اصل پوشش خلاء فاش شده است: بنیاد فنی ، جریان فرآیند و کاربرد صنعت

این یک فرآیند رسوب مواد بر روی یک سطح بستر با استفاده از روشهای فیزیکی یا شیمیایی در یک محیط کم فشار برای تشکیل یک فیلم نازک است. از طریق این فناوری ، رسوب فیلم نازک با خلوص بالا و با دقت بالا می تواند حاصل شود و به آن خاصیت نوری ، الکتریکی ، مکانیکی و سایر خصوصیات می دهد. بنابراین ، پوشش خلاء دارای ارزش کاربرد مهمی در صنعت مدرن است. به عنوان مثال ، در ساخت نیمه هادی ، از پوشش خلاء برای تولید لایه های مختلف عملکردی روی ویفرها استفاده می شود. در زمینه اپتیک ، اثرات ضد بازتاب و ضد بازتاب از طریق پوشش حاصل می شود. در ساخت مکانیکی ،روکش خلامی تواند مقاومت سایش و مقاومت در برابر خوردگی اجزای را بهبود بخشد.

نظریه اساسی پوشش خلاء

الف) اصول فناوری خلاء

1. تعریف و اندازه گیری خلاء

خلاء به محیط گاز زیر یک فشار جوی (760 میلی متر جیوه ، 101325 PA) اشاره دارد. با توجه به درجات مختلف خلاء ، خلاء را می توان به خلاء کم ، خلاء متوسط ​​، خلاء زیاد و خلاء فوق العاده بالا تقسیم کرد. اندازه گیری درجه خلاء معمولاً با استفاده از سنجهای فشار ، مانند سنجهای فشار مک لوز ، سنجهای پیرانی و سنجهای کاتد سرد انجام می شود.

2. روش دستیابی به خلاء

پمپ مکانیکی: پمپ های مکانیکی گاز را از طریق حرکت مکانیکی تخلیه می کنند ، معمولاً از جمله پمپ های روتاری و پمپ های دیافراگم. این پمپ ها برای به دست آوردن خلاء کم و متوسط ​​مناسب هستند.

پمپ مولکولی: یک پمپ مولکولی از یک روتور چرخشی با سرعت بالا برای بیرون کشیدن گاز مکانیکی استفاده می کند ، مناسب برای به دست آوردن خلاء زیاد و فوق العاده بلند.

Turbopump: پمپ توربومولکولی مزایای پمپ مکانیکی و پمپ مولکولی را به دست می آورد و از طریق پره های چرخشی چند مرحله ای به پمپاژ کارآمد می رسد و در سیستم های خلاء بالا به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

ب. فیزیک فیلم نازک

طبقه بندی و خصوصیات اساسی فیلم های نازک

با توجه به روش و هدف آماده سازی ، فیلم های نازک را می توان به فیلم های فلزی ، فیلم های سرامیکی ، فیلم های پلیمری و غیره تقسیم کرد. خصوصیات اساسی فیلم های نازک شامل ضخامت ، یکنواختی ، چسبندگی ، خواص نوری (مانند انتقال و بازتاب) و خصوصیات الکتریکی (مانند هدایت هدایت و ثابت بودن دی الکتریک) است.

فرآیند و مکانیسم اساسی رشد فیلم نازک

روند رشد فیلم های نازک معمولاً شامل مراحل مانند هسته ، رشد جزیره ، رشد همبستگی و لایه بندی شده است. هسته سازی مرحله اولیه است که در آن اتمها یا مولکول ها بر روی سطح بستر جمع می شوند تا جزایر کوچک تشکیل شوند. با گذشت زمان ، این جزایر کوچک به تدریج به ورق ها وصل می شوند و در نهایت یک فیلم نازک مداوم تشکیل می دهند. مکانیسم رشد تحت تأثیر عواملی مانند خصوصیات ماده ، حالت سطح بستر ، دمای رسوب و میزان رسوب قرار دارد.

