Inleiding tot vacuümcoating of dunnefilmtechnologie 9 november 2020
Vacuümcoating – ook wel 'Dunfilmtechnologie' of Physical Vapor Deposition (PVD) genoemd – vertegenwoordigt een indrukwekkend aandeel onder de verschillende toepassingen van vacuümtechnologie. In deze blogpost delen we een overzicht van de historische ontwikkeling, de verschillende basisprincipes achter de productie van dunne films en de algemene lay-out van coatingapparaten.
Wat zijn dunne films?
Dunne lagen zijn materiaallagen op oppervlakken met een dikte van ruim onder een nanometer en tot een micrometer. Er zijn verschillende redenen om een hulpmiddel met een dunne film te bedekken. Enkele voorbeelden zijn:
- Beschermfolies ter voorkoming van corrosie
- Decoratieve lagen op sieraden of badkamerarmaturen
- Slijtagebescherming op gereedschappen
- Meerdere lagen om de optische eigenschappen van oogglazen te verbeteren
- Productie van halfgeleiders of zonnecellen
- Aanraakscherm
- Head-up displays in de automobielindustrie
- Spiegels van reflectorlampen
- Verpakkingsfolies voor het bewaren van versheid
- Architectonisch glas voor thermische isolatie
- Dactyloscopie
Deze lijst is niet limitatief en er komen voortdurend nieuwe toepassingen
De geschiedenis van coatingtechnologie
Hoewel het tegenwoordig een spannende en groeiende wetenschap en technologie is, heeft het zijn oorsprong in experimenten die meer dan 150 jaar geleden plaatsvonden, toen W.R. Grove in 1852 voor het eerst sputtereffecten waarnam en Michael Faraday in 1857 vlamboogverdampingsfilms onderzocht.
In het begin van de 20e eeuw werden de grondbeginselen van verschillende coatingtechnieken onderzocht en in de jaren 1930 werden de eerste commercieel gecoate producten, zoals gealuminiseerde reflectoren of dunnefilmweerstanden, op de markt gebracht. Na WW2 boomde de technologie.
Vacuümomstandigheden voor dunnefilmtechnologie
Vandaag de dag onderscheiden we de verschillende technieken die worden gebruikt om een dunne filmlaag op een substraat te deponeren in Physical Vapour Deposition (PVD) of Chemical Layer Deposition (CVD). Vacuüm speelt een essentiële rol bij PVD, waarvoor hoogvacuüm nodig is. Vacuüm maakt ook deel uit van de meeste CVD-toepassingen.
De meest ontwikkelde technologie is thermische verdamping. Een materiaal wordt gesmolten en verdampt bij hoge temperaturen en de damp wordt op het object afgezet. De vereiste temperaturen zijn te vinden in de onderstaande grafiek.
Verzadigingsdampdruk van verschillende metalen
Verdamping kan worden bereikt door draden elektrisch te verwarmen of door ze in kroezen van materiaal met een aanzienlijk hoger smeltpunt te doseren. Een andere manier is om het met een elektronenstraal te smelten.
In beide gevallen is een hoog vacuüm van 10-07 tot 10-05 mbar vereist tijdens het coatingproces, afhankelijk van de grootte van de vacuümkamer en de vereiste kwaliteit van de laag. De reden hiervoor is:
Om een gemiddeld vrij pad van verdampte atomen te garanderen dat veel langer is dan de afstand van de bron tot het doel. Dit zorgt ervoor dat de atomen onverstrooid door restgasmoleculen aankomen.
Zorgen voor een schoon oppervlak. Anders zouden de verdampte atomen niet goed hechten en een instabiele laag vormen.
Een andere manier om monsters te coaten is door sputteren. Sputterdepositie maakt gebruik van een doelmateriaal dat wordt gebombardeerd door ionen die uit een plasma worden versneld. Het meest gebruikte plasmagas is argon. De argonionen sputteren atomen van doelmateriaal die het substraat bedekken. Vanwege de hogere energie van de gesputterde atomen blijven ze beter plakken dan wanneer ze door thermische verdamping worden aangebracht. Voor sputterdepositie is echter een uitgebreidere systeemtechniek nodig die onder vacuümomstandigheden werkt. Terwijl een sputterproces waarbij gebruik wordt gemaakt van argonplasma bij drukwaarden boven 5 x 10-04 (en tot 1 x 10-02) mbar loopt, is een einddruk in het bereik van 10-06 mbar vereist voor reiniging en om de zuiverheid van elke laag te garanderen.
