หลักการของการเคลือบสูญญากาศถูกเปิดเผย: รากฐานทางเทคนิคการไหลของกระบวนการและการใช้งานอุตสาหกรรม

มันเป็นกระบวนการของวัสดุที่สะสมบนพื้นผิวพื้นผิวโดยใช้วิธีการทางกายภาพหรือทางเคมีในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันต่ำเพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆ ด้วยเทคโนโลยีนี้การสะสมฟิล์มบางที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีความแม่นยำสูงสามารถทำได้ทำให้มันมีคุณสมบัติเฉพาะทางไฟฟ้าเครื่องกลและคุณสมบัติอื่น ๆ ดังนั้นการเคลือบสูญญากาศจึงมีมูลค่าการใช้งานที่สำคัญในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ตัวอย่างเช่นในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์การเคลือบสูญญากาศใช้ในการผลิตเลเยอร์การทำงานที่หลากหลายบนเวเฟอร์ ในด้านทัศนศาสตร์การสะท้อนการสะท้อนและการสะท้อนกลับสามารถทำได้ผ่านการเคลือบ ในการผลิตเชิงกลการเคลือบสูญญากาศสามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อนของส่วนประกอบ

ทฤษฎีพื้นฐานของการเคลือบสูญญากาศ

A. พื้นฐานของเทคโนโลยีสูญญากาศ

1. คำจำกัดความและการวัดสูญญากาศ

สูญญากาศหมายถึงสภาพแวดล้อมของก๊าซที่ต่ำกว่าหนึ่งความดันบรรยากาศ (ปรอท 760 มิลลิเมตร, 101325 PA) ตามปริมาณที่แตกต่างกันของสูญญากาศสูญญากาศสามารถแบ่งออกเป็นสุญญากาศต่ำ, สูญญากาศกลาง, สูญญากาศสูงและสูญญากาศสูงเป็นพิเศษ การวัดระดับสุญญากาศมักจะดำเนินการโดยใช้มาตรวัดความดันเช่นเกจวัดความดัน Maclehose, มาตรวัด Pirani และมาตรวัดแคโทดเย็น

2. วิธีการซื้อสูญญากาศ

ปั๊มกลไก: ปั๊มกลไกการปล่อยก๊าซผ่านการเคลื่อนที่เชิงกลโดยทั่วไปรวมถึงปั๊มใบพัดหมุนและปั๊มไดอะแฟรม ปั๊มเหล่านี้เหมาะสำหรับการได้รับสุญญากาศต่ำและปานกลาง

ปั๊มโมเลกุล: ปั๊มโมเลกุลใช้โรเตอร์หมุนความเร็วสูงเพื่อขับเคลื่อนก๊าซกลไกซึ่งเหมาะสำหรับการรับสุญญากาศสูงและสูงเป็นพิเศษ

Turbopump: ปั๊มเทอร์โมโมเลกุลผสมผสานข้อดีของปั๊มกลและปั๊มโมเลกุล, การสูบฉีดอย่างมีประสิทธิภาพผ่านใบมีดหมุนหลายขั้นตอนและใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสูญญากาศสูง

B. ฟิสิกส์ฟิล์มบาง ๆ

การจำแนกประเภทและคุณสมบัติพื้นฐานของฟิล์มบาง ๆ

ตามวิธีการเตรียมและวัตถุประสงค์ฟิล์มบางสามารถแบ่งออกเป็นฟิล์มโลหะฟิล์มเซรามิกฟิล์มโพลีเมอร์ ฯลฯ คุณสมบัติพื้นฐานของฟิล์มบาง ๆ ได้แก่ ความหนาความสม่ำเสมอการยึดเกาะความแข็งคุณสมบัติทางแสง (เช่นการส่งผ่านและการสะท้อนแสง)

กระบวนการพื้นฐานและกลไกของการเติบโตของฟิล์มบาง ๆ

กระบวนการเจริญเติบโตของฟิล์มบางมักจะรวมถึงขั้นตอนเช่นนิวเคลียสการเจริญเติบโตของเกาะการเจริญเติบโตที่ต่อเนื่องกันและชั้น นิวเคลียสเป็นระยะเริ่มต้นที่อะตอมหรือโมเลกุลรวมตัวกันบนพื้นผิวพื้นผิวเพื่อสร้างเกาะเล็ก ๆ เมื่อเวลาผ่านไปเกาะเล็ก ๆ เหล่านี้ค่อยๆเชื่อมต่อเป็นแผ่นในที่สุดก็กลายเป็นฟิล์มบาง ๆ อย่างต่อเนื่อง กลไกการเจริญเติบโตได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่าง ๆ เช่นคุณสมบัติของวัสดุสถานะพื้นผิวพื้นผิวอุณหภูมิการสะสมและอัตราการสะสม