ج - اصول علوم مواد

مواد پوشش مشترک و خصوصیات آنها

مواد پوشش مشترک شامل فلزات (مانند آلومینیوم ، طلا ، پلاتین) ، نیمه هادی (مانند سیلیکون و ژرمنوم) ، سرامیک (مانند اکسید آلومینیوم و نیترید سیلیکون) و مواد آلی (مانند پلیمرها) است. مواد مختلف دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی هستند و هنگام انتخاب مواد پوشش ، نیاز به عملکرد آنها در برنامه های خاص باید در نظر گرفته شود.

اصول و استانداردهای انتخاب مواد

اصول انتخاب مواد شامل پایداری شیمیایی ، خواص مکانیکی ، خصوصیات نوری و خصوصیات الکتریکی است. استانداردها معمولاً شامل خلوص ، اندازه ذرات ، محتوای ناخالصی و غیره برای اطمینان از کیفیت و خصوصیات عملکردی فیلم های نازک است.

روشها و اصول اصلی پوشش خلاء

A. رسوب بخار فیزیکی (PVD)

بررسی و طبقه بندی

رسوب بخار فیزیکی (PVD) تکنیکی است که از فرآیندهای فیزیکی برای رسوب دادن مواد بر روی سطح بستر استفاده می کند. دسته اصلی شامل پوشش تبخیر ، پوشش پاشیده و آبکاری یون است.

اصول و مراحل فرآیند خاص

پوشش تبخیر: مواد در دمای بالا تبخیر می شوند و یک فیلم نازک را از طریق سیستم خلاء روی بستر قرار می دهند. منابع گرمای متداول شامل گرمایش مقاومت و گرمایش پرتو الکترونی است.

روکش پراکنده: با بمباران با یون های گاز بی اثر ، اتم های ماده هدف بر روی بستر ریخته می شوند تا یک فیلم نازک تشکیل شود. روشهای متداول شامل لکه گیری DC و لکه دار شدن RF است.

آبکاری یون: تحت عمل یک منبع یون ، مواد یونیزه شده برای رسوب بر روی بستر ، که معمولاً برای تهیه پوشش های سختی بالا استفاده می شود ، شتاب می گیرند.

مزایا ، معایب و دامنه کاربرد

مزایای فناوری PVD شامل تراکم فیلم نازک ، چسبندگی قوی و دمای پایین فرآیند است

، اما تجهیزات پیچیده است و هزینه آن زیاد است. مناسب برای تهیه فیلم های نازک فلزی ، آلیاژ و سرامیکی ، که به طور گسترده در زمینه های الکترونیک ، اپتیک و دکوراسیون مورد استفاده قرار می گیرد.

ب - رسوب بخار شیمیایی (CVD)

مفهوم اصلی CVD

رسوب بخار شیمیایی (CVD) تکنیک رسوب فیلم های نازک بر روی یک سطح بستر از طریق واکنشهای شیمیایی است. گاز واکنش در دمای بالا واکنش های شیمیایی را تجزیه یا تحت تأثیر قرار می دهد و باعث ایجاد رسوبات جامد می شود.

روشهای مختلف CVD

CVD با فشار کم (LPCVD): در یک محیط فشار کم ، با کیفیت فیلم بالا و یکنواختی مناسب ، مناسب برای صنعت نیمه هادی واکنش نشان می دهد.

CVD افزایش یافته پلاسما (PECVD): استفاده از پلاسما برای تسریع در واکنش های شیمیایی و کاهش دمای واکنش ، مناسب برای مواد حساس به دما.

رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD): با استفاده از ترکیبات آلی فلزی به عنوان پیش ساز ، برای تهیه فیلم های نازک ترکیبی مانند مواد نیمه هادی III-V مناسب است.

ویژگی های فرآیند و نمونه های کاربردی

ویژگی های فرآیند CVD فیلم متراکم ، خلوص بالا و یکنواختی مناسب است ، اما دما و تجهیزات پیچیده و پیچیده است. به طور گسترده در دستگاه های نیمه هادی ، سلول های خورشیدی ، پوشش های نوری و زمینه های دیگر استفاده می شود.

