December 11, 2017
Anwendungen der Vakuumbeschichtung
------------durch Donald M. Mattox, SVC technischer Direktor
Einleitung
Vakuum ist eine Umwelt, in der der Gasdruck kleiner ist, als das umgebend. Ein Plasma ist eine gasförmige Umwelt, in der es genügende Ionen und Elektronen gibt, damit beträchtliche elektrische Leitfähigkeit sind. Vakuumbeschichtung ist- die Absetzung eines Filmes oder der Beschichtung in einer Vakuum-(oder Unterdruckplasma) Umwelt. Im Allgemeinen wird der Ausdruck an den Prozessen angewendet, die Atome (oder Moleküle) einzeln wie körperliches Bedampfen (PVD) oder chemische Unterdruckprozesse des Bedampfens (LP-CVD) oder Plasma-erhöhter CVD (PECVD) niederlegen. In PVD-Prozessen kommt das Material, das niedergelegt wird, von der Verdampfung einer festen oder flüssigen Oberfläche. In CVD-Prozessen kommt das Material, das niedergelegt wird, von den Spezies eines Chemikaliendampf-Vorläufers, das durch Reduzierung oder thermische Aufspaltung-größtenteils auf einer heißen Oberfläche zerlegt wird.
In einigen Fällen reagiert das Material, das niedergelegt wird, mit der gasförmigen Umwelt oder codeposited Spezies, um einen Film eines Verbundmaterials wie ein Oxid, ein Nitrid, Karbid oder ein Karbonitrierung zu bilden. In CVD, der verarbeitet, lässt der Gebrauch eines Plasmas, den chemischen Dampfvorläufer in der Dampfphase zu zersplittern die Aufspaltungs- oder Reduzierungsprozesse bei den niedrigeren Temperaturen als mit der thermischen alleinaktivierung fortfahren. PECVD kann mit dem Druck durchgeführt werden, der wie die so niedrig ist, die in verarbeitendem PVD verwendet werden (Unterdruck-PECVD, LP-PECVD), wo der Vorläuferdampf hauptsächlich im Plasma zerlegt wird. In einigen Fällen wird ein hybrider Absetzungsprozeß von PVD und von LP-PECVD verwendet, um Legierungen, Zusammensetzungen oder Mittel niederzulegen. Ein Beispiel ist Metall karbonitriert, wo der Kohlenstoff von einem chemischen Dampfvorläufer wie Acetylen kommt; der Stickstoff kommt von einem Gas; und das Metall von der Verdampfung, vom Spritzen oder von der Bogenverdampfung einer festen oder flüssigen Oberfläche.
Elektrisch leitfähige Filme
Metallfilme sind- die allgemeinsten elektrischen Leiterfilme. Metallfilme wird benutzt möglicherweise als „umfassende“ Aufdampfen oder kann in getrennte Strombänder („Streifen“) indem man das Substrat während der Absetzung gebildet werden oder durch folgende photolithographische Ätzverfahren maskiert. Strombänder werden in der Technologie des hybriden Mikrokreislaufs und in der Fertigung von Halbleiterbauelementen benutzt. Häufig sind die elektrischen Leiter mehrschichtige Filme (Stapel) wo jede Schicht eine Funktion hat. Zum Beispiel hätte möglicherweise der Leiterfilmstapel die Zusammensetzung: Glas-Ti-PD-Cuau. Titan-(Ti) ist die „Kleber“ Schicht, liefert das Palladium (Pd) Korrosionsbeständigkeit, ist kupferne (Cu) ein elektrischer Leiter, und das Gold (Au) bietet Korrosionsschutz. Niedergelegtes Metallleiter „in den vias“ werden benutzt, wenn man herstellt elektrische Kontakte zwischen verschiedenen Schichten bei der Halbleiterbauelementherstellung. Umfassendes Aufdampfen wird verwendet, um elektromagnetische Störung (EMI) zur Verfügung zu stellen und Hochfrequenzstörung (RFI), das abschirmt auf Strukturen wie den Kunststoffkoffern für Mobiltelefone, Elektroden für die steifen und flexiblen Kondensatorelektroden und die Oberflächen für Radar „Spreu.“
Asphaltieren Sie Nitrid, Karbid und Silicidfilme sind im Allgemeinen elektrisch leitfähig (Si3 N4 und AlN sind wichtige Ausnahmen). In einigen Anwendungen werden Filme dieser refraktären Materialien benutzt, um Diffusionssperren zwischen Materialien zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel im Halbleiteraufdampfen, diffundieren Aluminium oder Goldelektrodenmaterial in das Silikon während der Hochtemperaturverarbeitung. Ein elektrisch leitfähiger Titannitridfilm, der auf der Silikonoberfläche niedergelegt wird, bevor die Metallelektrode niedergelegt wird, verhindert die Diffusion. Stabile, elektrisch leitfähige, sperrfreie, Metallhalbleiterkontakte der Erzeugung von Metallen oder Metallsilicidmittel ist- ein wichtiger Aspekt der Halbleiterbauelementherstellung. Metallnitride wie Tantalnitrid (TaN) werden als dünne Schichtwiderstandmaterialien benutzt. Undurchsichtige elektrisch leitfähige Oxide wie Chromtrioxid (Cr2 O3), Bleiweiß (PbO) und Rutheniumsauerstoff (RuO) werden als Elektroden in den Hochtemperaturoxydierungsatmosphären benutzt.
