Se revela el principio de recubrimiento al vacío: base técnica, flujo de procesos y aplicación de la industria

Es un proceso de depositar materiales en una superficie de sustrato utilizando métodos físicos o químicos en un entorno de baja presión para formar una película delgada. A través de esta tecnología, se puede lograr una deposición de película delgada de alta precisión y alta precisión, lo que le da propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas y de otro tipo específicas. Por lo tanto, el recubrimiento de vacío tiene un valor de aplicación importante en la industria moderna. Por ejemplo, en la fabricación de semiconductores, el recubrimiento de vacío se usa para producir varias capas funcionales en las obleas; En el campo de la óptica, los efectos contra la reflexión y anti reflexión se pueden lograr mediante el recubrimiento; En fabricación mecánica,revestimientopuede mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de los componentes.

Teoría básica del recubrimiento al vacío

A. Fundamentos de la tecnología de vacío

1. Definición y medición del vacío

El vacío se refiere a un entorno de gas por debajo de una presión atmosférica (760 milímetros de mercurio, 101325 PA). Según los diferentes grados de vacío, el vacío se puede dividir en baja vacío, vacío medio, vacío alto y vacío ultra alto. La medición del grado de vacío generalmente se lleva a cabo utilizando medidores de presión, como medidores de presión Maclehose, indicadores pirani y medidores de cátodo frío.

2. Método de adquisición de vacío

Bomba mecánica: bombas mecánicas descarga Gas a través del movimiento mecánico, que comúnmente incluye bombas de paletas rotativas y bombas de diafragma. Estas bombas son adecuadas para obtener un vacío bajo y medio.

Bomba molecular: una bomba molecular utiliza un rotor rotativo de alta velocidad para expulsar mecánicamente el gas, adecuado para obtener un vacío alto y ultra alto.

Turbopump: la bomba turbomolecular combina las ventajas de la bomba mecánica y la bomba molecular, logrando un bombeo eficiente a través de cuchillas giratorias de etapas múltiples, y se usa ampliamente en sistemas de alto vacío.

B. Física de película delgada

Clasificación y propiedades básicas de películas delgadas

De acuerdo con el método y el propósito de la preparación, las películas delgadas se pueden dividir en películas de metal, películas de cerámica, películas de polímeros, etc. Las propiedades básicas de las películas delgadas incluyen espesor, uniformidad, adhesión, dureza, propiedades ópticas (como la transmitancia y la reflectividad) y las propiedades eléctricas (como la conductividad y la constante dieléctrica).

El proceso básico y el mecanismo del crecimiento de la película delgada

El proceso de crecimiento de las películas delgadas generalmente incluye etapas como la nucleación, el crecimiento de la isla, el crecimiento contiguo y en capas. La nucleación es la etapa inicial en la que los átomos o moléculas se reúnen en la superficie del sustrato para formar pequeñas islas; A medida que pasa el tiempo, estas pequeñas islas se conectan gradualmente en hojas, y finalmente forman una película delgada continua. El mecanismo de crecimiento está influenciado por factores como las propiedades del material, el estado de la superficie del sustrato, la temperatura de deposición y la tasa de deposición.

C. Fundamentos de la ciencia de los materiales

Materiales de recubrimiento comunes y sus características

Los materiales de recubrimiento comunes incluyen metales (como aluminio, oro, platino), semiconductores (como silicio y germanio), cerámica (como óxido de aluminio y nitruro de silicio) y materiales orgánicos (como polímeros). Diferentes materiales tienen diferentes propiedades físicas y químicas, y al seleccionar materiales de recubrimiento, se deben considerar sus requisitos de rendimiento en aplicaciones específicas.

Principios y estándares para la selección de materiales

Los principios de la selección de materiales incluyen estabilidad química, propiedades mecánicas, propiedades ópticas y propiedades eléctricas. Los estándares generalmente implican la pureza, el tamaño de la partícula, el contenido de impurezas, etc. de los materiales para garantizar la calidad y las características funcionales de las películas delgadas.

Los principales métodos y principios de recubrimiento de vacío

A. Deposición de vapor físico (PVD)

Descripción general y clasificación

La deposición física del vapor (PVD) es una técnica que utiliza procesos físicos para depositar materiales en la superficie del sustrato. Las categorías principales incluyen recubrimiento de evaporación, recubrimiento de pulverización y revestimiento de iones.

