ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการเคลือบสุญญากาศหรือเทคโนโลยีฟิล์มบาง 9 พฤศจิกายน 2020
การเคลือบสุญญากาศ หรือที่เรียกว่า 'เทคโนโลยีฟิล์มบาง' หรือ Physical Vapour Deposition (PVD) เป็นส่วนแบ่งที่น่าประทับใจในการใช้งานเทคโนโลยีสุญญากาศที่หลากหลาย ในโพสต์บล็อกนี้ เราจะแบ่งปันภาพรวมเกี่ยวกับการพัฒนาในอดีต หลักการพื้นฐานต่างๆ ที่สนับสนุนการสร้างฟิล์มบาง และรูปแบบทั่วไปของอุปกรณ์เคลือบผิว
ฟิล์มบางคืออะไร
ฟิล์มบางๆ เป็นชั้นวัสดุบนพื้นผิวที่มีความหนาน้อยกว่านาโนเมตรถึงไมโครเมตร มีหลายเหตุผลในการเคลือบอุปกรณ์ด้วยฟิล์มบาง ๆ ต่อไปนี้คือตัวอย่างเพียงเล็กน้อย
- ฟิล์มป้องกันเพื่อป้องกันการกัดกร่อน
- ชั้นตกแต่งบนเครื่องประดับหรืออุปกรณ์ในห้องน้ํา
- การป้องกันการสึกหรอบนเครื่องมือ
- หลายชั้นเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเชิงแสงของเลนส์สายตา
- การผลิตเซมิคอนดักเตอร์หรือโซลาร์เซลล์
- การผลิตแผงสัมผัส
- หน้าจอด้านบนในอุตสาหกรรมยานยนต์
- กระจกของหลอดไฟสะท้อนแสง
- ฟอยล์บรรจุภัณฑ์เพื่อการเก็บรักษาความสด
- กระจกสถาปัตยกรรมสําหรับฉนวนกันความร้อน
- การส่องกล้อง
รายการนี้ไม่ได้ครอบคลุมทั้งหมด และแอปพลิเคชันใหม่ๆ กําลังเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง
ประวัติของเทคโนโลยีการเคลือบผิว
แม้ว่าจะเป็นวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่น่าตื่นเต้นและกําลังเติบโตในปัจจุบัน แต่ก็มีต้นกําเนิดมาจากการทดลองที่เกิดขึ้นเมื่อกว่า 150 ปีที่แล้ว เมื่อ W.R. Grove สังเกตเห็นผลกระทบจากการสปัตเตอร์เป็นครั้งแรกในปี 1852 และ Michael Faraday สํารวจการระเหยของอาร์คที่ทําให้เกิดฟิล์มในปี 1857
ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ได้มีการศึกษาพื้นฐานของเทคนิคการเคลือบผิวที่แตกต่างกัน และผลิตภัณฑ์เคลือบผิวในเชิงพาณิชย์ชิ้นแรก เช่น ตัวสะท้อนแสงอะลูมิเนียมหรือตัวต้านทานฟิล์มบาง ถูกนําเข้าสู่ตลาดในทศวรรษ 1930 หลังจาก WW2 เทคโนโลยีก็เติบโตขึ้น
สภาวะสุญญากาศสําหรับเทคโนโลยีฟิล์มบาง
ปัจจุบันเราแตกต่างเทคนิคต่างๆ ที่ใช้ในการสะสมชั้นฟิล์มบาง ๆ บนซับสเตรตเป็นการสะสมด้วยไอทางกายภาพ (PVD) หรือการสะสมชั้นเคมี (CVD) สุญญากาศมีบทบาทสําคัญใน PVD ซึ่งต้องใช้สุญญากาศสูง สุญญากาศยังเป็นส่วนหนึ่งของการใช้งาน CVD ส่วนใหญ่อีกด้วย
เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดคือการระเหยด้วยความร้อน วัสดุจะหลอมเหลวและระเหยที่อุณหภูมิสูง และไอระเหยจะสะสมบนเป้าหมาย อุณหภูมิที่ต้องการสามารถดูได้จากกราฟที่แสดงด้านล่าง
ความดันไอน้ําอิ่มตัวของโลหะต่างๆ
การระเหยสามารถทําได้โดยการให้ความร้อนลวดด้วยไฟฟ้าหรือการสะสมในถ้วยใส่ตัวอย่างของวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงขึ้นอย่างมาก อีกวิธีหนึ่งคือการหลอมเหลวโดยใช้ลําแสงอิเล็กตรอน
ในทั้งสองกรณี จําเป็นต้องใช้สุญญากาศสูง 10-07 ถึง 10-05 mbar ในระหว่างกระบวนการเคลือบผิว ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของห้องสุญญากาศและคุณภาพของชั้นที่ต้องการ เพราะเหตุใด
เพื่อให้แน่ใจว่าเส้นทางอิสระเฉลี่ยของอะตอมที่ระเหยยาวนานกว่าระยะทางจากแหล่งกําเนิดไปยังเป้าหมาย ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าอะตอมจะมาถึงโดยไม่มีการกระจายตัวของโมเลกุลก๊าซที่ตกค้างอยู่
เพื่อให้พื้นผิวสะอาด มิฉะนั้นอะตอมที่ระเหยจะไม่ยึดเกาะได้ดีและจะก่อตัวเป็นชั้นที่ไม่เสถียร
อีกวิธีหนึ่งในการเคลือบตัวอย่างคือการสปัตเตอร์ การสะสมด้วยสปัตเตอร์ใช้วัสดุเป้าหมายที่ถูกทําลายด้วยไอออนที่เร่งออกจากพลาสมา ก๊าซพลาสมาที่ใช้บ่อยที่สุดคืออาร์กอน อะตอมของอาร์กอนไอออนสปัตเตอร์ของวัสดุเป้าหมายที่เคลือบซับสเตรต เนื่องจากพลังงานที่สูงกว่าของอะตอมที่ถูกสปัตเตอร์ จึงยึดเกาะได้ดีกว่าเมื่อนําไปใช้ผ่านการระเหยด้วยความร้อน อย่างไรก็ตาม การสะสมของสปัตเตอร์ต้องอาศัยวิศวกรรมระบบที่ครอบคลุมมากขึ้นในการทํางานภายใต้สภาวะสุญญากาศ ในขณะที่กระบวนการสปัตเตอร์ที่ใช้พลาสมาอาร์กอนทํางานที่แรงดันสูงกว่า 5 x 10-04 (และสูงถึง 1 x 10-02) mbar จําเป็นต้องมีแรงดันสูงสุดในช่วง 10-06 mbar สําหรับการทําความสะอาดและเพื่อให้แน่ใจถึงความบริสุทธิ์ของแต่ละชั้น
บทความที่เกี่ยวข้อง