Supraleiter sind Materialien, die nah an null elektrischer Widerstandskraft unterhalb irgendeiner kritischer Temperatur (Tc) haben. Niedrig- Tc (kleiner als [<>c (, das als [>] K) Material des Supraleiters 50 ist eine größer ist, Mischung von Oxiden (Oxide des Yttrium-Wismutkupfers [Y-Bi-Cu], YBCO). Dünnfilme hoch- Supraleiters Tc werden häufig durch Laser-Entfernung im Vakuum niedergelegt.
Transparente elektrische Leiter
Transparente leitfähige Oxid (TCO)-Filme, wie Indiumtrioxyd (in2 O3), konservieren Dioxid (SnO2), Zinkoxid (ZnO) und eine Legierung des Indiumoxids und Zinnoxid (ITO), haben zahlreiche Anwendungen wie Heizungen auf Fenstern für die Entfrostung, Antistatikanstriche auf Bildschirmen, Elektroden auf Flachbildschirmanzeigen und Elktrochromgeräte und Elektroden auf flexiblem (widerstrebender Schirm) und steife Touch Screens (des kapazitiven Schirmes). Elektrische Widerstandskraft für die TCO-Filme kann von größer als 1.000 Ohm pro „Quadrat“ zu weniger als 10 Ohm pro Quadrat mit guter Lichtwellenleiterübertragung schwanken.
Elektrische Isolatoren
Elektrisch isolierende Filme werden benutzt, um Leitkomponenten in den Halbleiterbauelementen und als Nichtleiter innerhalb der Kondensatoren elektrisch zu lokalisieren. Allgemeine Isolatorfilmmaterialien sind Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumtrioxyd (Al2 O3), Tantalpentoxid (Ta2 O5), Silikonnitrid (Si3 N4) und Aluminium-Nitrid (AlN). Das Dazwischenkommen einer dünnen Oxidschicht zwischen einem Metallschicht- und einem Halbleiter erlaubt die Bildung des technologisch wichtigen Metall-Oxidhalbleiter (MOS)-Gerätes. Starke Beschichtungen von SiO2, mit seinem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, können Rf sein spritzen niedergelegt. Isolierschichten SiO2, Silikonnitrid (Si2 N3) und Glas werden durch PECVD für Verkapselung und Dämmschichten bei der Halbleiterverarbeitung niedergelegt.
Optische Filme
Optische Filme, normalerweise mehrschichtige Filme („Stapel“), sind Filme, die die Lichtwellenleiterübertragung oder die Reflexion einer Oberfläche beeinflussen. Sie wechseln im Allgemeinen Schichten Materialien ab, die Hoch (Germanium [GE] haben, Si, TiO2, Zirkoniumdioxid [ZrO2], SiO, Cerdioxid [CEO2]) und Brechungsindexe des Tiefs (Magnesiumfluorid [MGF2], SiO2). Eine bedeutende Anwendung ist die Antireflektions-(AR)-Beschichtungen auf Linsen. Optische Filmstapel können als optische Filter benutzt werden. Neutrale Dichte oder Graufilter verringern die Lichtstärke gleichmäßig für alle Wellenlängen; Breitbandfilter beeinflussen das Getriebe der Strahlung über einem breiten Wellenlängenbereich, während schmale oder einfarbige Filter Getriebe über einem sehr schmalen Wellenlängenbereich beeinflussen. Ein Beispiel eines Breitbandfilters ist ein „Kantenfilter“ dem ultraviolette (UV) „abschneiden“, das durch eine Quecksilberdampflampe ausgestrahlt wird. Beispiele von Schmalbandfiltern sind die Farbfilter, die in der Fotografie und in den Projektoren benutzt werden.
