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Verdampfung und Sputtern


Vergleich zwischen Verdampfung und Sputtern


Verdampfung mittels Elektronenstrahl

Bei der thermischen Verdampfung durchläuft der Großteil des Abscheidungsmaterials den Übergang vom festen in den dampfförmigen Zustand mittels thermischer Erwärmung oder Elektronenbeschuss. Das verdampfte Material wird dann zu dem Substrat getragen, wo das Aufwachsen des dünnen Films auftritt. Die kritischen Parameter einer solchen Beschichtungstechnologie sind hauptsächlich die mittlere Geschwindigkeit der verdampften Partikel und ihre Winkelverteilung. Der Basisdruck muss im Hochvakuumbereich gehalten werden, um die Anzahl von Aufprallereignissen zwischen den Verdampfungspartikeln und den Restgasen in der Kammer zu minimieren. Hochvakuum ermöglicht, dass die Teilchen einen ausreichend "freien Weg" haben, damit der dünne Film auf der Substratebene wachsen kann. Die Beschichtung mittels Verdampfung wird üblicherweise in einer Kammer durchgeführt, wie sie in 1 unten dargestellt ist. Die Edelstahlkammer wird mit Hilfe einer Primär- und einer Sekundärpumpe (wie beispielsweise einer Turbopumpe wie im Beispiel oder einer Diffusionspumpe) evakuiert. Die Quelle des Verdampfers ist ein Elektronenstrahlkopf; das Beschichtungswachstum wird durch eine Quarzkristallmikrowaage gesteuert, die sowohl die Dicke als auch die Verdampfungsrate angeben kann. Eine Ionenkanone wird hinzugefügt, um die Dichte des Beschichtungsmaterials zu erhöhen oder um die Substrate für die Abscheidung vorzubereiten.

PVD evaporation chamber.jpg

Abbildung 1: PVD-Verdampfungskammer



Verteilung des Verdampfers: Uniformitätsmaske

Bei einem flachen Substrat hängt die Verteilung des verdampften Materials stark vom Abstand zwischen der Quelle und dem zu beschichtenden Substrat sowie vom Winkel zwischen dem Substrat und der Verdampfungsquelle ab. Die Abhängigkeit wird durch das sogenannte Kosinusgesetz definiert, aufgrund dessen die Abstandsabhängigkeit umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist und die Winkelabhängigkeit proportional zum Kosinus des Winkels ist. Während der erste weitgehend durch Verwendung einer kugelförmigen Kalotte korrigiert werden kann, die die Substrate hält, erfordert der zweite Faktor eine Gleichförmigkeitsmaske, um eine gleichmäßige Verteilung des verdampften Materials auf allen Substraten zu erreichen.


Beschichtungsmaterialien mit thermischer oder Elektronenstrahlverdampfung

Die Beschichtung mittels Materialverdampfung war ein großer Schritt in der Beschichtungstechnologie, als sie in den 1930er Jahren eingeführt wurde. Heute ermöglicht diese Technologie die Verwendung vieler verschiedener Beschichtungsmaterialien, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Ablage
Materialien Typischer Verdunster Verunreinigung Ablagerungsrate Temperaturbereich Kosten
Thermal Metall oder niedrig schmelzende Materialien

Au, Ag, Al, Cr, Sn, Sb, Ge, In, Mg, Ga

CdS, Pbs, CdSe, NaCl, KCl, AgCl, MgF 2 , CaF 2 , PbCl 2

Hoch 1 - 20 A / s - 1800 ℃ Niedrig
E-Beam Sowohl Metall als auch Dielektrika

Alles oben, plus:

Ni, Pt, Ir, Rh, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo, Al 2 O 3 , SiO, SiO 2 , SnO 2 , TiO 2 , ZrO 2