Principios y pasos de proceso específicos

Evaporative Coating: el material se evapora a alta temperatura y deposita una película delgada en el sustrato a través de un sistema de vacío. Las fuentes de calor comunes incluyen calentamiento de resistencia y calentamiento del haz de electrones.

Reubicación de pulverización: al bombardear con iones de gas inertes, los átomos del material objetivo se escabullen sobre el sustrato para formar una película delgada. Los métodos comunes incluyen la pulverización de DC y la pulverización de RF.

El revestimiento de iones: bajo la acción de una fuente de iones, los materiales ionizados se aceleran para depositar en el sustrato, comúnmente utilizado para preparar recubrimientos de alta dureza.

Ventajas, desventajas y alcance de la aplicación

Las ventajas de la tecnología de PVD incluyen densidad de película delgada, adhesión fuerte y baja temperatura de proceso

, pero el equipo es complejo y el costo es alto. Adecuado para la preparación de películas delgadas de metal, aleación y cerámica, ampliamente utilizadas en los campos de la electrónica, la óptica y la decoración.

B. Deposición de vapor químico (CVD)

El concepto básico de CVD

La deposición de vapor químico (CVD) es una técnica para depositar películas delgadas en una superficie de sustrato a través de reacciones químicas. El gas de reacción se descompone o sufre reacciones químicas a altas temperaturas, generando depósitos sólidos.

Varios métodos de CVD

CVD de baja presión (LPCVD): reacciona en un entorno de baja presión, con alta calidad de película y buena uniformidad, adecuada para la industria de semiconductores.

CVD mejorado por plasma (PECVD): utilizando el plasma para acelerar las reacciones químicas y reducir la temperatura de reacción, adecuada para materiales sensibles a la temperatura.

Deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD): utilizando compuestos orgánicos metálicos como precursores, es adecuado para preparar películas delgadas compuestas complejas, como los materiales semiconductores III-V.

Características del proceso y ejemplos de aplicaciones

Las características del proceso de CVD son películas densas, alta pureza y buena uniformidad, pero a alta temperatura y equipos complejos. Ampliamente utilizado en dispositivos semiconductores, células solares, recubrimientos ópticos y otros campos.

C. Deposición de la capa atómica (ALD)

El mecanismo único y los pasos de ALD

La deposición de la capa atómica (ALD) es una técnica que controla con precisión el grosor de las películas delgadas mediante el suministro de gas precursores y reacción precursores, y depositando capas atómicas capa por capa en la superficie del sustrato. Su mecanismo de reacción autocontrol único permite un control preciso del grosor de la película a la nanoescala.

Comparación con PVD y CVD

En comparación con PVD y CVD, las ventajas de ALD se encuentran en el control preciso del grosor de la película, la alta uniformidad y la fuerte capacidad para cubrir estructuras complejas. Sin embargo, la velocidad de deposición es más lenta, lo que la hace adecuada para aplicaciones que requieren precisión y uniformidad extremadamente altas.

perspectiva de la aplicación

La tecnología ALD tiene amplias perspectivas de aplicaciones en campos como microelectrónica, nanotecnología y biomedicina, como la preparación de películas dieléctricas, nanocables y biosensores altos K.

Equipo de recubrimiento de vacío y flujo de procesos

A. Equipo típico de recubrimiento de vacío

La estructura básica de la máquina de recubrimiento

El equipo de recubrimiento típico incluye cámaras de vacío, sistemas de extracción, sistemas de calefacción, sistemas de control y fuentes de recubrimiento. La cámara de vacío proporciona un entorno de baja presión, el sistema de bombeo se utiliza para obtener y mantener el vacío, la fuente de recubrimiento proporciona materiales y el sistema de control monitorea y ajusta los parámetros del proceso.

Tipos de dispositivos comunes

Máquina de recubrimiento evaporativa: el material se evapora y se deposita en el sustrato a través del calentamiento de resistencia o el calentamiento del haz de electrones.

Máquina de recubrimiento de pulverización: los átomos del material objetivo se pulverizan sobre el sustrato a través de la pulverización del magnetrón o la pulverización por radiofrecuencia.

Equipo de revestimiento de iones: utilizando una fuente de iones para generar haces de iones de alta energía para depositar películas delgadas, comúnmente utilizadas en la preparación de recubrimientos duros.

B. Flujo de proceso

Proceso previo

Antes de recubrir, la superficie del sustrato debe limpiarse y pretratarse para eliminar los contaminantes de la superficie y las capas de óxido, asegurando la adhesión y la uniformidad de la película. Los métodos comunes incluyen limpieza ultrasónica, limpieza química y limpieza de plasma.

