Principio del rivestimento per evaporazione sotto vuoto
1. Attrezzatura e processo fisico del rivestimento per evaporazione sotto vuoto
L'apparecchiatura di rivestimento per evaporazione sotto vuoto è composta principalmente da una camera a vuoto e da un sistema di evacuazione. All'interno della camera a vuoto si trovano la sorgente di evaporazione (ovvero il riscaldatore di evaporazione), il substrato e il suo telaio, il riscaldatore del substrato, il sistema di scarico, ecc.
Il materiale di rivestimento viene posizionato nella sorgente di evaporazione della camera a vuoto e, in condizioni di vuoto spinto, viene riscaldato dalla sorgente di evaporazione per evaporare. Quando il raggio d'azione medio delle molecole di vapore è maggiore della dimensione lineare della camera a vuoto, gli atomi e le molecole del vapore del film, una volta fuoriusciti dalla superficie della sorgente di evaporazione, raramente vengono ostacolati dalla collisione con altre molecole o atomi e raggiungono direttamente la superficie del substrato da rivestire. A causa della bassa temperatura del substrato, le particelle di vapore del film si condensano su di esso e formano una pellicola.
Per migliorare l'adesione delle molecole di evaporazione al substrato, quest'ultimo può essere attivato mediante un adeguato riscaldamento o una pulizia ionica. Il rivestimento per evaporazione sotto vuoto attraversa i seguenti processi fisici: evaporazione del materiale, trasporto e deposizione in pellicola.
(1)Utilizzando vari metodi per convertire altre forme di energia in energia termica, il materiale della pellicola viene riscaldato per evaporare o sublimare in particelle gassose (atomi, molecole o cluster atomici) con una certa quantità di energia (da 0,1 a 0,3 eV).
(2) Le particelle gassose lasciano la superficie della pellicola e vengono trasportate sulla superficie del substrato a una certa velocità di movimento, essenzialmente senza collisioni, in linea retta.
(3) Le particelle gassose che raggiungono la superficie del substrato si fondono e si nucleano, per poi crescere fino a formare una pellicola in fase solida.
(4)Riorganizzazione o legame chimico degli atomi che compongono la pellicola.
2. Riscaldamento per evaporazione
(1) Evaporazione del riscaldamento a resistenza
L'evaporazione con riscaldamento a resistenza è il metodo di riscaldamento più semplice e più comunemente usato, generalmente applicabile a materiali di rivestimento con punto di fusione inferiore a 1500 ℃, metalli ad alto punto di fusione in forma di filo o foglio (W, Mo, Ti, Ta, nitruro di boro, ecc.) sono solitamente realizzati in una forma adatta di sorgente di evaporazione, caricata con materiali di evaporazione, attraverso il calore Joule della corrente elettrica per fondere, evaporare o sublimare il materiale di placcatura, la forma della sorgente di evaporazione include principalmente spirale multifilare, a forma di U, onda sinusoidale, piastra sottile, barca, cestello conico, ecc. Allo stesso tempo, il metodo richiede che il materiale della sorgente di evaporazione abbia un alto punto di fusione, bassa pressione di vapore di saturazione, proprietà chimiche stabili, non abbia reazioni chimiche con il materiale di rivestimento ad alta temperatura, buona resistenza al calore, piccola variazione nella densità di potenza, ecc. Adotta un'alta corrente attraverso la sorgente di evaporazione per riscaldare ed evaporare il materiale del film mediante riscaldamento diretto, oppure inserire il materiale del film nel crogiolo fatto di grafite e alcuni ossidi metallici resistenti alle alte temperature (come A202, B0) e altri materiali destinati al riscaldamento indiretto per evaporazione.
Il rivestimento per evaporazione con riscaldamento a resistenza presenta dei limiti: i metalli refrattari hanno una bassa pressione di vapore, che rende difficile la produzione di film sottili; alcuni elementi si legano facilmente con il filo riscaldante; non è facile ottenere una composizione uniforme del film di lega. Grazie alla struttura semplice, al basso costo e alla facilità d'uso del metodo di evaporazione con riscaldamento a resistenza, questo metodo è molto diffuso.
