Principi del recobriment per evaporació al buit
1. Equipament i procés físic de recobriment per evaporació al buit
L'equip de recobriment per evaporació al buit es compon principalment d'una cambra de buit i un sistema d'evacuació. Dins de la cambra de buit, hi ha una font d'evaporació (és a dir, un escalfador d'evaporació), un substrat i un marc de substrat, un escalfador de substrat, un sistema d'escapament, etc.
El material de recobriment es col·loca a la font d'evaporació de la cambra de buit i, en condicions d'alt buit, la font d'evaporació l'escalfa per evaporar-se. Quan el rang lliure mitjà de les molècules de vapor és més gran que la mida lineal de la cambra de buit, després que els àtoms i les molècules del vapor de la pel·lícula s'escapin de la superfície de la font d'evaporació, rarament es veuen impedits per la col·lisió d'altres molècules o àtoms i arriben directament a la superfície del substrat a recobrir. A causa de la baixa temperatura del substrat, les partícules de vapor de la pel·lícula es condensen sobre ell i formen una pel·lícula.
Per tal de millorar l'adhesió de les molècules d'evaporació i el substrat, el substrat es pot activar mitjançant un escalfament o una neteja iònica adequats. El recobriment per evaporació al buit passa pels següents processos físics, des de l'evaporació del material i el transport fins a la deposició en una pel·lícula.
(1) Mitjançant diverses maneres de convertir altres formes d'energia en energia tèrmica, el material de la pel·lícula s'escalfa per evaporar-se o sublimar-se en partícules gasoses (àtoms, molècules o cúmuls atòmics) amb una certa quantitat d'energia (de 0,1 a 0,3 eV).
(2) Les partícules gasoses surten de la superfície de la pel·lícula i es transporten a la superfície del substrat a una certa velocitat de moviment, essencialment sense col·lisió, en línia recta.
(3) Les partícules gasoses que arriben a la superfície del substrat es coalescen i nucleen, i després creixen formant una pel·lícula en fase sòlida.
(4) Reorganització o enllaç químic dels àtoms que formen la pel·lícula.
2. Escalfament per evaporació
(1) Evaporació per escalfament per resistència
L'evaporació per resistència és el mètode d'escalfament més senzill i utilitzat, generalment aplicable a materials de recobriment amb un punt de fusió inferior a 1500 ℃. Els metalls d'alt punt de fusió en forma de filferro o làmina (W, Mo, Ti, Ta, nitrur de bor, etc.) solen tenir una forma adequada de font d'evaporació, carregada amb materials d'evaporació, que es fonen, evaporen o sublimen a través de la calor Joule del corrent elèctric. La forma de la font d'evaporació inclou principalment espiral multifilament, en forma d'U, ona sinusoidal, placa fina, vaixell, cistella cònica, etc. Al mateix temps, el mètode requereix que el material font d'evaporació tingui un punt de fusió alt, una baixa pressió de vapor de saturació, propietats químiques estables, que no tingui reacció química amb el material de recobriment a alta temperatura, bona resistència a la calor, petits canvis en la densitat de potència, etc. Adopta un corrent elevat a través de la font d'evaporació per fer que s'escalfi i s'evapori el material de la pel·lícula mitjançant escalfament directe, o bé posa el material de la pel·lícula al gresol fet de grafit i certs òxids metàl·lics resistents a altes temperatures (com ara A202, B0) i altres materials per a un escalfament indirecte per evaporar-los.
El recobriment per evaporació per resistència té limitacions: els metalls refractaris tenen una baixa pressió de vapor, cosa que fa difícil fer una pel·lícula fina; alguns elements són fàcils de formar un aliatge amb el fil calefactor; no és fàcil obtenir una composició uniforme de la pel·lícula d'aliatge. A causa de l'estructura senzilla, el baix preu i el fàcil funcionament del mètode d'evaporació per resistència, és una aplicació molt comuna del mètode d'evaporació.
