Goud- (Au)- en koper- (Cu)-films vertonen vaak een slechte hechting wanneer ze rechtstreeks op glas, kwarts of silicium worden afgezet. Daarom wordt gewoonlijk eerst een dunne chroom (Cr)-adhesielaag afgezet om de hechting en betrouwbaarheid van de coating te verbeteren.
Dus waarom maakt zo’n dunne laag zo’n verschil?
Waarom hebben goud- en koperfilms de neiging om af te pellen?
De oppervlakken van glas, kwarts en silicium zijn chemisch stabiel, waardoor het voor veel metalen moeilijk is om sterke bindingen met deze substraten te vormen. Wanneer goud of koper rechtstreeks op deze materialen wordt afgezet, is de film vaak voornamelijk afhankelijk van zwakke fysieke interacties aan het grensvlak in plaats van sterke chemische binding. Als gevolg hiervan kan de coating afbladderen, barsten of delamineren tijdens thermische cycli, in blokjes snijden, verpakken of andere post-depositieprocessen.
Het verschil komt voort uit de eigenschappen van de metalen zelf.
- Goudis een zeer inert edelmetaal met een zeer lage affiniteit voor zuurstof. In plaats van zich te hechten aan het oxide{1}}rijke oppervlak van glas of silicium, hebben goudatomen de neiging zich aan elkaar te hechten. Dit beperkt de hechting tussen de afgezette film en het substraat.
- Koper is chemisch actiever dan goud, maar vormt onder typische afzettingsomstandigheden ook een relatief zwakke grensvlakbinding met glas of siliciumoxide. Om deze reden hebben koperfilms vaak een adhesielaag nodig wanneer ze op oxide-gebaseerde substraten worden afgezet.
Daarom wordt chroom veel gebruikt als hechtlaag. Gepositioneerd tussen het substraat en de functionele metaalfilm, creëert het een stabieler grensvlak en verbetert het de hechting van de coating aanzienlijk.
Hoe verbetert chroom de hechting?
Chroom wordt vaak omschreven als een hechtlaag, maar het werkt niet als een conventionele lijm. In plaats daarvan creëert het een stabieler grensvlak tussen het substraat en de functionele metaalfilm, waardoor de coating beter kan hechten.
-
Hechting aan het substraat
Chroom is chemisch reactiever dan metalen zoals goud of koper. Tijdens de afzetting interageert het gemakkelijk met zuurstof op het oppervlak van glas, siliciumoxide en veel keramische substraten, waardoor een dunne grenslaag van chroomoxide (Cr₂O₃) ontstaat. Deze laag versterkt de verbinding tussen de coating en de ondergrond, waardoor een stabiele basis ontstaat voor de daarboven afgezette lagen.
-
Hechting aan functionele metalen
Naast een goede hechting met het substraat, vormt chroom ook een stabiel grensvlak met metalen zoals goud, koper en nikkel. Als gevolg hiervan bestaat een typische dunne-filmstructuur uit drie lagen:
Substraat → Chroomhechtlaag → Functionele metaalfilm
De chroomlaag dient als overgangslaag tussen het substraat en de functionele coating, waardoor de algehele hechting van het filmsysteem wordt verbeterd.
-
Dun maar effectief
Meestal is er alleen een chroomhechtlaag5–20 nmdik. Ondanks de kleine dikte kan het de hechting van de coating aanzienlijk verbeteren zonder de elektrische geleidbaarheid, optische eigenschappen of andere functionele kenmerken van de metaalfilm merkbaar te beïnvloeden. Dit is een van de redenen waarom chroom een van de meest gebruikte adhesie-laagmaterialen blijft bij dunne- filmafzetting.
Waar wordt chroom gebruikt als hechtlaag?
Vanwege het vermogen om de hechting aan het grensvlak te verbeteren, wordt chroom veel gebruikt bij dunnefilmafzetting- in een verscheidenheid aan industrieën. Typische toepassingen zijn onder meer:
- Goudfilms op glassubstraten
- Koperverbindingen op siliciumwafels
- Optische coatings en reflecterende films
- MEMS-apparaten
- Metallisatie van halfgeleiders
- Sensorelektroden
- OLED- en weergavetechnologieën
Bij de meeste dunnefilmtoepassingen fungeert chroom als onderlaag in plaats van als uiteindelijke functionele coating.
Hoe wordt chroom gebruikt bij vacuümafzetting?
Bij thermische verdamping en verdamping met elektronenstralen wordt chroom gewoonlijk geleverd als bronmateriaal voor dunnefilmafzetting. Afhankelijk van het verdampingssysteem en de procesvereisten is het verkrijgbaar in verschillende vormen, waaronder pellets, stukken en staven.Chroompelletsworden veel gebruikt in laboratorium- en industriële coatingsystemen omdat ze gemakkelijk te laden zijn en een stabiele verdamping bieden.
Voor magnetronsputteren en andere PVD-processen wordt chroom geleverd alsChroomsputterdoelen. De keuze voor chroommateriaal is afhankelijk van het depositieproces en de apparatuur.
Procestips
Houd de chroomlaag dun
Een chroomadhesielaag is doorgaans slechts enkele nanometers dik. Overmatige dikte kan de filmspanning verhogen en, bij optische coatings, de lichttransmissie verminderen.
Stort zonder het vacuüm te verbreken
Indien mogelijk de chroomlaag en de functionele metaallaag binnen dezelfde vacuümcyclus afzetten. Blootstelling aan lucht kan het chroomoppervlak oxideren en de hechtingsprestaties ervan verminderen.
Gebruik hoog-zuiver chroom
De kwaliteit van het verdampingsmateriaal beïnvloedt de consistentie van de coating. Hoog-zuivere chroommaterialen met lage onzuiverheidsniveaus helpen de processtabiliteit te verbeteren en het risico op verontreiniging tijdens afzetting te verminderen.
Conclusie
Hoewel slechts enkele nanometers dik, speelt een chroomadhesielaag een sleutelrol bij het verbeteren van de betrouwbaarheid van coatings. Of het nu gaat om de productie van halfgeleiders, optische coatings of onderzoekstoepassingen: het selecteren van het juiste chroommateriaal is een belangrijk onderdeel van het bereiken van betrouwbare dunne-filmprestaties.