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. À l'intérieur de la chambre à vide se trouvent la source d'évaporation (élément chauffant), le substrat et son cadre, un élément chauffant pour le substrat, 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 cette source pour s'évaporer. Lorsque le libre parcours moyen des molécules de vapeur est supérieur à la dimension linéaire de la chambre à vide, les atomes et molécules de la vapeur, après s'être échappés de la surface de la source d'évaporation, sont rarement gênés par les collisions avec d'autres molécules ou atomes et atteignent directement la surface du substrat à revêtir. Du fait de la basse température du substrat, les particules de vapeur se condensent à sa surface et forment un film.
Afin d'améliorer l'adhérence des molécules d'évaporation au substrat, ce dernier peut être activé par chauffage approprié ou par nettoyage ionique. Le revêtement par évaporation sous vide comprend 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 déplacement, essentiellement sans collision, en ligne droite.
(3)Les particules gazeuses atteignant la surface du substrat se regroupent et se nucléent, puis se développent en un film en phase solide.
(4)Réorganisation ou liaison chimique des atomes qui constituent 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. Elle est généralement applicable aux matériaux de revêtement dont le point de fusion est inférieur à 1500 °C. Les métaux à point de fusion élevé, sous forme de fils ou de feuilles (W, Mo, Ti, Ta, nitrure de bore, etc.), sont généralement utilisés pour créer une source d'évaporation adaptée. Cette source est chargée de matériau d'évaporation et, grâce à l'effet Joule généré par le courant électrique, le matériau de revêtement est fondu, vaporisé ou sublimé. Les formes de la source d'évaporation comprennent principalement les spirales multibrins, les formes en U, les sinusoïdes, les plaques minces, les creusets, les cônes, etc. Cette méthode exige que le matériau de la source d'évaporation présente un point de fusion élevé, une faible pression de vapeur saturante, des propriétés chimiques stables, qu'il ne réagisse pas chimiquement avec le matériau de revêtement à haute température, qu'il possède une bonne résistance à la chaleur et une faible variation de densité de puissance. On utilise un courant élevé traversant la source d'évaporation pour chauffer et vaporiser le matériau de revêtement par chauffage direct, ou bien on place le matériau de revêtement dans un creuset en graphite à haute température. oxydes métalliques résistants (tels que A202, B0) et autres matériaux pour chauffage indirect à évaporer.
Le revêtement par évaporation à résistance chauffante présente des limitations : les métaux réfractaires ont une faible pression de vapeur, ce qui rend difficile l’obtention de films minces ; certains éléments ont tendance à s’allier avec le fil chauffant ; il est difficile d’obtenir une composition uniforme du film d’alliage. De par sa structure simple, son faible coût et sa facilité de mise en œuvre, cette méthode d’évaporation est très répandue.
(2) Évaporation par chauffage par faisceau d'électrons
L'évaporation par faisceau d'électrons est une méthode d'évaporation d'un matériau de revêtement par bombardement avec un faisceau d'électrons de haute densité d'énergie. Le matériau est 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 et un système de refroidissement à eau. Dans ce dispositif, le matériau à chauffer 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 reste à très basse température grâce au refroidissement du creuset. Cette partie peut être considérée comme la zone bombardée du creuset. Ainsi, le chauffage par faisceau d'électrons pour l'évaporation permet d'éviter toute contamination entre le matériau de revêtement et le matériau de la source d'évaporation.
La structure d'une source d'évaporation par faisceau d'électrons se divise en trois types : les canons à faisceau droit (canons de Boules), les canons à faisceau annulaire (à déviation électrique) et les canons à faisceau d'électrons (à déviation magnétique). Une installation d'évaporation peut contenir un ou plusieurs creusets et permettre l'évaporation et le dépôt simultanés ou séparés de diverses substances.
Les sources d'évaporation par faisceau d'électrons présentent les avantages suivants.
① La haute densité de faisceau de la source d'évaporation par bombardement de faisceau d'électrons permet d'obtenir une densité d'énergie bien supérieure à celle de la source de chauffage par résistance, ce qui permet d'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 permet d'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 permet d'obtenir une efficacité thermique élevée et de réduire les pertes par conduction et rayonnement thermique.
L'inconvénient de la méthode d'évaporation par chauffage par faisceau d'électrons est que les électrons primaires provenant du canon à électrons et les électrons secondaires provenant de la surface du matériau de revêtement ionisent les atomes en évaporation et les molécules de gaz résiduelles, ce qui affecte 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 spirale haute fréquence. Sous l'effet du champ électromagnétique haute fréquence, le matériau de revêtement génère de forts courants de Foucault et un effet d'hystérésis, ce qui provoque l'échauffement de la couche jusqu'à sa vaporisation. La source d'évaporation se compose généralement d'une bobine haute fréquence refroidie à l'eau et d'un creuset en graphite ou en céramique (oxyde de magnésium, oxyde d'aluminium, oxyde de bore, etc.). L'alimentation haute fréquence utilise une fréquence de l'ordre de dix mille à plusieurs centaines de milliers de hertz, avec une puissance d'entrée de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts. Plus le volume du matériau de revêtement est faible, plus la fréquence d'induction est élevée. La bobine d'induction est généralement constituée d'un tube de cuivre refroidi à l'eau.
L'inconvénient de la méthode d'évaporation par chauffage par induction à haute fréquence est qu'il n'est pas facile de régler précisément la puissance d'entrée ; elle présente les avantages suivants.
① Taux d'évaporation élevé
② La température de la source d'évaporation est uniforme et stable, il n'est donc pas facile de produire le phénomène d'éclaboussure de gouttelettes de revêtement, et cela permet également d'éviter le phénomène de trous d'épingle sur le film déposé.
③La source d'évaporation est chargée une seule fois, et la température est relativement facile et simple à contrôler.
Date de publication : 28 octobre 2022