(2) Evaporació per escalfament per feix d'electrons
L'evaporació per feix d'electrons és un mètode d'evaporació del material de recobriment bombardejant-lo amb un feix d'electrons d'alta densitat d'energia col·locant-lo en un gresol de coure refrigerat per aigua. La font d'evaporació consisteix en una font d'emissió d'electrons, una font d'energia d'acceleració d'electrons, un gresol (normalment un gresol de coure), una bobina de camp magnètic i un conjunt d'aigua de refrigeració, etc. En aquest dispositiu, el material escalfat es col·loca en un gresol refrigerat per aigua i el feix d'electrons només bombardeja una porció molt petita del material, mentre que la major part del material restant roman a una temperatura molt baixa sota l'efecte de refrigeració del gresol, que es pot considerar com la porció bombardejada del gresol. Així, el mètode d'escalfament per feix d'electrons per evaporació podria evitar la contaminació entre el material de recobriment i el material font d'evaporació.
L'estructura de la font d'evaporació de feix d'electrons es pot dividir en tres tipus: canons rectes (canons Boules), canons d'anell (desviats elèctricament) i canons electrònics (desviats magnèticament). Es poden col·locar un o més gresols en una instal·lació d'evaporació, que pot evaporar i dipositar moltes substàncies diferents simultàniament o per separat.
Les fonts d'evaporació per feix d'electrons tenen els següents avantatges.
①L'alta densitat de feix de la font d'evaporació per bombardeig de feix d'electrons pot obtenir una densitat d'energia molt més gran que la font d'escalfament per resistència, que pot evaporar materials d'alt punt de fusió, com ara W, Mo, Al2O3, etc.
② El material de recobriment es col·loca en un gresol de coure refrigerat per aigua, que pot evitar l'evaporació del material font d'evaporació i la reacció entre ells.
③ Es pot afegir calor directament a la superfície del material de recobriment, cosa que fa que l'eficiència tèrmica sigui alta i la pèrdua de conducció de calor i radiació de calor baixa.
El desavantatge del mètode d'evaporació per escalfament per feix d'electrons és que els electrons primaris del canó d'electrons i els electrons secundaris de la superfície del material de recobriment ionitzaran els àtoms que s'evaporen i les molècules de gas residuals, cosa que de vegades afectarà la qualitat de la pel·lícula.
(3) Evaporació per escalfament per inducció d'alta freqüència
L'evaporació per escalfament per inducció d'alta freqüència consisteix a col·locar el gresol amb material de recobriment al centre de la bobina espiral d'alta freqüència, de manera que el material de recobriment generi un fort corrent de Foucault i un efecte d'histèresi sota la inducció d'un camp electromagnètic d'alta freqüència, cosa que fa que la capa de pel·lícula s'escalfi fins que s'evapori i s'evapori. La font d'evaporació generalment consisteix en una bobina d'alta freqüència refrigerada per aigua i un gresol de grafit o ceràmica (òxid de magnesi, òxid d'alumini, òxid de bor, etc.). La font d'alimentació d'alta freqüència utilitza una freqüència de deu mil a diversos centenars de milers de Hz, la potència d'entrada és de diversos a diversos centenars de quilowatts, com més petit sigui el volum del material de la membrana, més alta serà la freqüència d'inducció. La freqüència de la bobina d'inducció sol estar feta de tub de coure refrigerat per aigua.
El desavantatge del mètode d'evaporació per escalfament per inducció d'alta freqüència és que no és fàcil ajustar amb precisió la potència d'entrada, però té els següents avantatges.
①Alta taxa d'evaporació
② La temperatura de la font d'evaporació és uniforme i estable, de manera que no és fàcil produir el fenomen de les esquitxades de gotes de recobriment i també pot evitar el fenomen dels forats a la pel·lícula dipositada.
③ La font d'evaporació es carrega una vegada i la temperatura és relativament fàcil i senzilla de controlar.
Data de publicació: 28 d'octubre de 2022