ج - رسوب لایه اتمی (ALD)

مکانیسم و ​​مراحل منحصر به فرد ALD

رسوب لایه اتمی (ALD) تکنیکی است که دقیقاً ضخامت فیلم های نازک را با تأمین گاز پیش ساز و گاز واکنش به طور متناوب کنترل می کند و لایه های لایه اتمی را به صورت لایه بر روی سطح بستر سپرده می دهد. مکانیسم واکنش منحصر به فرد خود محدود کننده آن امکان کنترل دقیق ضخامت فیلم به نانو را فراهم می کند.

مقایسه با PVD و CVD

در مقایسه با PVD و CVD ، مزایای ALD در کنترل دقیق ضخامت فیلم ، یکنواختی بالا و توانایی قوی در پوشش ساختارهای پیچیده قرار دارد. با این حال ، سرعت رسوب کندتر است و باعث می شود آن را برای برنامه هایی که نیاز به دقت و یکنواختی بسیار بالایی دارند مناسب باشد.

چشم انداز درخواست

ALD Technology چشم انداز کاربردهای گسترده ای در زمینه هایی مانند میکروالکترونیک ، فناوری نانو و زیست پزشکی مانند تهیه فیلم های دی الکتریک K ، نانوسیم ها و حسگرهای زیستی دارد.

تجهیزات پوشش خلاء و جریان فرآیند

A. تجهیزات روکش خلاء معمولی

ساختار اساسی دستگاه پوشش

تجهیزات روکش معمولی شامل اتاق های خلاء ، سیستم های استخراج ، سیستم های گرمایشی ، سیستم های کنترل و منابع پوشش است. محفظه خلاء محیط کم فشار را فراهم می کند ، از سیستم پمپاژ برای به دست آوردن و نگهداری خلاء استفاده می شود ، منبع پوشش مواد را فراهم می کند و سیستم کنترل پارامترهای فرآیند را کنترل و تنظیم می کند.

انواع دستگاه مشترک

دستگاه پوشش تبخیر: مواد از طریق گرمایش مقاومت یا گرمایش پرتو الکترونی بر روی بستر تبخیر می شوند و روی بستر قرار می گیرند.

دستگاه پوشش پراکنده: اتم های ماده مورد نظر از طریق لکه گیری مگنترون یا لکه گیری فرکانس رادیویی بر روی بستر ریخته می شوند.

تجهیزات آبکاری یونی: استفاده از منبع یونی برای تولید تیرهای یونی با انرژی بالا برای رسوب فیلم های نازک ، که معمولاً در تهیه پوشش های سخت استفاده می شود.

ب - جریان فرآیند

فرآیند پردازش قبل

قبل از پوشش ، برای از بین بردن آلاینده های سطح و لایه های اکسید ، باید سطح بستر تمیز و تحت درمان قرار گیرد و از چسبندگی و یکنواختی فیلم اطمینان حاصل کند. روشهای متداول شامل تمیز کردن اولتراسونیک ، تمیز کردن شیمیایی و تمیز کردن پلاسما است.

فرآیند روکش

نکته اصلی فرآیند پوشش ، بهینه سازی پارامترهای کنترل ، از جمله درجه خلاء ، دما ، سرعت جریان گاز و میزان رسوب است. این پارامترها به طور مستقیم بر کیفیت و عملکرد فیلم تأثیر می گذارد.

فرآیند پردازش پست

این فیلم پس از پوشش ، اغلب برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی و ثبات فیلم ، پس از درمان مانند آنیل و انفعال نیاز دارد.

ج - کنترل و بهینه سازی فرآیند

کنترل پارامترهایی مانند درجه خلاء ، دما ، جو و غیره

با کنترل دقیق درجه خلاء ، دمای رسوب و ترکیب گاز ، می توان روند رشد فیلم های نازک را بهینه کرد و می توان یکنواختی و عملکرد فیلم ها را بهبود بخشید.