Einige Filmstapel sind eine spezielle Art optischer Film, der eine Farbe hat, die mit der Winkel-vonbeobachtung (OVIDs) zusammenhängt. Diese Filme erlauben ganz eigenhändig geschrieb ähnliche Darstellung. Diese OVID-Filme werden als Arten der Sicherheitsleistung benutzt, um Fälschung zu verhindern. Diese Filme sind ein Ergebnis der Störung-farbigen Filme, die für dekorative Filme benutzt werden und, wenn sie pulverisiert werden, als Pigmente.
Thermische Steuerbeschichtungen
Die Zusammensetzung der thermischen Steuerbeschichtungen auf Fenstern unterscheidet sich mit dem gewünschten Endergebnis. Wenn der Gegenstand, Sonnenstrahlung vom Hereinkommen durch das Fenster zu halten ist, ein mehrschichtiger Film von Glas-TiO2 - Cr-TiO2 wird benutzt möglicherweise (Solarsteuerbeschichtung). Wenn der Gegenstand, Hitze im Raum zu halten ist, kann ein Dünnfilm des Silbers benutzt werden, um 85% bis 95% der niedrigtemperaturinfrarotstrahlung zurück in den Raum (niedrig--e Beschichtung) zu reflektieren. Eine solche „doppel--e Beschichtung“ ist Glas-ZnOaG (Ti) - ZnO-AG (Ti) - ZnO-TiO2. Der ZnO stellt eine antireflective Beschichtung zur Verfügung.
Andere Arten thermische Steuerbeschichtungen werden, um Sonnenstrahlung (Solarabsorber) zu absorbieren, selektiv Sonnenstrahlung und Infrarotstrahlung (selektive Solarabsorber) nicht auszustrahlen, benutzt oder ein hohes Emissionsvermögen zu haben adsorbieren, zum des Abkühlens durch Strahlung zu erhöhen. Beschichtungen der thermischen Sperre werden benutzt, um den thermischen Transport von einer heißen Umwelt auf dem Substrat zu verringern. Das Zirkoniumoxid (ZrO2) stabilisiert mit Calciumoxid (CaO), MgO oder Y2 O3 wird als Beschichtung der thermischen Sperre auf Flugzeugmotor-Turbinenschaufeln benutzt.
Reflektor-Beschichtungen
Metallfilme sind- für Reflektoroberflächen weit verbreitet. Silber ist, wenn Korrosion kein Problem ist, wie für Zurückoberflächenspiegel häufig benutzt. Aluminium kann entweder als Vorderoberfläche oder Zurückoberflächenreflektor verwendet werden. Häufig sind aluminisierte Vorderoberflächenreflektoren, wie Scheinwerferreflektoren, über überzogenem mit einem schützenden Polymerfilm (Deckschicht). Chrom wird auf Vorderoberflächenreflektoren benutzt, wenn Korrosion ein Problem ist, obwohl sein Reflexionsvermögen im sichtbaren (60%) kleiner als das des Aluminiums ist (> 90%). Reflektorfilme werden in den zahlreichen allgemein angetroffenen Anwendungen, wie auf CDs für Video- und Musikspeicher, Lampenreflektoren und Sichtspiegel wie die Rückspiegel für Autos benutzt. Die in einigen Fällen mehrschichtigen Filme, die mehrschichtigen optischen Filmen ähnlich sind, werden benutzt, um bestimmte Wellenlängen und nicht andere selektiv zu reflektieren. Beispiele sind „Kaltlichtspiegel“, die die sichtbare Strahlung aber nicht die Infrarotwellenlängen reflektieren und „Spiegel“ erhitzen, die das Infrarot aber nicht das sichtbare reflektieren. Hitzespiegel werden benutzt, um die interne Temperatur von Halogenlampen anzuheben. Kaltlichtspiegel werden benutzt, um die Hitze der Stadiumsbeleuchtung auf Schauspielern zu verringern.
