte van een elektrische stroom. De vorm van de verdampingsbron omvat hoofdzakelijk meerstrengs spiralen, U-vormige, sinusgolfvormige, dunne plaat-, boot- en kegelvormige mandvormige elementen. Tegelijkertijd vereist de methode dat het materiaal van de verdampingsbron een hoog smeltpunt, een lage verzadigingsdampdruk, stabiele chemische eigenschappen heeft, niet reageert met het coatingmateriaal bij hoge temperaturen, een goede hittebestendigheid heeft en een kleine verandering in vermogensdichtheid vertoont. Er wordt een hoge stroom door de verdampingsbron geleid om deze te verwarmen en het filmmateriaal direct te verdampen, of het filmmateriaal wordt in een smeltkroes van grafiet of een bepaald hittebestendig metaal geplaatst. oxiden (zoals A2O2, B0) en andere materialen voor indirecte verwarming om te verdampen.
Verdampingscoating met weerstandsverwarming kent beperkingen: vuurvaste metalen hebben een lage dampdruk, 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, de lage kosten en het gebruiksgemak is de verdampingsmethode met weerstandsverwarming een veelgebruikte verdampingsmethode.
(2) Verdamping door verhitting met elektronenbundel
Elektronenbundelverdamping is een methode om coatingmateriaal te verdampen door het te bombarderen met een elektronenbundel met een hoge energiedichtheid, terwijl het materiaal zich in een watergekoelde koperen smeltkroes bevindt. De verdampingsbron bestaat uit een elektronenbron, een elektronenversnellingsbron, een smeltkroes (meestal een koperen smeltkroes), een magneetspoel en een koelwatersysteem, enzovoort. In dit apparaat wordt het te verhitten materiaal in een watergekoelde smeltkroes 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 invloed van de koeling van de smeltkroes. Dit laatste deel kan worden beschouwd als het gebombardeerde deel van de smeltkroes. Op deze manier kan de methode van elektronenbundelverdamping contaminatie 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 een of meer smeltkroezen worden geplaatst, waarmee veel verschillende stoffen tegelijkertijd of afzonderlijk kunnen worden verdampt en afgezet.
Elektronenbundelverdampingsbronnen hebben de volgende voordelen.
①De hoge bundeldichtheid van de elektronenbundelbombardement-verdampingsbron maakt een veel hogere energiedichtheid mogelijk dan een weerstandsverwarmingsbron, waardoor materialen met een hoog smeltpunt, zoals W, Mo, Al2O3, enz., kunnen worden verdampt.
②Het coatingmateriaal wordt in een watergekoelde koperen smeltkroes geplaatst, waardoor verdamping van het bronmateriaal en de reactie daartussen wordt voorkomen.
③ Warmte kan direct aan het oppervlak van het coatingmateriaal worden toegevoegd, waardoor het thermisch rendement hoog is en het warmteverlies door geleiding en warmtestraling laag.
Het nadeel van de verdampingsmethode met elektronenbundelverwarming is dat de primaire elektronen van de elektronenbundel en de secundaire elektronen van het oppervlak van het coatingmateriaal de verdampende atomen en resterende gasmoleculen ioniseren, wat soms de kwaliteit van de film kan beïnvloeden.
(3) Verdamping door inductieverwarming met hoge frequentie
Bij hoogfrequente inductieverdamping wordt de smeltkroes met coatingmateriaal in het midden van een hoogfrequente spiraalvormige spoel geplaatst. Onder invloed van het hoogfrequente elektromagnetische veld genereert het coatingmateriaal sterke wervelstromen en een hysterese-effect, waardoor de filmlaag opwarmt tot deze verdampt. De verdampingsbron bestaat doorgaans uit een watergekoelde hoogfrequente spoel en een grafiet- of keramische smeltkroes (magnesiumoxide, aluminiumoxide, booroxide, enz.). De hoogfrequente voeding gebruikt een frequentie van tienduizend tot enkele honderdduizenden Hz, met een ingangsvermogen van enkele tot enkele honderden kilowatts. Hoe kleiner het volume van het membraanmateriaal, hoe hoger de inductiefrequentie. De inductiespoel is meestal gemaakt van een watergekoelde koperen buis.
Het nadeel van de hoogfrequente inductieverwarmingsverdampingsmethode is dat het niet eenvoudig is om het ingangsvermogen nauwkeurig af te stellen. De methode heeft echter de volgende voordelen.
①Hoge verdampingssnelheid
②De temperatuur van de verdampingsbron is uniform en stabiel, waardoor het verschijnsel van spatten van coatingdruppels niet gemakkelijk optreedt en ook de vorming van gaatjes in de afgezette film wordt voorkomen.
③De verdampingsbron wordt eenmalig geladen en de temperatuur is relatief eenvoudig te regelen.
Geplaatst op: 28 oktober 2022