اصل پوشش تبخیر در خلاء
۱، تجهیزات و فرآیند فیزیکی پوششدهی تبخیر در خلاء
تجهیزات پوششدهی تبخیری در خلاء عمدتاً از محفظه خلاء و سیستم تخلیه تشکیل شده است. در داخل محفظه خلاء، منبع تبخیر (یعنی گرمکن تبخیر)، زیرلایه و قاب زیرلایه، گرمکن زیرلایه، سیستم اگزوز و غیره وجود دارد.
ماده پوشش در منبع تبخیر محفظه خلاء قرار میگیرد و تحت شرایط خلاء بالا، توسط منبع تبخیر گرم میشود تا تبخیر شود. هنگامی که میانگین محدوده آزاد مولکولهای بخار بزرگتر از اندازه خطی محفظه خلاء باشد، اتمها و مولکولهای بخار فیلم پس از خروج از سطح منبع تبخیر، به ندرت توسط برخورد سایر مولکولها یا اتمها متوقف میشوند و مستقیماً به سطح زیرلایه مورد پوشش میرسند. به دلیل دمای پایین زیرلایه، ذرات بخار فیلم روی آن متراکم شده و یک فیلم تشکیل میدهند.
به منظور بهبود چسبندگی مولکولهای تبخیر و زیرلایه، زیرلایه را میتوان با گرمایش مناسب یا تمیز کردن یونی فعال کرد. پوششدهی تبخیر در خلاء از طریق فرآیندهای فیزیکی زیر از تبخیر ماده، انتقال تا رسوب به صورت فیلم انجام میشود.
(1) با استفاده از روشهای مختلف برای تبدیل سایر اشکال انرژی به انرژی حرارتی، ماده فیلم گرم میشود تا تبخیر شود یا به ذرات گازی (اتمها، مولکولها یا خوشههای اتمی) با مقدار مشخصی انرژی (0.1 تا 0.3 الکترونولت) تصعید شود.
(2) ذرات گازی سطح فیلم را ترک میکنند و با سرعت حرکت مشخصی، اساساً بدون برخورد، در یک خط مستقیم به سطح زیرلایه منتقل میشوند.
(3) ذرات گازی که به سطح زیرلایه میرسند، به هم میپیوندند و هستهزایی میکنند و سپس به یک لایه نازک فاز جامد تبدیل میشوند.
(4) سازماندهی مجدد یا پیوند شیمیایی اتمهایی که لایه نازک را تشکیل میدهند.
۲، گرمایش تبخیری
(1) تبخیر با حرارت مقاومتی
تبخیر با حرارت مقاومتی، سادهترین و رایجترین روش گرمایش است که عموماً برای پوششدهی مواد با نقطه ذوب زیر ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد کاربرد دارد. فلزات با نقطه ذوب بالا به شکل سیم یا ورق (W، Mo، Ti، Ta، بور نیترید و غیره) معمولاً به شکل مناسبی از منبع تبخیر تبدیل میشوند و با مواد تبخیری پر میشوند و از طریق گرمای ژول جریان الکتریکی، مواد آبکاری را ذوب، تبخیر یا تصعید میکنند. شکل منبع تبخیر عمدتاً شامل مارپیچ چند رشتهای، U شکل، موج سینوسی، صفحه نازک، قایقی، سبد مخروطی و غیره است. در عین حال، این روش مستلزم آن است که ماده منبع تبخیر دارای نقطه ذوب بالا، فشار بخار اشباع پایین، خواص شیمیایی پایدار، عدم واکنش شیمیایی با ماده پوشش در دمای بالا، مقاومت حرارتی خوب، تغییر اندک در چگالی توان و غیره باشد. این روش جریان بالایی را از طریق منبع تبخیر عبور میدهد تا ماده فیلم را با گرمایش مستقیم گرم و تبخیر کند، یا ماده فیلم را در بوته ساخته شده از گرافیت و برخی اکسیدهای فلزی مقاوم در برابر دمای بالا (مانند A202، B0) و سایر مواد برای گرمایش غیرمستقیم برای تبخیر قرار دهد.
پوشش تبخیری گرمایش مقاومتی محدودیتهایی دارد: فلزات نسوز فشار بخار پایینی دارند که ساخت لایه نازک را دشوار میکند؛ برخی از عناصر به راحتی با سیم گرمایشی آلیاژ تشکیل میدهند؛ بدست آوردن ترکیب یکنواخت لایه آلیاژی آسان نیست. به دلیل ساختار ساده، قیمت پایین و عملکرد آسان روش تبخیر گرمایش مقاومتی، این روش کاربرد بسیار رایجی دارد.