C. พื้นฐานของวัสดุวิทยาศาสตร์

วัสดุเคลือบทั่วไปและลักษณะของพวกเขา

วัสดุเคลือบทั่วไป ได้แก่ โลหะ (เช่นอลูมิเนียม, ทอง, แพลตตินัม), เซมิคอนดักเตอร์ (เช่นซิลิกอนและเจอร์เมเนียม), เซรามิกส์ (เช่นอลูมิเนียมออกไซด์และซิลิกอนไนไตรด์) และวัสดุอินทรีย์ (เช่นโพลีเมอร์) วัสดุที่แตกต่างกันมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่แตกต่างกันและเมื่อเลือกวัสดุเคลือบผิวต้องพิจารณาความต้องการประสิทธิภาพในการใช้งานเฉพาะ

หลักการและมาตรฐานสำหรับการเลือกวัสดุ

หลักการของการเลือกวัสดุรวมถึงความเสถียรทางเคมีคุณสมบัติเชิงกลคุณสมบัติทางแสงและคุณสมบัติทางไฟฟ้า มาตรฐานมักจะเกี่ยวข้องกับความบริสุทธิ์ขนาดอนุภาคเนื้อหาที่ไม่บริสุทธิ์ ฯลฯ ของวัสดุเพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพและลักษณะการทำงานของฟิล์มบาง

วิธีการหลักและหลักการของการเคลือบสูญญากาศ

A. การสะสมไอทางกายภาพ (PVD)

ภาพรวมและการจำแนกประเภท

การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) เป็นเทคนิคที่ใช้กระบวนการทางกายภาพในการสะสมวัสดุลงบนพื้นผิวพื้นผิว หมวดหมู่หลัก ได้แก่ การเคลือบระเหยการเคลือบสปัตเตอร์และการชุบไอออน

หลักการและขั้นตอนกระบวนการเฉพาะ

การเคลือบระเหย: วัสดุระเหยที่อุณหภูมิสูงและสะสมฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวผ่านระบบสูญญากาศ แหล่งความร้อนที่พบบ่อย ได้แก่ ความร้อนความร้อนและความร้อนด้วยลำแสงอิเล็กตรอน

การเคลือบสปัตเตอร์: โดยการทิ้งระเบิดด้วยไอออนก๊าซเฉื่อยอะตอมของวัสดุเป้าหมายจะถูกสปัตเตอร์ลงบนพื้นผิวเพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆ วิธีการทั่วไป ได้แก่ DC Sputtering และ RF Sputtering

การชุบไอออน: ภายใต้การกระทำของแหล่งไอออนวัสดุที่แตกเป็นไอออนจะถูกเร่งให้ฝากลงบนพื้นผิวซึ่งใช้กันทั่วไปเพื่อเตรียมการเคลือบแข็งสูง

ข้อดีข้อเสียและขอบเขตของการสมัคร

ข้อดีของเทคโนโลยี PVD รวมถึงความหนาแน่นของฟิล์มบาง ๆ การยึดเกาะที่แข็งแกร่งและอุณหภูมิกระบวนการต่ำ

แต่อุปกรณ์มีความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายสูง เหมาะสำหรับการเตรียมฟิล์มโลหะโลหะผสมและเซรามิกบางที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาอิเล็กทรอนิกส์เลนส์และการตกแต่ง

B. การสะสมไอเคมี (CVD)

แนวคิดพื้นฐานของ CVD

การสะสมไอสารเคมี (CVD) เป็นเทคนิคของการสะสมฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวพื้นผิวผ่านปฏิกิริยาทางเคมี ปฏิกิริยาก๊าซจะสลายตัวหรือผ่านปฏิกิริยาทางเคมีที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดการสะสมของแข็ง

วิธี CVD ต่างๆ

ความดันต่ำ CVD (LPCVD): ทำปฏิกิริยาในสภาพแวดล้อมที่มีความดันต่ำด้วยคุณภาพของฟิล์มสูงและความสม่ำเสมอที่ดีเหมาะสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

พลาสมาปรับปรุง CVD (PECVD): การใช้พลาสมาเพื่อเร่งปฏิกิริยาทางเคมีและลดอุณหภูมิปฏิกิริยาที่เหมาะสำหรับวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ

การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD): การใช้สารประกอบอินทรีย์โลหะเป็นสารตั้งต้นเหมาะสำหรับการเตรียมฟิล์มบาง ๆ ที่ซับซ้อนเช่นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ III-V