کنترل ضخامت پوشش و یکنواختی

با استفاده از فن آوری های نظارت آنلاین مانند میکروبانان کریستال کوارتز و سیستم نظارت نوری ، می توان برای اطمینان از کیفیت فیلم ، نظارت بر زمان واقعی و کنترل ضخامت پوشش و یکنواختی حاصل شد.

روش های آزمایش و ارزیابی کیفیت

تشخیص کیفیت فیلم شامل ارزیابی خصوصیات فیزیکی ، شیمیایی و مکانیکی مانند ضخامت فیلم ، مورفولوژی سطح ، تجزیه و تحلیل ترکیب ، چسبندگی ، سختی و غیره است. روشهای متداول شامل میکروسکوپ الکترونی الکترونی اسکن (SEM) ، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) ، پراش اشعه ایکس (XRD) و تجزیه و تحلیل طیف سنجی است.

نمونه های کاربردی از پوشش خلاء

الف) الکترونیک و صنعت نیمه هادی

تولید مدار یکپارچه

از فناوری پوشش خلاء در ساخت مدار یکپارچه برای رسوب لایه های اتصال فلزی ، لایه های عایق و لایه های محافظ استفاده می شود. فرآیند پوشش با دقت بالا عملکرد و قابلیت اطمینان مدار را تضمین می کند.

فناوری پوشش برای نمایشگرها و سنسورها

در ساخت صفحه نمایش ، از پوشش خلاء برای رسوب فیلم های رسانا شفاف و فیلم های نوری استفاده می شود. در تولید سنسور ، از فناوری پوشش برای تهیه اجزای حساس و لایه های محافظ ، بهبود حساسیت و دوام سنسورها استفاده می شود.

ب. نوری و نوری

انواع و برنامه های فیلم های نازک نوری

فیلم های نازک نوری شامل فیلم های ضد بازتابنده ، فیلم های ضد بازتابنده ، فیلم های فیلتر و فیلم های بازتابی هستند. با کنترل دقیق ضخامت و خصوصیات نوری فیلم ها ، می توان از اثرات نوری خاص مانند کاهش بازتاب ، افزایش انتقال و فیلتر انتخابی حاصل شد.

استفاده از پوشش در لیزرها و دستگاه های نوری

در لیزرها و دستگاههای نوری ، از فناوری پوشش خلاء برای تولید آینه ها ، ویندوزها و لنزها با کارایی بالا ، بهبود کارایی و پایداری سیستم های نوری استفاده می شود.

ج - برنامه های مکانیکی و محافظتی

روکش سخت و پوشش مقاوم در برابر سایش

پوشش های سخت و پوشش های مقاوم در برابر سایش از طریق فناوری پوشش خلاء تهیه شده و به طور گسترده در ابزارها ، قالب ها و قطعات مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد تا مقاومت سایش و عمر خدمات آنها را بهبود بخشد.

استفاده از پوشش های ضد خوردگی

پوشش های ضد خوردگی لایه ای از مواد مقاوم در برابر خوردگی ، مانند کروم و تیتانیوم را بر روی سطح فلز از طریق فناوری پوشش خلاء به منظور تقویت مقاومت در برابر خوردگی خود و افزایش عمر خدمات تجهیزات سپرده می دهد.

D. برنامه های کاربردی در زمینه های نوظهور

پوشش خلاء در فناوری نانو

در فناوری نانو ، از پوشش خلاء برای تهیه ساختارهای نانو و فیلم های نازک مانند نانوسیم ها ، نانوذرات و نقاط کوانتومی استفاده می شود که در زمینه هایی مانند الکترونیک ، نوری الکتریک و کاتالیز استفاده می شود.

برنامه های زیست پزشکی

از فناوری پوشش خلاء در کاربردهای زیست پزشکی برای تولید پوشش های عملکردی در فیلم های زیست سازگار ، سنسورها و سطوح دستگاه های پزشکی استفاده می شود و عملکرد و ایمنی آنها را بهبود می بخشد.