Verpacken
Sperrenbeschichtungen werden auf flexiblen Polymerfilmen und -papier benutzt, damit das Verpacken der Lebensmittel die Wasserdampfübertragungsrate (WVTR) und die Sauerstoffübertragungsrate (OTR) durch den Papier- oder Polymerfilm verringert. Das allgemeinste Sperrenbeschichtungsmaterial ist Aluminium, das auf Rollen des Polymerfilmes (Netz) niedergelegt wird, dann geliefert an „Konverter“ wer das Verpacken fabrizieren. In einigen Fällen werden die Metallbeschichtungen auf einer Oberfläche niedergelegt und dann „übertragen“ auf die Verpackungsfolie. Transparente Sperrenbeschichtungen sind in vielen Fällen wünschenswert. Schichten von SiO2-x, durch reagierende Verdampfung und PECVD und zusammengesetzte Beschichtungen von SiO-2:30% Al2 O3 durch E-Strahlnmitverdampfung werden verwendet, um transparente Sperrschichten zu bilden. Das zusammengesetzte Beschichtungsmaterial ist dichter und flexibel als das niedergelegte Material SiO2 oder des Als2 O3 allein. Aluminiumfilme werden auf Helium-gefüllten Ballonen des Polymers benutzt, um den Verlust des Heliums zu verringern.
Dekorative und dekorative/Abnutzungs-Beschichtungen
Aufdampfen zu den ausschließlich dekorativen Zwecken ist ein großer Markt. Anwendungen schwanken vom Beschichtungspolymer, Netz-die dann in dekorativen Gebrauch wie Ballone umgewandelt werden und Aufkleber-zum Aufdampfen von dreidimensionalen Artikeln, wie Sporttrophäen, Zink Form und geformte dekorative Befestigungen des Polymers stirbt, und von den kosmetischen Behältern. Häufig bestehen diese Beschichtungen aus einer reflektierenden Aluminiumbeschichtung, die auf einem glatten Basislack, dann über überzogenem mit einem gefärbten Lack niedergelegt wird, um der Beschichtung die gewünschte Farbe und zu masern und auch Korrosion und Verschleißfestigkeit zu geben.
In einigen Anwendungen zusätzlich zu den dekorativen Aspekten der Beschichtung, wird die Beschichtung angefordert, um Abnutzung zu widerstehen. Zum Beispiel ist Titannitrid (TiN) das gefärbte Gold, und Titan karbonitrieren (der TicxNy) kann in Farbe von Gold zu Purpur schwanken, um abhängig von der Zusammensetzung zu schwärzen. Zirkoniumnitrid (ZRN) hat die Farbe des Messings und ist viel mehr Abnutzung und Kratzer, die beständig sind als Messing. Dekorative/Abnutzungsbeschichtungen werden auf Tür-Hardware, Klempnerarbeitbefestigungen, Modeeinzelteilen, Marine-Hardware und anderen solchen Anwendungen benutzt.
Harte und haltbare Beschichtungen
Harte Beschichtungen werden häufig metallurgische Beschichtungen genannt und sind eine Art tribologische Beschichtung. Die harten Beschichtungen werden, um die Ausschnitt-Leistungsfähigkeit und das Betriebsleben von Schneidwerkzeugen zu erhöhen benutzt und die Maßtoleranzen von den Komponenten beizubehalten, die in den Anwendungen benutzt werden, in denen Abnutzung auftreten kann, wie Spritzen. Darüber hinaus können die Beschichtungen als eine Diffusionssperre, in der auftreten hohe Temperaturen durch Bewegung zwischen Oberflächen oder Korrosionsschutz in der aggressiven Umwelt erzeugt werden. Es gibt verschiedene Klassen von harten Beschichtungsmaterialien. Sie schließen ein: ionically verbundene Metalloxide (Al2 O3, ZrO2 und TiO2), kovalent verbundene Materialien (sic, karbonitrieren Borkohlenstoff [B4C], Diamant, Diamant-wiekohlenstoff [DLC], Tic, AlN, zyklische Blockprüfung, Mischkarbid, Nitrid und Verbundlegierungen und Kubikbornitrid) und einige Metalllegierungen (Kobaltchrom-Aluminiumyttrium [CoCrAlY], Nial, NiCrBSi). In einigen Fällen werden die Beschichtungen möglicherweise überlagert, um Eigenschaften zu kombinieren.
