Inleiding tot vacuümcoaten door thermische verdamping 7 januari 2021

Thermische verdamping is de oudste vacuümcoatingtechnologie. Een materiaal wordt bij hoge temperaturen gesmolten en verdampt en de damp wordt op het substraat afgezet. Afbeelding 1 toont de vereiste temperaturen voor veelgebruikte materialen.

Het materiaal moet worden verwarmd tot een temperatuur die resulteert in een aanzienlijke hoge dampdruk, wat het gebruik van hoogsmeltend materiaal en de keuze van de container beperkt. Verdamping kan worden bereikt door draden elektrisch te verwarmen of door ze in elektrisch geleidende kroezen te plaatsen die zijn gemaakt van een materiaal met een aanzienlijk hoger smeltpunt. Oxiden kunnen uit bootvormige verdampers verdampen. Afbeelding 2 toont een selectie van verschillende thermische verdampers.

De vereiste basisdruk in het coatingapparaat bedraagt 10 ^-07 -10 ^-05 mbar, afhankelijk van de vereiste kwaliteit van de laag. Dit houdt dus in:

• Zorg voor een gemiddeld vrij pad van verdampte atomen dat veel langer is dan de afstand van de bron tot het substraat. Dit zorgt ervoor dat de atomen onverstrooid door restgasmoleculen aankomen.
• Zorg voor een schoon oppervlak, anders hechten de verdampte atomen niet goed, waardoor een instabiele laag ontstaat.

Het materiaal kan ook worden gesmolten door een elektronenstraal. De materialen kunnen dan bij hogere temperaturen verdampen, waardoor hogere verdampingssnelheden mogelijk zijn en oxidematerialen kunnen smelten. Watergekoelde crucibles zorgen ervoor dat verdampt cruciblemateriaal de folies niet verontreinigt. De verdampingssnelheid kan worden geregeld door het vermogen van de elektronenstraal te variëren. De elektronenstraal wordt via een magneet 270 graden afgebogen, zoals te zien is in afbeelding 3. Door de straal te bewegen, kan de gesmolten massa op een homogene temperatuur worden gehouden en optimaal worden benut.  

Houd er rekening mee dat de opstartinvestering in dit type apparaat iets hoger is, omdat er een hoogspanningstoevoer en koelwaterdoorvoeren nodig zijn.

Vacuümsystemen voor thermische verdampers hebben over het algemeen een evacuatietijd van een uur of minder nodig van atmosferische druk tot een basisdruk van 10-06 mbar. 

Tegenwoordig gebruiken de meeste eenheden turbomoleculaire pompen in het bereik van 300-1000 l/s, ondersteund door tweetraps draaischuifpompen, droge scrollpompen of meertraps stuwpompen. Idealiter worden deze turbomoleculaire pompen horizontaal gemonteerd. Dit voorkomt vuil (spetters van coatings, filamenten, kleine schroeven enz.) in de pomp vallen. De meeste systemen gebruiken geen kleppen vóór de turbomoleculaire pompen. 

Boven de verdamper bevindt zich een afsluiter – handmatig of elektrisch/pneumatisch bediend. Dit voorkomt dat de hele kamer continu wordt bedekt terwijl het verdampte materiaal heet is en opwarmt of afkoelt. Dit zorgt er ook voor dat reproduceerbare lagen kunnen worden geproduceerd door de tijd vast te leggen. De meeste units gebruiken ook een dunnefilmmonitor om de dikte van de coatinglaag te meten (en te regelen).

Thermische verdamping wordt vaak gebruikt om optiek en oogglazen te coaten. Meerdere lagen worden verdampt om de eigenschappen van de glazen te verbeteren. Hiertoe behoren antireflectielagen, harde coatings, bescherming tegen infrarood of ultraviolet licht, zonnebescherming en spiegelcoatings. De vacuümkamers hebben een diameter tot 1500 mm – elk met plaats voor enkele honderden lenzen, afhankelijk van hun diameter. De lenzen zijn bevestigd in speciaal ontworpen draaibare calottes om een gelijkmatige dunne laag op alle producten in één batch te garanderen. Het vacuümsysteem bestaat daarom uit een grotere turbomoleculaire pomp in de 2000 /s-klasse of een cryopomp in combinatie met een klein voorvacuümsysteem met rootsblazer. 

Grotere coatingmachines produceren doorgaans een webcoating voor verpakkingsfolies. Folies zoals aluminium worden aangebracht op plastic folies in "roll-to-roll" webcoaters. Deze dunne films vormen een beschermende barrière tegen lucht en vocht, waardoor de versheid en houdbaarheid van consumptiegoederen worden verlengd.

In deze productiemachines met een hoge foliedoorvoer (meerdere meters per seconde!) de gasstroom in het vacuümsysteem is enorm. De grote folieoppervlakken die moeten worden gecoat, genereren grote hoeveelheden ontgassing. Vacuümsystemen bestaan over het algemeen uit grote oliediffusiepompen om de lucht te pompen die door koude panelen wordt ondersteund om de waterdamp te condenseren. Deze koude panelen worden gekoeld door cryogene koelkasten of cryochillers, soms 'Polycold machines' genoemd. 
 
Speciale cryochillers zijn ontworpen om af te koelen tot temperaturen van 110 K. Dit biedt een pompsnelheid tot 200.000 l/s voor waterdamp in de kamer. Voorvacuüm wordt gegenereerd door een wortelventilatorsysteem.

Een andere toepassing zou de productie van kostuumsieraden zijn. De optische effecten worden gegenereerd door speciale coatings die via thermische verdamping worden gehecht. 

Zoals u zich kunt voorstellen, kan de lijst met dergelijke toepassingen nog lang zijn. Deze reeks blogposts is slechts een introductie om u aan de slag te helpen met deze boeiende toepassing voor veld- en vacuümsystemen. In onze volgende blog gaan we verder en introduceren we de sputtertechnologie en enkele van de typische toepassingen ervan.