ลักษณะกระบวนการและตัวอย่างแอปพลิเคชัน

ลักษณะของกระบวนการ CVD คือฟิล์มหนาแน่นความบริสุทธิ์สูงและความสม่ำเสมอที่ดี แต่อุณหภูมิสูงและอุปกรณ์ที่ซับซ้อน ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เซลล์แสงอาทิตย์การเคลือบด้วยแสงและฟิลด์อื่น ๆ

C. การสะสมของชั้นอะตอม (ALD)

กลไกที่เป็นเอกลักษณ์และขั้นตอนของ ALD

การสะสมชั้นอะตอม (ALD) เป็นเทคนิคที่ควบคุมความหนาของฟิล์มบาง ๆ ได้อย่างแม่นยำโดยการจัดหาก๊าซสารตั้งต้นและก๊าซปฏิกิริยาอย่างสลับกัน กลไกการเกิดปฏิกิริยา จำกัด ตัวเองที่เป็นเอกลักษณ์ช่วยให้สามารถควบคุมความหนาของฟิล์มได้อย่างแม่นยำในระดับนาโน

เปรียบเทียบกับ PVD และ CVD

เมื่อเทียบกับ PVD และ CVD ข้อดีของ ALD อยู่ในการควบคุมความหนาของฟิล์มที่แม่นยำความสม่ำเสมอสูงและความสามารถที่แข็งแกร่งในการครอบคลุมโครงสร้างที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตามความเร็วในการสะสมช้าลงทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำและความสม่ำเสมอสูงมาก

โอกาสในการสมัคร

เทคโนโลยี ALD มีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวางในสาขาต่าง ๆ เช่นไมโครอิเล็กทรอนิกส์นาโนเทคโนโลยีและชีวการแพทย์เช่นการเตรียมฟิล์มอิเล็กทริก K สูงนาโนและไบโอเซนเซอร์

อุปกรณ์เคลือบสูญญากาศและการไหลของกระบวนการ

A. อุปกรณ์เคลือบสูญญากาศทั่วไป

โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องเคลือบ

อุปกรณ์เคลือบทั่วไปรวมถึงห้องสูญญากาศระบบสกัดระบบทำความร้อนระบบควบคุมและแหล่งเคลือบ ห้องสูญญากาศให้สภาพแวดล้อมที่มีแรงดันต่ำระบบสูบน้ำใช้เพื่อให้ได้และบำรุงรักษาสุญญากาศแหล่งการเคลือบให้วัสดุและระบบควบคุมตรวจสอบและปรับพารามิเตอร์กระบวนการ

ประเภทอุปกรณ์ทั่วไป

เครื่องเคลือบระเหย: วัสดุจะระเหยและฝากลงบนพื้นผิวผ่านความร้อนความต้านทานหรือความร้อนของลำแสงอิเล็กตรอน

เครื่องเคลือบสปัตเตอร์: อะตอมของวัสดุเป้าหมายจะถูกสปัตเตอร์ลงบนพื้นผิวผ่าน Magnetron sputtering หรือการสปัตเตอร์ความถี่วิทยุ

อุปกรณ์ชุบไอออน: การใช้แหล่งไอออนเพื่อสร้างลำแสงไอออนพลังงานสูงเพื่อสะสมฟิล์มบาง ๆ ซึ่งใช้กันทั่วไปในการเตรียมสารเคลือบแข็ง

B. กระบวนการไหล

กระบวนการประมวลผลล่วงหน้า

ก่อนการเคลือบพื้นผิวพื้นผิวจะต้องทำความสะอาดและเตรียมไว้ล่วงหน้าเพื่อกำจัดมลพิษผิวและชั้นออกไซด์เพื่อให้มั่นใจว่าการยึดเกาะและความสม่ำเสมอของฟิล์ม วิธีการทั่วไป ได้แก่ การทำความสะอาดอัลตราโซนิกการทำความสะอาดสารเคมีและการทำความสะอาดพลาสมา

กระบวนการเคลือบ

กุญแจสำคัญในกระบวนการเคลือบคือการเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์การควบคุมรวมถึงระดับสูญญากาศอุณหภูมิอัตราการไหลของก๊าซและอัตราการสะสม พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของภาพยนตร์

กระบวนการประมวลผลโพสต์

ภาพยนตร์หลังจากการเคลือบมักจะต้องมีการรักษาหลังการอบเช่นการหลอมและการผ่านเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีและความมั่นคงของภาพยนตร์

C. การควบคุมกระบวนการและการเพิ่มประสิทธิภาพ

การควบคุมพารามิเตอร์เช่นระดับสูญญากาศอุณหภูมิบรรยากาศ ฯลฯ

ด้วยการควบคุมระดับสูญญากาศอุณหภูมิการสะสมและองค์ประกอบของก๊าซอย่างแม่นยำกระบวนการเจริญเติบโตของฟิล์มบางสามารถปรับให้เหมาะสมและความสม่ำเสมอและประสิทธิภาพของฟิล์มสามารถปรับปรุงได้