Harte Beschichtungen auch werden benutzt, um Ermüdungabnutzung, wie herabzusetzen wird gefunden in den Kugellagern. Haltbare Beschichtungen auch werden an den Oberflächen angewendet möglicherweise, in denen es eine helle oder periodische Last gibt. Zum Beispiel werden harte Beschichtungen auf Plastik niedergelegt, um Kratzfestigkeit zu verbessern. Anwendungen sind auf geformten Kunststofflinsen und Plastikflugzeugüberdachungen. Tragen Sie in einigen Fällen Beschichtungen, wie SiO2, oder Al möglicherweise2 O3, wird an den bereits harten Oberflächen, wie Glas angewendet, um die Kratzfestigkeit zu erhöhen.
Elektrisch aktive Filme
Lackierte Silikonfilme werden in den Halbleiterbauelementen benutzt, und diese Filme häufig werden durch eine sehr hoch entwickelte genannte Molekularstrahlepitaxie PVD-Verdampfung Technik (MBE) oder eine CVD-Technik der Dampfphasenepitaxie (VPE) niedergelegt. Formloses Silikon für Solarzellen wird durch PECVD auf Netzen und steifen Substraten niedergelegt. Electochromic-Filme, die Lichtwellenleiterübertragung auf der Anwendung einer Spannung ändern, hängen von der Diffusion von bewegliche Spezies im Film unter einem elektrischen Feld ab. Filme eines Materials wie Selen können elektrisch aufgeladen werden, wenn sie Licht herausgestellt werden. Solche Filme werden benutzt, um den Toner in photokopierenden Maschinen zu halten.
Magnetische Speichermedien
Magnetische Materialien werden klassifiziert, wie „stark“ oder „weich“ abhängig von, wie stark es zu magnetisieren ist, entmagnetisieren Sie oder das Magnetfeld „schalten Sie“. Weiche magnetische Materialien, wie die Permalloys (Eisen [F.E.]: 40 bis 80% Ni) und F.E.5 O12 (Granat) y-2 werden in den Gedächtnisspeichergeräten benutzt, in denen die Daten häufig geändert werden. Harte magnetische Materialien wie Magnetit, Co: Ni: Wolfram [W], Co: Rhenium [bezüglich], Gadolinium [Gd]: Co und Gd: Terbium [TB]: F.E. werden in den dauerhafteren Aufnahmemedien wie Magnetbändern für Tonaufzeichnunge benutzt. Verschiedene Techniken werden verwendet, um die magnetischen Gebiete zu definieren, die als die Lagerstandorte auftreten.
Korrosions-schützende Beschichtungen
Schutz vor einer aggressiven chemischen Umwelt kann auf einige Arten vollendet werden. Die Oberfläche kann mit einem trägen Material oder mit einem Material beschichtet werden, das eine schützende Oberfläche bildet, nachdem es mit der Umwelt oder mit einem Material reagiert hat, das Opfer- entfernt wird, um das zugrunde liegende Material zu schützen. Tantal, Platin und Kohlenstoff sind in vieler chemischen Umwelt träge. Zum Beispiel werden Kohlenstoffbeschichtungen auf Metallen benutzt, die im menschlichen Körper eingepflanzt werden, um Kompatibilität zur Verfügung zu stellen. In den Luftfahrtindustrieteilen sind Aluminiumüberzogene durch den PVD-Prozess des Ionenbedampfens (IVD), damit galvanische Korrosion von unähnlichen Materialien im Kontakt zu verhindern.
