Nguyên tắc của lớp phủ chân không được tiết lộ: nền tảng kỹ thuật, dòng quy trình và ứng dụng công nghiệp

Đây là một quá trình gửi vật liệu lên bề mặt chất nền bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học trong môi trường áp suất thấp để tạo thành một màng mỏng. Thông qua công nghệ này, có thể đạt được sự lắng đọng màng mỏng có độ chính xác cao và có độ chính xác cao, mang lại cho nó các tính chất quang học, điện, cơ học và các tính chất khác. Do đó, lớp phủ chân không có giá trị ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Ví dụ, trong sản xuất chất bán dẫn, lớp phủ chân không được sử dụng để tạo ra các lớp chức năng khác nhau trên tấm wafer; Trong lĩnh vực quang học, các hiệu ứng chống phản xạ và chống phản xạ có thể đạt được thông qua lớp phủ; Trong sản xuất cơ học,Lớp phủ chân khôngCó thể cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của các thành phần.

Lý thuyết cơ bản về lớp phủ chân không

A. Nguyên tắc cơ bản của công nghệ chân không

1. Định nghĩa và đo lường chân không

Máy hút bụi đề cập đến một môi trường khí dưới một áp suất khí quyển (760 mm thủy ngân, 101325 PA). Theo các mức độ chân không khác nhau, chân không có thể được chia thành chân không thấp, chân không trung bình, chân không cao và chân không cực cao. Việc đo mức độ chân không thường được thực hiện bằng cách sử dụng đồng hồ đo áp suất, chẳng hạn như đồng hồ đo áp suất maclehose, đồng hồ đo pirani và đồng hồ đo catốt lạnh.

2. Phương pháp thu thập chân không

Bơm cơ học: Bơm cơ học xả khí thông qua chuyển động cơ học, thường bao gồm bơm cánh quạt quay và bơm cơ hoành. Những máy bơm này phù hợp để có được chân không thấp và trung bình.

Bơm phân tử: Một bơm phân tử sử dụng rôto quay tốc độ cao để trục khí ra một cách cơ học, thích hợp để có được chân không cao và cực cao.

Turbopump: Bơm Turbomocular kết hợp các ưu điểm của bơm cơ học và bơm phân tử, đạt được bơm hiệu quả thông qua các lưỡi xoay nhiều giai đoạn và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chân không cao.

B. Vật lý phim mỏng

Phân loại và tính chất cơ bản của màng mỏng

Theo phương pháp và mục đích chuẩn bị, màng mỏng có thể được chia thành màng kim loại, màng gốm, màng polymer, v.v ... Các tính chất cơ bản của màng mỏng bao gồm độ dày, tính đồng nhất, độ bám dính, độ cứng, tính chất quang học (như độ truyền chuyển và độ phản xạ), và tính chất điện tử).

Quy trình cơ bản và cơ chế tăng trưởng màng mỏng

Quá trình tăng trưởng của màng mỏng thường bao gồm các giai đoạn như tạo mầm, tăng trưởng đảo, tăng trưởng tiếp giáp và nhiều lớp. Hạt nhân là giai đoạn ban đầu trong đó các nguyên tử hoặc phân tử tập hợp trên bề mặt cơ chất để tạo thành các hòn đảo nhỏ; Thời gian trôi qua, những hòn đảo nhỏ này dần dần kết nối thành các tấm, cuối cùng tạo thành một bộ phim mỏng liên tục. Cơ chế tăng trưởng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như tính chất vật liệu, trạng thái bề mặt cơ chất, nhiệt độ lắng đọng và tốc độ lắng đọng.

C. Nguyên tắc cơ bản của khoa học vật liệu

Vật liệu phủ chung và đặc điểm của chúng

Vật liệu phủ phổ biến bao gồm kim loại (như nhôm, vàng, bạch kim), chất bán dẫn (như silicon và germanium), gốm sứ (như nhôm oxit và nitride silicon) và vật liệu hữu cơ (như polyme). Các vật liệu khác nhau có các đặc tính vật lý và hóa học khác nhau và khi chọn vật liệu phủ, các yêu cầu về hiệu suất của chúng trong các ứng dụng cụ thể cần được xem xét.

Nguyên tắc và tiêu chuẩn để lựa chọn vật liệu

Các nguyên tắc lựa chọn vật liệu bao gồm ổn định hóa học, tính chất cơ học, tính chất quang học và tính chất điện. Các tiêu chuẩn thường liên quan đến độ tinh khiết, kích thước hạt, hàm lượng tạp chất, vv của vật liệu để đảm bảo chất lượng và đặc điểm chức năng của màng mỏng.

Các phương pháp và nguyên tắc chính của lớp phủ chân không

A. lắng đọng hơi vật lý (PVD)

Tổng quan và phân loại

Sự lắng đọng hơi vật lý (PVD) là một kỹ thuật sử dụng các quá trình vật lý để gửi vật liệu lên bề mặt chất nền. Các loại chính bao gồm lớp phủ bay hơi, lớp phủ phun và mạ ion.

Nguyên tắc và bước quy trình cụ thể

Lớp phủ bay hơi: Vật liệu bay hơi ở nhiệt độ cao và lắng đọng một màng mỏng trên đế thông qua hệ thống chân không. Các nguồn nhiệt phổ biến bao gồm sưởi ấm điện trở và hệ thống sưởi chùm electron.

Lớp phủ phun: Bằng cách bắn phá với các ion khí trơ, các nguyên tử vật liệu đích được phun lên chất nền để tạo thành một màng mỏng. Các phương pháp phổ biến bao gồm phóng xạ DC và phun RF.

Lỗ ion: Dưới tác động của nguồn ion, các vật liệu ion hóa được tăng tốc để lắng đọng vào chất nền, thường được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ cứng cao.

Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

Những ưu điểm của công nghệ PVD bao gồm mật độ màng mỏng, độ bám dính mạnh và nhiệt độ quá trình thấp

, nhưng thiết bị rất phức tạp và chi phí cao. Thích hợp cho việc chuẩn bị kim loại, hợp kim và màng mỏng gốm, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, quang học và trang trí.

B. lắng đọng hơi hóa học (CVD)

Khái niệm cơ bản của CVD

Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một kỹ thuật lắng đọng màng mỏng trên bề mặt cơ chất thông qua các phản ứng hóa học. Khí phản ứng phân hủy hoặc trải qua các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao, tạo ra các mỏ rắn.

Các phương pháp CVD khác nhau

CVD áp suất thấp (LPCVD): Phản ứng trong môi trường áp suất thấp, với chất lượng màng cao và tính đồng nhất tốt, phù hợp cho ngành công nghiệp bán dẫn.

CVD tăng cường huyết tương (PECVD): Sử dụng huyết tương để tăng tốc các phản ứng hóa học và giảm nhiệt độ phản ứng, phù hợp với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ.

Sự lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD): Sử dụng các hợp chất hữu cơ kim loại làm tiền chất, nó phù hợp để chuẩn bị các màng mỏng hợp chất phức tạp, chẳng hạn như vật liệu bán dẫn III-V.

Quy trình đặc điểm và ví dụ ứng dụng

Các đặc điểm của quá trình CVD là màng dày đặc, độ tinh khiết cao và tính đồng nhất tốt, nhưng nhiệt độ cao và thiết bị phức tạp. Được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị bán dẫn, pin mặt trời, lớp phủ quang học và các trường khác.

C. lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)

Cơ chế độc đáo và các bước của ALD

Sự lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) là một kỹ thuật kiểm soát chính xác độ dày của màng mỏng bằng cách cung cấp xen kẽ khí và khí phản ứng tiền thân, và lắng đọng lớp nguyên tử từng lớp trên bề mặt cơ chất. Cơ chế phản ứng tự giới hạn độc đáo của nó cho phép kiểm soát chính xác độ dày màng đối với nano.

So sánh với PVD và CVD

So với PVD và CVD, những ưu điểm của ALD nằm trong sự kiểm soát chính xác độ dày màng, tính đồng nhất cao và khả năng mạnh mẽ để bao quát các cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên, tốc độ lắng đọng chậm hơn, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và đồng nhất cực cao.

Triển vọng ứng dụng

Công nghệ ALD có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như vi điện tử, công nghệ nano và y sinh, chẳng hạn như chuẩn bị màng điện môi K cao, dây nano và cảm biến sinh học.

Thiết bị lớp phủ chân không và luồng quy trình

A. Thiết bị phủ chân không điển hình

Cấu trúc cơ bản của máy phủ

Thiết bị phủ điển hình bao gồm buồng chân không, hệ thống chiết, hệ thống sưởi ấm, hệ thống điều khiển và nguồn lớp phủ. Phòng chân không cung cấp môi trường áp suất thấp, hệ thống bơm được sử dụng để thu được và duy trì chân không, nguồn lớp phủ cung cấp vật liệu và hệ thống điều khiển theo dõi và điều chỉnh các tham số xử lý.

Các loại thiết bị phổ biến

Máy phủ bay hơi: Vật liệu được làm bay hơi và lắng đọng lên chất nền thông qua hệ thống sưởi điện trở hoặc hệ thống sưởi chùm electron.

Máy sơn tốc độ: Các nguyên tử vật liệu đích được phun lên chất nền thông qua các đường phun từ hoặc tần số vô tuyến.

Thiết bị mạ ion: Sử dụng nguồn ion để tạo ra các chùm ion năng lượng cao để gửi màng mỏng, thường được sử dụng trong việc chuẩn bị lớp phủ cứng.

B. Dòng chảy xử lý

Quá trình xử lý trước

Trước khi phủ, bề mặt cơ chất cần được làm sạch và xử lý trước để loại bỏ các chất ô nhiễm bề mặt và các lớp oxit, đảm bảo độ bám dính và tính đồng nhất của màng. Các phương pháp phổ biến bao gồm làm sạch siêu âm, làm sạch hóa học và làm sạch plasma.

Quá trình phủ

Chìa khóa của quá trình phủ là tối ưu hóa các tham số điều khiển, bao gồm mức độ chân không, nhiệt độ, tốc độ dòng khí và tốc độ lắng đọng. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất của bộ phim.

Quá trình xử lý bài

Bộ phim sau khi phủ thường yêu cầu sau điều trị, chẳng hạn như ủ và thụ động, để cải thiện các tính chất vật lý và hóa học và sự ổn định của bộ phim.

C. Kiểm soát và tối ưu hóa quá trình

Kiểm soát các thông số như độ chân không, nhiệt độ, khí quyển, v.v.

Bằng cách kiểm soát chính xác mức độ chân không, nhiệt độ lắng đọng và thành phần khí, quá trình tăng trưởng của màng mỏng có thể được tối ưu hóa, và tính đồng nhất và hiệu suất của các bộ phim có thể được cải thiện.

Kiểm soát độ dày và tính đồng nhất của lớp phủ

Bằng cách sử dụng các công nghệ giám sát trực tuyến như vi khuẩn tinh thể thạch anh và hệ thống giám sát quang học, giám sát thời gian thực và kiểm soát độ dày và tính đồng nhất của lớp phủ để đảm bảo chất lượng của bộ phim.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá chất lượng

Việc phát hiện chất lượng màng bao gồm đánh giá các tính chất vật lý, hóa học và cơ học, chẳng hạn như độ dày màng, hình thái bề mặt, phân tích thành phần, độ bám dính, độ cứng, v.v.

Ví dụ ứng dụng của lớp phủ chân không

A. Công nghiệp điện tử và chất bán dẫn

Sản xuất mạch tích hợp

Công nghệ phủ chân không được sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp để gửi các lớp kết nối kim loại, lớp cách điện và các lớp bảo vệ. Quá trình lớp phủ có độ chính xác cao đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của mạch.

Công nghệ phủ cho màn hình và cảm biến

Trong sản xuất trưng bày, lớp phủ chân không được sử dụng để gửi các màng dẫn điện trong suốt và màng quang; Trong sản xuất cảm biến, công nghệ phủ được sử dụng để chuẩn bị các thành phần nhạy cảm và các lớp bảo vệ, cải thiện độ nhạy và độ bền của các cảm biến.

B. Quang học và quang điện tử

Các loại và ứng dụng của màng mỏng quang học

Phim mỏng quang học bao gồm phim chống phản chiếu, phim chống phản chiếu, phim lọc và phim phản chiếu. Bằng cách kiểm soát chính xác độ dày và tính chất quang học của màng, các hiệu ứng quang học cụ thể có thể đạt được, chẳng hạn như giảm phản xạ, tăng cường độ truyền qua và lọc chọn lọc.

Ứng dụng của lớp phủ trong laser và thiết bị quang học

Trong laser và thiết bị quang học, công nghệ phủ chân không được sử dụng để sản xuất gương, cửa sổ và ống kính hiệu suất cao, cải thiện hiệu quả và độ ổn định của các hệ thống quang học.

C. Các ứng dụng cơ học và bảo vệ

Lớp phủ cứng và lớp phủ chống mài mòn

Lớp phủ cứng và lớp phủ chống mài mòn được chuẩn bị thông qua công nghệ lớp phủ chân không và được sử dụng rộng rãi trong các công cụ, khuôn và các bộ phận cơ học để cải thiện khả năng chống mài mòn và tuổi thọ phục vụ của chúng.

Áp dụng lớp phủ chống ăn mòn

Lớp phủ chống ăn mòn ký gửi một lớp vật liệu chống ăn mòn, như crom và titan, trên bề mặt kim loại thông qua công nghệ lớp phủ chân không để tăng cường khả năng chống ăn mòn và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

D. Ứng dụng trong các lĩnh vực mới nổi

Lớp phủ máy tính bằng công nghệ nano

Trong công nghệ nano, lớp phủ chân không được sử dụng để chuẩn bị cấu trúc nano và màng mỏng, như nanowires, hạt nano và chấm lượng tử, được áp dụng trong các trường như thiết bị điện tử, quang điện tử và xúc tác.

Ứng dụng y sinh

Công nghệ lớp phủ chân không được sử dụng trong các ứng dụng y sinh để sản xuất lớp phủ chức năng trên màng, cảm biến và bề mặt thiết bị y tế tương thích sinh học, cải thiện hiệu suất và an toàn của chúng.