Principe du revêtement par évaporation sous vide
1. Équipement et procédé physique du revêtement par évaporation sous vide
L'équipement de revêtement par évaporation sous vide se compose principalement d'une chambre à vide et d'un système d'évacuation. La chambre à vide abrite une source d'évaporation (chauffage), le substrat et son cadre, son chauffage, un système d'évacuation, etc.
Le matériau de revêtement est placé dans la source d'évaporation de la chambre à vide et, sous vide poussé, il est chauffé par la source d'évaporation pour s'évaporer. Lorsque la plage libre moyenne des molécules de vapeur est supérieure à la taille linéaire de la chambre à vide, les atomes et molécules du film de vapeur s'échappant de la surface de la source d'évaporation sont rarement gênés par la collision d'autres molécules ou atomes et atteignent directement la surface du substrat à revêtir. Grâce à la basse température du substrat, les particules de vapeur du film se condensent sur celui-ci et forment un film.
Afin d'améliorer l'adhérence des molécules d'évaporation au substrat, ce dernier peut être activé par chauffage ou nettoyage ionique. Le revêtement par évaporation sous vide suit les processus physiques suivants : évaporation du matériau, transport et dépôt en film.
(1)En utilisant diverses méthodes pour convertir d'autres formes d'énergie en énergie thermique, le matériau du film est chauffé pour s'évaporer ou se sublimer en particules gazeuses (atomes, molécules ou amas atomiques) avec une certaine quantité d'énergie (0,1 à 0,3 eV).
(2)Les particules gazeuses quittent la surface du film et sont transportées vers la surface du substrat à une certaine vitesse de mouvement, essentiellement sans collision, en ligne droite.
(3) Les particules gazeuses atteignant la surface du substrat coalescent et nucléent, puis se développent en un film en phase solide.
(4)Réorganisation ou liaison chimique des atomes qui composent le film.
2、Chauffage par évaporation
(1) Évaporation par chauffage par résistance
L'évaporation par chauffage par résistance est la méthode de chauffage la plus simple et la plus couramment utilisée, généralement applicable aux matériaux de revêtement avec un point de fusion inférieur à 1500℃. Les métaux à point de fusion élevé sous forme de fil ou de feuille (W, Mo, Ti, Ta, nitrure de bore, etc.) sont généralement transformés en une forme appropriée de source d'évaporation, chargée de matériaux d'évaporation, par la chaleur Joule du courant électrique pour fondre, évaporer ou sublimer le matériau de placage. La forme de la source d'évaporation comprend principalement une spirale multibrin, en forme de U, une onde sinusoïdale, une plaque mince, un bateau, un panier conique, etc. En même temps, la méthode nécessite que le matériau de la source d'évaporation ait un point de fusion élevé, une faible pression de vapeur saturante, des propriétés chimiques stables, ne présente pas de réaction chimique avec le matériau de revêtement à haute température, une bonne résistance à la chaleur, une faible variation de la densité de puissance, etc. Il adopte un courant élevé à travers la source d'évaporation pour la faire chauffer et évaporer le matériau du film par chauffage direct, ou placer le matériau du film dans le creuset en graphite et certains oxydes métalliques résistants aux hautes températures (tels que A202, B0) et d'autres matériaux pour le chauffage indirect pour s'évaporer.
Le revêtement par évaporation par chauffage par résistance présente des limites : la faible pression de vapeur des métaux réfractaires rend difficile la formation de couches minces ; certains éléments forment facilement un alliage avec le fil chauffant ; il est difficile d'obtenir une composition uniforme du film d'alliage. En raison de sa structure simple, de son faible coût et de sa facilité d'utilisation, l'évaporation par chauffage par résistance est une méthode d'application très courante.
(2) Évaporation par chauffage par faisceau d'électrons
L'évaporation par faisceau d'électrons est une méthode d'évaporation du matériau de revêtement par bombardement d'un faisceau d'électrons à haute densité énergétique, placé dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau. La source d'évaporation comprend une source d'émission d'électrons, une source d'accélération d'électrons, un creuset (généralement en cuivre), une bobine de champ magnétique, un système de refroidissement par eau, etc. Dans ce dispositif, le matériau chauffé est placé dans un creuset refroidi à l'eau. Le faisceau d'électrons ne bombarde qu'une très petite partie du matériau, tandis que la majeure partie du matériau restant reste à très basse température sous l'effet du refroidissement du creuset, ce qui peut être considéré comme la partie bombardée du creuset. Ainsi, la méthode de chauffage par faisceau d'électrons pour l'évaporation permet d'éviter toute contamination entre le matériau de revêtement et la source d'évaporation.
La structure de la source d'évaporation par faisceau d'électrons peut être divisée en trois types : canons droits (canons Boules), canons annulaires (à déviation électrique) et canons électroniques (à déviation magnétique). Un ou plusieurs creusets peuvent être placés dans une installation d'évaporation, permettant l'évaporation et le dépôt simultanés ou séparés de nombreuses substances différentes.
Les sources d’évaporation par faisceau d’électrons présentent les avantages suivants.
1. La densité de faisceau élevée de la source d'évaporation par bombardement de faisceau d'électrons peut obtenir une densité d'énergie bien supérieure à celle de la source de chauffage par résistance, qui peut évaporer des matériaux à point de fusion élevé, tels que W, Mo, Al2O3, etc.
2. Le matériau de revêtement est placé dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau, ce qui peut éviter l'évaporation du matériau source d'évaporation et la réaction entre eux.
③La chaleur peut être ajoutée directement à la surface du matériau de revêtement, ce qui rend l'efficacité thermique élevée et la perte de conduction thermique et de rayonnement thermique faible.
L'inconvénient de la méthode d'évaporation par chauffage par faisceau d'électrons est que les électrons primaires du canon à électrons et les électrons secondaires de la surface du matériau de revêtement ioniseront les atomes en cours d'évaporation et les molécules de gaz résiduelles, ce qui affectera parfois la qualité du film.
(3) Évaporation par chauffage par induction à haute fréquence
L'évaporation par chauffage par induction haute fréquence consiste à placer le creuset contenant le matériau de revêtement au centre d'une bobine spiralée haute fréquence. Sous l'effet d'un champ électromagnétique haute fréquence, le matériau de revêtement génère un fort courant de Foucault et un effet d'hystérésis, provoquant l'échauffement de la couche de film jusqu'à sa vaporisation. La source d'évaporation est généralement constituée d'une bobine haute fréquence refroidie par eau et d'un creuset en graphite ou en céramique (oxyde de magnésium, d'aluminium, de bore, etc.). L'alimentation haute fréquence utilise une fréquence comprise entre plusieurs dizaines de milliers de Hz et plusieurs centaines de milliers de Hz, avec une puissance d'entrée de plusieurs centaines de kilowatts. Plus le volume de la membrane est faible, plus la fréquence d'induction est élevée. La fréquence de la bobine d'induction est généralement constituée d'un tube de cuivre refroidi par eau.
L'inconvénient de la méthode d'évaporation par chauffage par induction à haute fréquence est qu'il n'est pas facile d'ajuster avec précision la puissance d'entrée, elle présente les avantages suivants.
①Taux d'évaporation élevé
②La température de la source d'évaporation est uniforme et stable, il n'est donc pas facile de produire le phénomène d'éclaboussures de gouttelettes de revêtement, et cela peut également éviter le phénomène de trous d'épingle sur le film déposé.
③La source d’évaporation est chargée une fois et la température est relativement facile et simple à contrôler.
Date de publication : 28 octobre 2022