(2) Evaporazione mediante riscaldamento a fascio di elettroni
L'evaporazione a fascio di elettroni è un metodo per far evaporare il materiale di rivestimento bombardandolo con un fascio di elettroni ad alta densità energetica, posizionandolo in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua. La sorgente di evaporazione è costituita da una sorgente di emissione di elettroni, una sorgente di potenza per l'accelerazione di elettroni, un crogiolo (solitamente un crogiolo di rame), una bobina di campo magnetico e un sistema di raffreddamento ad acqua, ecc. In questo dispositivo, il materiale riscaldato viene posizionato in un crogiolo raffreddato ad acqua e il fascio di elettroni bombarda solo una porzione molto piccola del materiale, mentre la maggior parte del materiale rimanente rimane a una temperatura molto bassa sotto l'effetto di raffreddamento del crogiolo, che può essere considerato la parte bombardata del crogiolo. Pertanto, il metodo di riscaldamento a fascio di elettroni per l'evaporazione potrebbe evitare la contaminazione tra il materiale di rivestimento e il materiale sorgente di evaporazione.
La struttura della sorgente di evaporazione a fascio di elettroni può essere suddivisa in tre tipologie: cannoni dritti (cannoni Boules), cannoni ad anello (deflessione elettrica) e cannoni elettronici (deflessione magnetica). Uno o più crogioli possono essere inseriti in un impianto di evaporazione, in grado di evaporare e depositare diverse sostanze simultaneamente o separatamente.
Le sorgenti di evaporazione a fascio di elettroni presentano i seguenti vantaggi.
①L'elevata densità del fascio della sorgente di evaporazione mediante bombardamento con fascio di elettroni può ottenere una densità energetica molto maggiore rispetto alla sorgente di riscaldamento a resistenza, che può evaporare materiali con punto di fusione elevato, come W, Mo, Al2O3, ecc.
②Il materiale di rivestimento viene posto in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua, in modo da evitare l'evaporazione del materiale sorgente di evaporazione e la reazione tra di essi.
3. Il calore può essere applicato direttamente alla superficie del materiale di rivestimento, aumentando l'efficienza termica e riducendo la perdita di conduzione e radiazione termica.
Lo svantaggio del metodo di evaporazione mediante riscaldamento a fascio di elettroni è che gli elettroni primari del cannone elettronico e gli elettroni secondari della superficie del materiale di rivestimento ionizzano gli atomi in evaporazione e le molecole di gas residuo, il che talvolta compromette la qualità della pellicola.
(3) Evaporazione del riscaldamento a induzione ad alta frequenza
L'evaporazione mediante riscaldamento a induzione ad alta frequenza consiste nel posizionare il crogiolo con il materiale di rivestimento al centro della bobina a spirale ad alta frequenza, in modo che il materiale di rivestimento generi una forte corrente parassita e un effetto di isteresi sotto l'induzione di un campo elettromagnetico ad alta frequenza, che provoca il riscaldamento dello strato di film fino a vaporizzarlo ed evaporarlo. La sorgente di evaporazione è generalmente costituita da una bobina ad alta frequenza raffreddata ad acqua e da un crogiolo in grafite o ceramica (ossido di magnesio, ossido di alluminio, ossido di boro, ecc.). L'alimentatore ad alta frequenza utilizza una frequenza da decine di migliaia a diverse centinaia di migliaia di Hz, la potenza in ingresso è compresa tra diverse centinaia di kilowatt e minore è il volume del materiale della membrana, maggiore è la frequenza di induzione. La bobina di induzione è solitamente realizzata in tubo di rame raffreddato ad acqua.
Lo svantaggio del metodo di evaporazione mediante riscaldamento a induzione ad alta frequenza è che non è facile regolare con precisione la potenza in ingresso, ma presenta i seguenti vantaggi.
①Alta velocità di evaporazione
②La temperatura della fonte di evaporazione è uniforme e stabile, quindi non è facile produrre il fenomeno degli schizzi di goccioline di rivestimento e può anche evitare il fenomeno dei fori sulla pellicola depositata.
3. La fonte di evaporazione viene caricata una volta e la temperatura è relativamente facile e semplice da controllare.
Data di pubblicazione: 28 ottobre 2022