Proceso de recubrimiento

La clave para el proceso de recubrimiento es la optimización de los parámetros de control, incluido el grado de vacío, la temperatura, la velocidad de flujo de gas y la velocidad de deposición. Estos parámetros afectan directamente la calidad y el rendimiento de la película.

Proceso de procesamiento posterior

La película después del recubrimiento a menudo requiere después del tratamiento, como el recocido y la pasivación, para mejorar las propiedades físicas y químicas y la estabilidad de la película.

C. Control y optimización de procesos

Control de parámetros como el grado de vacío, la temperatura, la atmósfera, etc.

Al controlar con precisión el grado de vacío, la temperatura de deposición y la composición del gas, el proceso de crecimiento de las películas delgadas se puede optimizar y se puede mejorar la uniformidad y el rendimiento de las películas.

Control del grosor de recubrimiento y la uniformidad

Mediante el uso de tecnologías de monitoreo en línea, como microbalanzas de cristal de cuarzo y sistema de monitoreo óptico, se puede lograr el monitoreo y control del grosor y uniformidad en tiempo real para garantizar la calidad de la película.

Métodos de pruebas y evaluación de calidad

La detección de la calidad de la película incluye la evaluación de propiedades físicas, químicas y mecánicas, como el grosor de la película, la morfología de la superficie, el análisis de composición, la adhesión, la dureza, etc. Los métodos comunes incluyen la microscopía electrónica de escaneo (SEM), la microscopía de fuerza atómica (AFM), la difracción de rayos X (XRD) y el análisis espectroscópico.

Ejemplos de solicitud de recubrimiento al vacío

A. Industria electrónica y de semiconductores

Fabricación de circuitos integrados

La tecnología de recubrimiento de vacío se utiliza en la fabricación integrada de circuitos para depositar capas de interconexión de metales, capas de aislamiento y capas de protección. El proceso de recubrimiento de alta precisión garantiza el rendimiento y la confiabilidad del circuito.

Tecnología de recubrimiento para pantallas y sensores

En la fabricación de exhibiciones, el recubrimiento de vacío se utiliza para depositar películas conductoras transparentes y películas ópticas; En la fabricación de sensores, la tecnología de recubrimiento se utiliza para preparar componentes sensibles y capas de protección, mejorando la sensibilidad y la durabilidad de los sensores.

B. óptica y optoelectrónica

Tipos y aplicaciones de películas delgadas ópticas

Las películas delgadas ópticas incluyen películas anti reflectantes, películas anti reflectantes, películas de filtro y películas reflectantes. Al controlar con precisión el grosor y las propiedades ópticas de las películas, se pueden lograr efectos ópticos específicos, como reducir la reflexión, mejorar la transmitancia y el filtrado selectivo.

La aplicación de recubrimiento en láseres y dispositivos ópticos

En los láseres y dispositivos ópticos, la tecnología de recubrimiento de vacío se utiliza para fabricar espejos, ventanas y lentes de alto rendimiento, mejorando la eficiencia y la estabilidad de los sistemas ópticos.

C. Aplicaciones mecánicas y de protección

Recubrimiento duro y recubrimiento resistente al desgaste

Los recubrimientos duros y los recubrimientos resistentes al desgaste se preparan a través de la tecnología de recubrimiento de vacío y ampliamente utilizados en herramientas, moldes y piezas mecánicas para mejorar su resistencia al desgaste y su vida útil.

Aplicación de recubrimientos anticorrosión

Los recubrimientos anti corrosión depositan una capa de materiales resistentes a la corrosión, como el cromo y el titanio, en la superficie del metal a través de la tecnología de recubrimiento de vacío para mejorar su resistencia a la corrosión y extender la vida útil del equipo.

D. Aplicaciones en campos emergentes

Recubrimiento de vacío en nanotecnología

En la nanotecnología, el recubrimiento de vacío se utiliza para preparar estructuras a nanoescala y películas delgadas, como nanocables, nanopartículas y puntos cuánticos, aplicados en campos como electrónica, optoelectrónica y catálisis.

Aplicaciones biomédicas

La tecnología de recubrimiento de vacío se utiliza en aplicaciones biomédicas para fabricar recubrimientos funcionales en películas biocompatibles, sensores y superficies de dispositivos médicos, mejorando su rendimiento y seguridad.