Niedrig 10 - 100 A / s - 3000 ℃ Hoch


Sputter-Beschichtungstechnologie

Die Sputterbeschichtung, auch als "Kathodenzerstäubung" bezeichnet, nutzt die Erosionswirkung beschleunigter Ionen an der Oberfläche eines Targetmaterials. Diese Ionen haben genug Energie, um Partikel an der Zieloberfläche zu entfernen (= zu sputtern). In seiner einfachsten Form wird unter Hochvakuum ein elektrisches Feld zwischen einer Anode und einer Kathodenplatte (Target), die zerstäubt werden soll, erzeugt. Mittels elektrischer Spannung wird ein Arbeitsgas, im allgemeinen Argon (Ar), ionisiert, wodurch eine Glimmentladung erzeugt wird. Da das Target auf negativer Spannung gehalten wird, beschleunigen die positiven Ar + -Ionen zum Target und "spucken" die Atome auf seiner Oberfläche. Im Gegensatz zur thermischen Verdampfung werden beim Sputtern die Teilchen des Targets nicht durch Wärme verdrängt, sondern durch direkten "Impuls-Transfer" (unelastische Kollision) zwischen den Ionen und den Atomen des abzuscheidenden Materials. Um Sputtern zu erreichen, ist eine bestimmte Schwellenenergie erforderlich, um Atome von der Targetoberfläche zu entfernen und sie in das Vakuum zu bringen. Dies wird durch die Sputtereffizienz S angezeigt, die das Verhältnis des gesputterten Materials pro Ar + -Ion ist. Sputterprozesse haben eine viel höhere Energie als Verdampfungsprozesse, was bedeutet, dass das gesputterte Material üblicherweise in Form von Ionen vorliegt, die sehr dichte Beschichtungen erzeugen können.


Magnetron-Sputtern

Die gebräuchlichste Sputter-Technologie ist das Magnetron-Sputtern, bei dem Magnete im Bereich des Targets angeordnet werden, um die Sputter-Ionen-Dichte sehr hoch zu halten, wodurch die Sputter-Effizienz erhöht wird. Auf diese Weise ist eine höhere und stabilere Sputterrate und damit eine schnellere Abscheidung möglich. Das Magnetron-Sputter-Beschichtungsverfahren erfordert keine Mikrowaagensteuerung; Die Online-Dickenkontrolle kann nur durch Sputterzeit durchgeführt werden: Nach dem Start hängt die Beschichtungsauftragsrate (dh die pro Sekunde aufgetragene Dicke, üblicherweise angegeben als nm / s) von dem Magnetfeld, dem elektrischen Beschleunigungsfeld und dem Gasdruck ab. Wenn diese Parameter konstant sind, ist die Abscheidungsrate ebenfalls stabil und wird unter den gleichen Bedingungen der oben erwähnten Parameter reproduzierbar sein.


Die folgende Abbildung 2 zeigt ein kreisförmiges Siliciumtarget unter Beschuss von Ar + -Ionen. Es ist möglich, die höchste Dichte der Ionen (weißes Licht) zu sehen, die dem permanenten Magnetfeld entspricht. Zerstäubte Atome werden jedoch von der gesamten Magnetronoberfläche kommen.

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Abbildung 2: Plasma von einem kreisförmigen Silizium-Target unter Argon-Ionenbeschuss



Reaktives Sputtern

Beim reaktiven Magnetron-Sputtern wird dem Inertgas (z. B. Argon) ein reaktives Gas (oder ein Gasgemisch) zugesetzt, das bei der Schichtbildung auf dem Substrat mit den aus dem Target erodierten Atomen reagiert. Die korrekte Menge an reaktivem Gas wird durch die erforderlichen optischen Eigenschaften des beschichteten Materials bestimmt. Abhängig von der Menge der reaktiven Gase, die in die Beschichtungskammer eingebracht werden, kann der Film unterstöchiometrisch, stöchiometrisch oder oxidiert sein, was zu völlig unterschiedlichen physikalischen und optischen Eigenschaften des beschichteten Materials 1 führt. Mit dieser Technologie ist es beispielsweise möglich, Materialschichten mit hohem Brechungsindex und niedrigem Brechungsindex unter Verwendung nur eines Targets zu beschichten.


Silizium ist eines der interessantesten Beschichtungsmaterialien. Durch Mischen von Silizium mit Stickstoff ist es möglich, das Material mit hohem Brechungsindex Si 3 N 4 (n & ap; 2,05 @ 520 nm in seiner Massenform) zu erhalten; durch Mischen mit Sauerstoff ist es möglich, das Material mit niedrigem Brechungsindex SiO 2 (n & ap; 1,4 @ 520 nm in seiner Volumenform) zu erhalten. In 3 ist eine schematische Darstellung der reaktiven Sputtertechnologie dargestellt. Stickstoff und Sauerstoff werden als reaktive Gase verwendet; Argon wird verwendet, um das Plasma zu erzeugen und das Silizium-Target zu zerstäuben.

Reactive sputtering chamber.jpg

Abbildung 3: Reaktive Sputterkammer



Vergleich zwischen Verdampfungs- und Sputter-Beschichtungstechnologien

Sputtern ist keine Verdampfungsmethode. Die hohe Energie, die in dem Prozess involviert ist, erzeugt keine verdampften Atome wie bei der thermischen Verdampfung. Vielmehr erzeugt es ein Plasma geladener gesputterter Teilchen mit viel höherer Energie. Beim Vergleich der Energie der Teilchen, die durch Sputtern und durch Verdampfen erhalten werden, sind die letzteren viel weniger energiereich und können sich daher nicht selbst organisieren, um eine hohe Dichte aufzuweisen, wenn ein dünner Film auf dem Substrat wächst.


