Вакуумное покрытие, также называемое "Технологией тонких пленок" или физическим осаждением из паровой фазы (PVD), представляет собой внушительную долю среди различных применений вакуумной технологии. В этой публикации в блоге мы делимся обзором исторического развития, различных основных принципов, лежащих в основе создания тонких пленок, и общей компоновки устройств для нанесения покрытий.
Что такое “Технология тонких пленок”?
Тонкие пленки - это слои материала на поверхностях толщиной значительно ниже нанометра и до микрометра.
Существует множество причин покрывать устройство тонкой пленкой. Вот лишь несколько примеров, включающих:
- защитные пленки для предотвращения коррозии;
- декоративные слои на ювелирных изделиях или сантехнике ванной комнаты;
- защита инструментов от износа;
- многослойность для улучшения оптических свойств офтальмологических линз;
- производство полупроводников или солнечных элементов;
- производство сенсорных панелей;
- головные дисплеи в автомобильной промышленности;
- зеркала рефлекторных ламп;
- упаковочная пленка для сохранения свежести;
- архитектурное стекло для теплоизоляции;
- дактилоскопия.
Этот список не является подробным, и постоянно появляются новые приложения.
История появления технологии тонких пленок
Хотя сегодня это захватывающая и развивающаяся наука и технология, она берет свое начало в экспериментах, проводившихся более 150 лет назад, когда У.Р. Гроув впервые наблюдал эффекты распыления в 1852 году, а Майкл Фарадей исследовал дуговое испарение, образующее пленки в 1857 году.
В начале 20-го века были исследованы основы различных методов нанесения покрытий, и в 1930-х годах на рынок были представлены первые коммерчески доступные изделия с покрытием, такие как алюминизированные отражатели или тонкопленочные резисторы. После Второй мировой войны технологии пережили бум. Для получения дополнительной информации об этой части развития технологии вакуумного нанесения покрытий можете ознакомиться с интересной исторической литературой.
Требования к процессу нанесения тонких пленок
Сегодня мы различаем различные методы, используемые для нанесения тонкопленочного слоя на подложку, на физическое осаждение из паровой фазы (PVD) или химическое осаждение слоев (CVD). Вакуум играет важную роль в PVD, для которого требуется высокий вакуум. Вакуум также является частью большинства применений CVD.
Наиболее развитой технологией является термическое испарение. Материал плавится и испаряется при высоких температурах, и пары осаждаются на мишени. Требуемые температуры можно взять из графика, изображенного ниже.
Испарение может быть достигнуто путем электрического нагрева проволоки или осаждения ее в тиглях из материала со значительно более высокой температурой плавления. Другой способ - расплавить его с помощью электронного луча.В обоих случаях в процессе нанесения покрытия требуется высокий вакуум от 10^-7 до 10^-5 мбар, в зависимости от размера вакуумной камеры и требуемого качества слоя. Причины таковы:
- Чтобы обеспечить средний свободный пробег испаряющихся атомов, который намного больше расстояния от источника до мишени. Это гарантирует, что атомы прибудут не разбрызганными молекулами остаточного газа.
- Для обеспечения чистоты поверхностей. В противном случае испаренные атомы плохо слипались бы и образовывали бы нестабильный слой.
Другим способом нанесения покрытия на образцы является распыление. При напылении используется материал мишени, который бомбардируется ионами, ускоряемыми из плазмы. Наиболее часто используемым плазменным газом является аргон. Ионы аргона распыляют атомы целевого материала, которые покрывают подложку. Благодаря более высокой энергии распыляемых атомов они прилипают лучше, чем при нанесении путем термического испарения. Однако напыление требует более тщательной разработки системы, работающей в условиях вакуума. В то время как процесс распыления, использующий аргоновую плазму, выполняется при давлении выше 5 х 10^-4 (и до 1 х 10^-2) мбар, для очистки и обеспечения чистоты каждого слоя требуется максимальное давление в диапазоне 10^-6 мбар.
Вакуумные насосы для нанесения тонких пленок пленок
Вакуумная система для нанесения покрытий обычно состоит из комплекта форвакуумных насосов, включающего пластинчато-роторный насос и насос Рутса, а также насосную систему высокого вакуума. В зависимости от требований здесь используются диффузионные насосы, крионасосы или турбомолекулярные насосы, в большинстве случаев в связи с большими холодильными поверхностями, охлаждаемыми холодом. Насосы должны быть установлены и экранированы таким образом, чтобы в насосы не мог попасть материал покрытия, а нагреватели в системе не перегружали их термически. Поскольку экранирование всегда снижает эффективную скорость откачки, производитель системы должен найти подходящий компромисс между эффектом экранирования и снижением скорости откачки.
Как происходит процесс нанесения тонких пленок?
Отдельные, например, стеклянные панели транспортируются во входную камеру при атмосферном давлении. После закрытия входного клапана камера откачивается с помощью форвакуумного насоса. Как только давление станет достаточно низким, клапан вакуумированной передаточной камеры может быть открыт. Стеклянная панель перемещается в камеру переноса, а оттуда с постоянной скоростью в технологические камеры, где нанесение покрытия осуществляется с помощью распыляющих катодов. На стороне выхода находится, по аналогии со стороной входа, передаточная камера, в которой стекло удерживается до тех пор, пока его можно будет вынести через выходную камеру.
Большинство покрытий состоят из набора альтернативных слоев металла и оксида. Поскольку металлические слои не могут быть загрязнены кислородом, отдельные технологические станции должны быть вакуумно изолированы друг от друга и от передаточных станций. Чтобы избежать частого и нежелательного запуска и остановки стеклопакетов, технологические камеры разделены вакуумом через так называемые "щелевые замки", т.е. постоянно открытые щели, объединенные с промежуточной камерой с собственным вакуумным насосом (рисунок 4).
Зазоры в прорезях остаются настолько малыми, насколько это технически возможно, чтобы свести к минимуму зазор и, следовательно, электропроводность при транспортировке стеклянных панелей через них. Скорость откачки в промежуточной камере поддерживается как можно более высокой, чтобы достичь значительно более низкого давления в промежуточной камере, чем в технологических камерах. Это более низкое давление значительно уменьшает поток газа из технологической камеры через промежуточную камеру в соседнюю технологическую камеру. При очень жестких требованиях к разделению может потребоваться размещение нескольких промежуточных камер между двумя технологическими камерами.
Процесс нанесения покрытий на стекло требует больших потоков газа для процессов распыления, а также низкой концентрации углеводородов. Турбомолекулярные насосы используются почти исключительно из-за их высокой стабильности скорости перекачки с течением времени.
В то время как передаточная и технологическая камеры постоянно откачиваются, входные и выходные камеры необходимо периодически вентилировать, а затем снова откачивать. Из-за больших объемов этих камер и короткого времени цикла для обеспечения необходимой скорости перекачки обычно используется комбинацию пластинчато-роторных насосов и насос Рутса.