(2) تبخیر با گرمایش پرتو الکترونی
تبخیر پرتو الکترونی روشی برای تبخیر ماده پوششدهنده با بمباران آن با یک پرتو الکترونی با چگالی انرژی بالا با قرار دادن آن در یک بوته مسی خنکشده با آب است. منبع تبخیر شامل یک منبع انتشار الکترون، یک منبع انرژی شتابدهنده الکترون، یک بوته (معمولاً یک بوته مسی)، یک سیمپیچ میدان مغناطیسی و یک مجموعه آب خنککننده و غیره است. در این دستگاه، ماده گرمشده در یک بوته خنکشده با آب قرار میگیرد و پرتو الکترونی تنها بخش بسیار کوچکی از ماده را بمباران میکند، در حالی که بیشتر ماده باقیمانده تحت اثر خنککننده بوته در دمای بسیار پایینی باقی میماند که میتوان آن را به عنوان بخش بمبارانشده بوته در نظر گرفت. بنابراین، روش گرمایش پرتو الکترونی برای تبخیر میتواند از آلودگی بین ماده پوششدهنده و ماده منبع تبخیر جلوگیری کند.
ساختار منبع تبخیر پرتو الکترونی را میتوان به سه نوع تقسیم کرد: تفنگهای مستقیم (تفنگهای بول)، تفنگهای حلقهای (منحرف شده به صورت الکتریکی) و تفنگهای الکترونیکی (منحرف شده به صورت مغناطیسی). یک یا چند بوته را میتوان در یک مرکز تبخیر قرار داد که میتوانند مواد مختلف زیادی را به طور همزمان یا جداگانه تبخیر و رسوب دهند.
منابع تبخیر پرتو الکترونی مزایای زیر را دارند.
① چگالی بالای پرتو منبع تبخیر بمباران پرتو الکترونی میتواند چگالی انرژی بسیار بیشتری نسبت به منبع گرمایش مقاومتی به دست آورد، که میتواند مواد با نقطه ذوب بالا مانند W، Mo، Al2O3 و غیره را تبخیر کند.
② ماده پوشش دهنده در یک بوته مسی خنک شونده با آب قرار داده میشود که میتواند از تبخیر ماده منبع تبخیر و واکنش بین آنها جلوگیری کند.
③ گرما را میتوان مستقیماً به سطح ماده پوشش اضافه کرد، که باعث افزایش راندمان حرارتی و کاهش تلفات هدایت حرارتی و تابش حرارتی میشود.
عیب روش تبخیر با گرمایش پرتو الکترونی این است که الکترونهای اولیه از تفنگ الکترونی و الکترونهای ثانویه از سطح ماده پوشش، اتمهای تبخیر شده و مولکولهای گاز باقیمانده را یونیزه میکنند که گاهی اوقات بر کیفیت فیلم تأثیر میگذارد.
(3) تبخیر با گرمایش القایی فرکانس بالا
تبخیر گرمایش القایی با فرکانس بالا به این صورت است که بوته حاوی مواد پوششدهنده را در مرکز کویل مارپیچی فرکانس بالا قرار میدهند، به طوری که مواد پوششدهنده تحت القای میدان الکترومغناطیسی فرکانس بالا، جریان گردابی قوی و اثر هیسترزیس ایجاد میکنند که باعث میشود لایه فیلم تا زمان تبخیر و بخار شدن، گرم شود. منبع تبخیر عموماً از یک کویل فرکانس بالا با خنککننده آب و یک بوته گرافیتی یا سرامیکی (اکسید منیزیم، اکسید آلومینیوم، اکسید بور و غیره) تشکیل شده است. منبع تغذیه فرکانس بالا از فرکانس ده هزار تا چند صد هزار هرتز استفاده میکند، توان ورودی چند تا چند صد کیلووات است، هرچه حجم ماده غشایی کمتر باشد، فرکانس القایی بالاتر است. فرکانس کویل القایی معمولاً از لوله مسی خنککننده آب ساخته میشود.
عیب روش تبخیر القایی با فرکانس بالا این است که تنظیم دقیق توان ورودی آسان نیست، اما مزایای زیر را دارد.
① نرخ تبخیر بالا
② دمای منبع تبخیر یکنواخت و پایدار است، بنابراین ایجاد پدیده پاشش قطرات پوشش آسان نیست و همچنین میتواند از پدیده سوراخهای ریز روی فیلم رسوب داده شده جلوگیری کند.
③ منبع تبخیر یک بار بارگیری میشود و کنترل دما نسبتاً آسان و ساده است.
زمان ارسال: ۲۸ اکتبر ۲۰۲۲