การควบคุมความหนาและความสม่ำเสมอ

ด้วยการใช้เทคโนโลยีการตรวจสอบออนไลน์เช่น quartz crystal microbalance และระบบตรวจสอบออปติคัลการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการควบคุมความหนาและความสม่ำเสมอสามารถทำได้เพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของฟิล์ม

วิธีการทดสอบและประเมินคุณภาพ

การตรวจจับคุณภาพของฟิล์มรวมถึงการประเมินคุณสมบัติทางกายภาพเคมีและเชิงกลเช่นความหนาของฟิล์มสัณฐานวิทยาพื้นผิวการวิเคราะห์องค์ประกอบการยึดเกาะความแข็ง ฯลฯ วิธีการทั่วไปรวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM), กล้องจุลทรรศน์

ตัวอย่างแอปพลิเคชันของการเคลือบสูญญากาศ

A. อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์

การผลิตวงจรแบบบูรณาการ

เทคโนโลยีการเคลือบสูญญากาศใช้ในการผลิตวงจรแบบบูรณาการเพื่อสะสมเลเยอร์เชื่อมต่อระหว่างกันของโลหะชั้นฉนวนและชั้นป้องกัน กระบวนการเคลือบที่มีความแม่นยำสูงช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของวงจรและความน่าเชื่อถือ

เทคโนโลยีการเคลือบสำหรับการแสดงและเซ็นเซอร์

ในการผลิตจอแสดงผลการเคลือบสูญญากาศใช้เพื่อฝากฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งใสและฟิล์มออปติคัล ในการผลิตเซ็นเซอร์เทคโนโลยีการเคลือบจะใช้ในการเตรียมส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนและชั้นป้องกันปรับปรุงความไวและความทนทานของเซ็นเซอร์

B. ทัศนศาสตร์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ประเภทและแอพพลิเคชั่นของฟิล์มบางแสง

ฟิล์มบางแสงรวมถึงฟิล์มต่อต้านการสะท้อนแสงฟิล์มต่อต้านการสะท้อนแสงฟิล์มกรองและฟิล์มสะท้อนแสง โดยการควบคุมความหนาและคุณสมบัติทางแสงของฟิล์มอย่างแม่นยำสามารถทำได้เอฟเฟกต์แสงที่เฉพาะเจาะจงสามารถทำได้เช่นการลดการสะท้อนการเพิ่มการส่งผ่านและการกรองแบบเลือก

แอปพลิเคชันการเคลือบในเลเซอร์และอุปกรณ์ออพติคอล

ในเลเซอร์และอุปกรณ์ออพติคอลเทคโนโลยีการเคลือบสูญญากาศใช้ในการผลิตกระจกประสิทธิภาพสูงหน้าต่างและเลนส์ปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรของระบบออพติคอล

C. การใช้งานเชิงกลและการป้องกัน

การเคลือบแข็งและการเคลือบทนต่อการสึกหรอ

การเคลือบอย่างหนักและการเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอได้รับการจัดทำขึ้นผ่านเทคโนโลยีการเคลือบสูญญากาศและใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือแม่พิมพ์และชิ้นส่วนเชิงกลเพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและอายุการใช้งาน

การประยุกต์ใช้สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อน

การเคลือบป้องกันการกัดกร่อนนำไปสู่ชั้นของวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนเช่นโครเมียมและไทเทเนียมบนพื้นผิวโลหะผ่านเทคโนโลยีการเคลือบสูญญากาศเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

D. แอปพลิเคชันในเขตข้อมูลที่เกิดขึ้นใหม่

การเคลือบสูญญากาศในนาโนเทคโนโลยี

ในนาโนเทคโนโลยีการเคลือบสูญญากาศใช้ในการเตรียมโครงสร้างนาโนและฟิล์มบาง ๆ เช่นนาโนวูร์, อนุภาคนาโนและจุดควอนตัมที่ใช้ในสาขาเช่นอิเล็กทรอนิกส์ออพโตอิเล็กทรอนิกส์และการเร่งปฏิกิริยา

แอปพลิเคชันชีวการแพทย์

เทคโนโลยีการเคลือบสูญญากาศใช้ในการใช้งานด้านชีวการแพทย์เพื่อผลิตการเคลือบฟังก์ชั่นบนฟิล์มที่เข้ากันได้ทางชีวภาพเซ็นเซอร์และพื้นผิวอุปกรณ์การแพทย์ปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยของพวกเขา