Prinsip pelapisan penguapan vakum
1. Peralatan dan proses fisik pelapisan penguapan vakum
Peralatan pelapisan penguapan vakum terutama terdiri dari ruang vakum dan sistem evakuasi. Di dalam ruang vakum, terdapat sumber penguapan (yaitu pemanas penguapan), substrat dan rangka substrat, pemanas substrat, sistem pembuangan, dll.
Bahan pelapis ditempatkan di sumber penguapan ruang vakum, dan di bawah kondisi vakum tinggi, dipanaskan oleh sumber penguapan untuk menguap. Ketika jangkauan bebas rata-rata molekul uap lebih besar daripada ukuran linier ruang vakum, setelah atom dan molekul uap film keluar dari permukaan sumber penguapan, jarang terhalang oleh tumbukan molekul atau atom lain, dan langsung mencapai permukaan substrat yang akan dilapisi. Karena suhu substrat yang rendah, partikel uap film mengembun di atasnya dan membentuk lapisan film.
Untuk meningkatkan daya rekat molekul penguapan dan substrat, substrat dapat diaktifkan dengan pemanasan yang tepat atau pembersihan ion. Pelapisan penguapan vakum melalui proses fisik berikut mulai dari penguapan material, transportasi hingga pengendapan menjadi lapisan film.
(1)Dengan menggunakan berbagai cara untuk mengubah bentuk energi lain menjadi energi termal, bahan film dipanaskan hingga menguap atau menyublim menjadi partikel gas (atom, molekul atau gugus atom) dengan jumlah energi tertentu (0,1 hingga 0,3 eV).
(2)Partikel gas meninggalkan permukaan film dan diangkut ke permukaan substrat dengan kecepatan gerak tertentu, pada dasarnya tanpa tumbukan, dalam garis lurus.
(3)Partikel gas yang mencapai permukaan substrat bergabung dan membentuk inti, kemudian tumbuh menjadi film fase padat.
(4) Penataan ulang atau ikatan kimia atom-atom yang membentuk film.
2. Pemanasan penguapan
(1) Pemanasan resistansi penguapan
Pemanasan evaporasi dengan resistansi adalah metode pemanasan paling sederhana dan paling umum digunakan, umumnya berlaku untuk bahan pelapis dengan titik leleh di bawah 1500℃. Logam dengan titik leleh tinggi dalam bentuk kawat atau lembaran (W, Mo, Ti, Ta, boron nitrida, dll.) biasanya dibuat menjadi sumber penguapan dengan bentuk yang sesuai, diisi dengan bahan penguapan, dan melalui panas Joule dari arus listrik untuk melelehkan, menguapkan, atau menyublimkan bahan pelapis. Bentuk sumber penguapan terutama meliputi spiral multi-untai, berbentuk U, gelombang sinus, pelat tipis, perahu, keranjang kerucut, dll. Pada saat yang sama, metode ini membutuhkan bahan sumber penguapan yang memiliki titik leleh tinggi, tekanan uap jenuh rendah, sifat kimia yang stabil, tidak bereaksi kimia dengan bahan pelapis pada suhu tinggi, ketahanan panas yang baik, perubahan kepadatan daya yang kecil, dll. Metode ini menggunakan arus tinggi melalui sumber penguapan untuk memanaskannya dan menguapkan bahan film dengan pemanasan langsung, atau memasukkan bahan film ke dalam wadah yang terbuat dari grafit dan oksida logam tahan suhu tinggi tertentu (seperti A202, B0) dan bahan-bahan lain untuk pemanasan tidak langsung untuk penguapan.
Pelapisan evaporasi pemanasan resistansi memiliki keterbatasan: logam tahan panas memiliki tekanan uap rendah, sehingga sulit untuk membuat lapisan tipis; beberapa unsur mudah membentuk paduan dengan kawat pemanas; tidak mudah untuk mendapatkan komposisi lapisan paduan yang seragam. Karena struktur yang sederhana, harga yang rendah, dan pengoperasian yang mudah, metode evaporasi pemanasan resistansi merupakan metode evaporasi yang sangat umum digunakan.
(2) Pemanasan dan penguapan dengan berkas elektron
Penguapan berkas elektron adalah metode penguapan bahan pelapis dengan cara membombardirnya dengan berkas elektron berenergi tinggi dengan menempatkannya dalam wadah tembaga berpendingin air. Sumber penguapan terdiri dari sumber emisi elektron, sumber daya akselerasi elektron, wadah (biasanya wadah tembaga), kumparan medan magnet, dan perangkat pendingin air, dll. Dalam perangkat ini, bahan yang dipanaskan ditempatkan dalam wadah berpendingin air, dan berkas elektron hanya membombardir sebagian kecil bahan tersebut, sementara sebagian besar bahan yang tersisa tetap berada pada suhu yang sangat rendah di bawah efek pendinginan wadah, yang dapat dianggap sebagai bagian wadah yang dibombardir. Dengan demikian, metode pemanasan berkas elektron untuk penguapan dapat menghindari kontaminasi antara bahan pelapis dan bahan sumber penguapan.
Struktur sumber penguapan berkas elektron dapat dibagi menjadi tiga jenis: pistol lurus (pistol Boules), pistol cincin (dibelokkan secara elektrik), dan pistol elektron (dibelokkan secara magnetik). Satu atau lebih wadah dapat ditempatkan dalam fasilitas penguapan, yang dapat menguapkan dan mengendapkan banyak zat berbeda secara bersamaan atau terpisah.
Sumber penguapan berkas elektron memiliki keunggulan sebagai berikut.
①Kepadatan berkas elektron yang tinggi dari sumber penguapan bombardir berkas elektron dapat menghasilkan kepadatan energi yang jauh lebih besar daripada sumber pemanasan resistansi, yang dapat menguapkan material dengan titik leleh tinggi, seperti W, Mo, Al2O3, dll.
②Bahan pelapis ditempatkan dalam wadah tembaga berpendingin air, yang dapat mencegah penguapan bahan sumber penguapan, dan reaksi di antara keduanya.
③Panas dapat ditambahkan langsung ke permukaan bahan pelapis, yang membuat efisiensi termal tinggi dan kehilangan panas akibat konduksi dan radiasi rendah.
Kelemahan metode penguapan pemanasan berkas elektron adalah elektron primer dari pistol elektron dan elektron sekunder dari permukaan bahan pelapis akan mengionisasi atom yang menguap dan molekul gas sisa, yang terkadang akan memengaruhi kualitas film.
(3) Pemanasan induksi frekuensi tinggi penguapan
Penguapan dengan pemanasan induksi frekuensi tinggi dilakukan dengan menempatkan wadah berisi bahan pelapis di tengah kumparan spiral frekuensi tinggi, sehingga bahan pelapis tersebut menghasilkan arus eddy yang kuat dan efek histeresis di bawah induksi medan elektromagnetik frekuensi tinggi, yang menyebabkan lapisan film memanas hingga menguap. Sumber penguapan umumnya terdiri dari kumparan frekuensi tinggi berpendingin air dan wadah grafit atau keramik (magnesium oksida, aluminium oksida, boron oksida, dll.). Sumber daya frekuensi tinggi menggunakan frekuensi sepuluh ribu hingga beberapa ratus ribu Hz, daya masukan beberapa hingga beberapa ratus kilowatt, semakin kecil volume bahan membran, semakin tinggi frekuensi induksinya. Kumparan induksi frekuensi biasanya terbuat dari tabung tembaga berpendingin air.
Kelemahan metode penguapan pemanasan induksi frekuensi tinggi adalah sulitnya mengatur daya masukan secara presisi, namun memiliki keunggulan sebagai berikut.
①Tingkat penguapan tinggi
②Suhu sumber penguapan seragam dan stabil, sehingga tidak mudah menghasilkan fenomena percikan tetesan lapisan, dan juga dapat menghindari fenomena lubang kecil pada lapisan yang diendapkan.
③Sumber penguapan diisi sekali, dan suhunya relatif mudah dan sederhana untuk dikontrol.
Waktu posting: 28 Oktober 2022