Chrom, Aluminium, Silikon und die Legierungen MCrAlY (wo M Ni, Co, F.E. ist), reagieren mit Sauerstoff, um eine zusammenhängende schützende Oxidschicht auf der Oberfläche zu bilden. Wenn die Metallionen (F.E., Cu) schnell als der Sauerstoff durch das Oxid diffundieren, bildet sich ein starkes Oxid auf der Oberfläche. Wenn der Sauerstoff schnell durch das Oxid als die Metallionen (Al, Si-, Ti-, Zr-d„Ventil“ Metalle) diffundiert, tritt Oxidation an der Schnittstelle auf und ein dünnes Oxid wird gebildet. Die MCrAlY-Legierungsbeschichtungen werden als schützende Beschichtungen auf Flugzeugmotor-Turbinenschaufeln benutzt. Kadmium, Aluminium und Al: Znlegierungen werden als galvanische Opferbeschichtungen auf Stahl benutzt. Überzug des Vakuumkadmiums („VAC cad“) hat den Vorteil über galvanisiertem Kadmium in dem dort ist keine Möglichkeit der Wasserstoffversprödung des hochfesten Stahls, wenn die Bedampfenverarbeitung verwendet wird.
Fester Film-Schmiermittel/niedrig Reibungs-Beschichtungen
Die NASA ging mit dem Gebrauch der Vakuum-niedergelegten Dünnfilmfestschmierstoffe voran. Die Schmiermittel liegen bei zwei Arten: das Niedrigscherenmetall Schmiermittel-solches so silberne und Führung-und das blätterig-scherende Mittel, das wie Molybdändisulfid (MOS2) Material-solch ist. Die Niedrigscherenmetallschmiermittel werden in den drehmomentstarken Anwendungen wie den drehenden Anoden in den Röntgenröhren benutzt. Niedrig-Scherenverbundmaterialien werden in den Mechanischlageranwendungen im Vakuum benutzt und wo Schmiermittel „Ausdehnung“ ein Problem sein kann. Weil nur ein sehr Dünnfilm für Schmierung erforderlich ist, ergibt die Anwendung des Schmiermittelfilmes nicht signifikante Veränderungen von Maßen. Niedrige Reibungsbeschichtungen des Metall-enthaltenen Kohlenstoffs (ich-c) werden benutzt, um Abnutzung in den mechanischen Kontaktanwendungen zu verringern
Freistehende Strukturen
Freistehende Strukturen können gemacht werden, indem man eine Beschichtung auf einer Oberfläche (Dorn) niederlegt, dann die Beschichtung von der Dornoberfläche trennt oder den Dorn auflöst. Die Technik ist für die Fabrikation von sehr dünnen Strukturen, von komplexen Oberflächen oder von Folien oder von Blättern von Materialien nützlich, die hart, sich zu verformen sind, indem man rollt. Beispiele sind die Berylliumfenster, die für Röntgenstrahlgetriebe, Bordünnwandkegel für Hochfrequenzaudiosprecher- und Ti-V-Almetalllegierungsfolien benutzt werden. Eine verhältnismäßig Neuanmeldung ist die Produktion von microelectromechanical Geräten der Systeme (MEMS), in denen sehr kleine Strukturen unter Verwendung der Absetzung und der Ätzverfahren fabriziert werden.
Basislacke für die Galvanisierung
Materialien, die schwierig, wegen der schnellen Oxidbildung zu galvanisieren sind, können einen anhaftenden Basislack, der durch PVD-Prozesse angewendet werden und dann die Beschichtung haben, die durch galvanischen Niederschlag aufgebaut ist. Beispiele überziehen auf Titan, Uran und Zirkonium, in dem ein Basislack eines Materials wie Nickel oder Kupfer durch einen PVD-Prozess angewendet wird, bevor die galvanisierte Beschichtung aufgebaut wird.
Polymer-Filme
Erhöht Interesse, an, die organischen und anorganischen Polymerfilme im Vakuum niederzulegen. Diese Filme können durch Kondensation einer Monomere gebildet werden, die vom E-Strahl oder von UVkurieren, zum der Monomere zu polymerisieren oder von der Plasmapolymerisierung der Monomere gefolgt wird. Der Monomerevorläufer kann einen Kohlenstoff, ein Silikon oder Bor-ansässiges ein Polymermaterial erbringen, das häufig Wasserstoff, Chlor oder Fluor enthält. Fluorhaltige Filme werden benutzt, um hydrophobe Oberflächen zu bilden.
