Principio del recubrimiento por evaporación al vacío
1. Equipo y proceso físico del recubrimiento por evaporación al vacío
El equipo de recubrimiento por evaporación al vacío se compone principalmente de una cámara de vacío y un sistema de evacuación. Dentro de la cámara de vacío se encuentran la fuente de evaporación (es decir, el calentador de evaporación), el sustrato y su marco, el calentador del sustrato, el sistema de extracción, etc.
El material de recubrimiento se coloca en la fuente de evaporación de la cámara de vacío y, bajo condiciones de alto vacío, se calienta mediante dicha fuente para evaporarse. Cuando el área libre promedio de las moléculas de vapor es mayor que el tamaño lineal de la cámara de vacío, después de que los átomos y las moléculas del vapor de la película escapan de la superficie de la fuente de evaporación, rara vez se ven obstaculizados por la colisión con otras moléculas o átomos, y alcanzan directamente la superficie del sustrato a recubrir. Debido a la baja temperatura del sustrato, las partículas de vapor de la película se condensan sobre él y forman una película.
Para mejorar la adhesión entre las moléculas de evaporación y el sustrato, este último puede activarse mediante calentamiento adecuado o limpieza iónica. El recubrimiento por evaporación al vacío pasa por los siguientes procesos físicos: evaporación del material, transporte y deposición en forma de película.
(1) Utilizando diversas formas de convertir otras formas de energía en energía térmica, el material de la película se calienta para evaporarse o sublimarse en partículas gaseosas (átomos, moléculas o cúmulos atómicos) con una cierta cantidad de energía (0,1 a 0,3 eV).
(2)Las partículas gaseosas abandonan la superficie de la película y son transportadas a la superficie del sustrato a una cierta velocidad de movimiento, esencialmente sin colisión, en línea recta.
(3)Las partículas gaseosas que llegan a la superficie del sustrato se fusionan y nuclean, y luego crecen formando una película de fase sólida.
(4) Reorganización o enlace químico de los átomos que componen la película.
2. Calentamiento por evaporación
(1) Evaporación por calentamiento por resistencia
La evaporación por calentamiento por resistencia es el método de calentamiento más simple y comúnmente utilizado, generalmente aplicable a materiales de recubrimiento con un punto de fusión inferior a 1500 ℃, metales de alto punto de fusión en forma de alambre o lámina (W, Mo, Ti, Ta, nitruro de boro, etc.) generalmente se hacen en una forma adecuada de fuente de evaporación, se carga con materiales de evaporación, a través del calor Joule de la corriente eléctrica para fundir, evaporar o sublimar el material de recubrimiento, la forma de la fuente de evaporación incluye principalmente espiral de múltiples hebras, en forma de U, onda sinusoidal, placa delgada, bote, cesta cónica, etc. Al mismo tiempo, el método requiere que el material de la fuente de evaporación tenga un alto punto de fusión, baja presión de vapor de saturación, propiedades químicas estables, no tenga reacción química con el material de recubrimiento a alta temperatura, buena resistencia al calor, pequeño cambio en la densidad de potencia, etc. Adopta una alta corriente a través de la fuente de evaporación para hacer que caliente y evapore el material de la película por calentamiento directo, o coloca el material de la película en un crisol hecho de grafito y ciertos óxidos metálicos resistentes a altas temperaturas (como A202, B0) y otros materiales para calentamiento indirecto para evaporar.
El recubrimiento por evaporación mediante calentamiento por resistencia presenta limitaciones: los metales refractarios tienen baja presión de vapor, lo que dificulta la formación de películas delgadas; algunos elementos tienden a formar aleaciones con el hilo calefactor; y no es fácil obtener una composición uniforme de la película de aleación. Sin embargo, debido a su estructura simple, bajo costo y fácil operación, el método de evaporación por calentamiento por resistencia es una aplicación muy común.
(2) Evaporación por calentamiento con haz de electrones
La evaporación por haz de electrones es un método para evaporar el material de recubrimiento bombardeándolo con un haz de electrones de alta densidad energética en un crisol de cobre refrigerado por agua. La fuente de evaporación consta de una fuente de emisión de electrones, una fuente de aceleración de electrones, un crisol (generalmente de cobre), una bobina de campo magnético y un sistema de refrigeración por agua, entre otros componentes. En este dispositivo, el material calentado se coloca en el crisol refrigerado por agua, y el haz de electrones bombardea solo una pequeña porción del material, mientras que la mayor parte del material restante permanece a una temperatura muy baja bajo el efecto de enfriamiento del crisol, lo que se considera la porción bombardeada del mismo. De esta manera, el método de calentamiento por haz de electrones para la evaporación evita la contaminación entre el material de recubrimiento y el material de la fuente de evaporación.
La estructura de la fuente de evaporación por haz de electrones se puede dividir en tres tipos: cañones rectos (cañón Boules), cañones anulares (con desviación eléctrica) y cañones electrónicos (con desviación magnética). En una instalación de evaporación se pueden colocar uno o más crisoles, que permiten evaporar y depositar diversas sustancias de forma simultánea o individual.
Las fuentes de evaporación por haz de electrones presentan las siguientes ventajas.
①La alta densidad del haz de la fuente de evaporación por bombardeo de electrones puede obtener una densidad de energía mucho mayor que la fuente de calentamiento por resistencia, que puede evaporar materiales de alto punto de fusión, como W, Mo, Al2O3, etc.
②El material de recubrimiento se coloca en un crisol de cobre refrigerado por agua, lo que puede evitar la evaporación del material fuente de evaporación y la reacción entre ellos.
③El calor se puede agregar directamente a la superficie del material de recubrimiento, lo que hace que la eficiencia térmica sea alta y la pérdida de calor por conducción y radiación de calor sea baja.
La desventaja del método de evaporación por calentamiento con haz de electrones es que los electrones primarios del cañón de electrones y los electrones secundarios de la superficie del material de recubrimiento ionizan los átomos que se evaporan y las moléculas de gas residual, lo que a veces afecta la calidad de la película.
(3) Evaporación por calentamiento por inducción de alta frecuencia
La evaporación por calentamiento por inducción de alta frecuencia consiste en colocar el crisol con el material de recubrimiento en el centro de una bobina espiral de alta frecuencia, de modo que el material de recubrimiento genere fuertes corrientes parásitas y un efecto de histéresis bajo la inducción de un campo electromagnético de alta frecuencia, lo que provoca que la capa de película se caliente hasta vaporizarse y evaporarse. La fuente de evaporación generalmente consta de una bobina de alta frecuencia refrigerada por agua y un crisol de grafito o cerámica (óxido de magnesio, óxido de aluminio, óxido de boro, etc.). La fuente de alimentación de alta frecuencia utiliza una frecuencia de diez mil a varios cientos de miles de Hz, la potencia de entrada es de varios a varios cientos de kilovatios, cuanto menor sea el volumen del material de la membrana, mayor será la frecuencia de inducción. La bobina de inducción de frecuencia generalmente está hecha de un tubo de cobre refrigerado por agua.
La desventaja del método de evaporación por calentamiento por inducción de alta frecuencia es que no es fácil ajustar con precisión la potencia de entrada, tiene las siguientes ventajas.
① Alta tasa de evaporación
②La temperatura de la fuente de evaporación es uniforme y estable, por lo que no es fácil que se produzca el fenómeno de salpicaduras de gotas de recubrimiento, y también puede evitar el fenómeno de poros en la película depositada.
③La fuente de evaporación se carga una sola vez, y la temperatura es relativamente fácil y sencilla de controlar.
Fecha de publicación: 28 de octubre de 2022