Wie in Fig. 1 dargestellt, benötigt die Elektronenstrahlverdampfung die Unterstützung eines Ionenstrahls während der Abscheidung, um eine höhere Dichte zu erhalten. Diese Technologie wird als Ion Assisted Deposition (IAD) bezeichnet. In der Ionenstrahlkanone wird ein Plasma eines inerten oder reaktiven Gases erzeugt; Die geladenen Teilchen von der Pistole treffen auf den wachsenden Film und erhöhen die Filmdichte. Eine höhere Dichte kann die mechanischen Eigenschaften eines beschichteten Films verbessern oder die Abriebfestigkeit einer Beschichtung erhöhen. Eine weitere Einschränkung der Verdampfung ist ihre starke Abhängigkeit von der Verdampfungsrate des Verdampfungsmaterials, die es unmöglich macht, Substanzen mit einer komplizierten Stöchiometrie oder sogar Legierungsmaterialien zu verdampfen. Im Gegensatz dazu ist das Sputtern viel weniger empfindlich gegenüber der Stöchiometrie des Ziels. Beim Sputtern ist es jedoch unmöglich, Fluoridmaterialien (wie MgF & sub2;) zu beschichten, da das zerstäubte Plasma die Struktur der Fluoridfilme zerstört.


Mit Blick auf die ophthalmische Industrie ist Sputtern eine ausgereifte Technologie für die Herstellung von AR- oder Spiegel-beschichteten Linsen. Seine Hauptvorteile sind die Prozessgeschwindigkeit, die Stabilität der Ablagerungsrate, die es ermöglicht, den Quarzkristallmonitor zu vermeiden, und die Möglichkeit, vollautomatische Prozesse durchzuführen.


Die Fähigkeit zur Automatisierung basiert auf den folgenden zwei Fakten:

Da das Sputtern ein Sputtern und / oder ein reaktives Gas verwendet, benötigt der Sputterprozess nicht das gleiche niedrige Vakuum wie die Verdampfung.

✦ Die Verteilung bezieht sich nicht auf den Verdampferkegel wie beim Verdampfungsprozess. Es ist daher möglich, kompaktere Beschichtungskammern zu realisieren, die leichter in eine automatisierte Produktionslinie integriert werden können (zusammen mit einem Linsengenerator, einem Polierer und einem Schleuderbeschichter für die Hartbeschichtung).


Die oben erwähnten Eigenschaften haben zur Herstellung vieler Inline-Sputtersysteme für verschiedene Produktionsanwendungen innerhalb und außerhalb der ophthalmischen Industrie geführt. Heute, wie bei der Verdampfung, kann die Kombination von Kunststoffsubstrat + Hartlack + Sputter-AR-Beschichtung abgestimmt werden, um ein qualitativ hochwertiges Linsenprodukt in Bezug auf optische, mechanische und Haltbarkeitseigenschaften zu erzielen.


FAZIT

Ein sehr kurzer Überblick über die gängigsten PVD-Technologien wurde bereitgestellt. Thermische Verdampfung ist die ausgereiftere Technologie: sie existiert seit den 1930er Jahren, qualifizierte und geschulte Bediener sind weltweit verfügbar und ermöglichen die Beschichtung fast aller Materialien, die für "Standard" -Beschichtungsanwendungen benötigt werden (Beispiel: Beschichtung von ophthalmischen Linsen). Sputtern ist eine jüngere Technologie: Es existiert seit den frühen 1970er Jahren und wurde hauptsächlich für High-End-Anwendungen (wie Raumoptik) verwendet. Heute werden seine Vorteile jedoch auch für "standardmäßige" ophthalmische Beschichtungen genutzt. Die thermische Verdampfung benötigt ein Hochvakuum, während das Sputtern bei höherem Druck arbeitet, was es zu einer leicht zu automatisierenden Technologie macht, die in Inline-Beschichtungssystemen eingesetzt werden kann. Die Sputterschicht ist hochabstimmbar und erreicht - je nach Plasmaerzeugungstechnologie - mit DC (= Direct Current) oder gepulster DC-Technologie sehr hohe und stabile Werte. Beide Beschichtungstechnologien können abgestimmt werden, um unterschiedliche physikalische Eigenschaften der beschichteten Folien zu erhalten. Die Entscheidung, welche Technologie zu verwenden ist, sollte auf dem erforderlichen Produktionsausstoß, den Kosten, der Anzahl der zu beschichtenden Substrate, dem Substrattyp und den endgültigen Eigenschaften der Beschichtung basieren.



Ein paar: Kostenlose

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