Principio del rivestimento per evaporazione sottovuoto
1. Attrezzatura e processo fisico del rivestimento per evaporazione sottovuoto
L'apparecchiatura per la deposizione di rivestimenti mediante evaporazione sottovuoto 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 relativo supporto, il riscaldatore del substrato, il sistema di aspirazione, ecc.
Il materiale di rivestimento viene posto nella sorgente di evaporazione della camera a vuoto e, in condizioni di alto vuoto, viene riscaldato dalla sorgente di evaporazione per evaporare. Quando il raggio libero medio delle molecole di vapore è maggiore della dimensione lineare della camera a vuoto, dopo che gli atomi e le molecole del vapore del film sono fuoriusciti dalla superficie della sorgente di evaporazione, vengono raramente ostacolati dalle collisioni 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 un film.
Per migliorare l'adesione delle molecole di evaporazione al substrato, quest'ultimo può essere attivato mediante un opportuno riscaldamento o una pulizia ionica. Il processo di rivestimento per evaporazione sotto vuoto si articola in diverse fasi fisiche: dall'evaporazione del materiale, al trasporto, fino alla deposizione in un film.
(1)Utilizzando vari metodi per convertire altre forme di energia in energia termica, il materiale del film 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 del film 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 coalescono e nucleano, e poi crescono formando un film in fase solida.
(4)Riorganizzazione o legame chimico degli atomi che compongono il film.
2. Riscaldamento per evaporazione
(1) Evaporazione per riscaldamento a resistenza
L'evaporazione a riscaldamento resistivo è il metodo di riscaldamento più semplice e comunemente utilizzato, generalmente applicabile a materiali di rivestimento con punto di fusione inferiore a 1500℃, metalli ad alto punto di fusione in forma di filo o lamiera (W, Mo, Ti, Ta, nitruro di boro, ecc.) vengono solitamente realizzati in una forma adatta di sorgente di evaporazione, caricati 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 comprende 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, una bassa pressione di vapore saturo, proprietà chimiche stabili, non abbia reazione chimica con il materiale di rivestimento ad alta temperatura, buona resistenza al calore, piccola variazione di densità di potenza, ecc. Adotta un'alta corrente attraverso la sorgente di evaporazione per farla riscaldare ed evaporare il materiale del film mediante riscaldamento diretto, oppure mettere il materiale del film nel crogiolo fatto di grafite e alcuni ossidi metallici resistenti alle alte temperature (come A202, B0) e altri materiali per il riscaldamento indiretto per evaporare.
Il rivestimento mediante evaporazione a riscaldamento resistivo presenta delle limitazioni: i metalli refrattari hanno una bassa pressione di vapore, il che rende difficile la formazione di film sottili; alcuni elementi tendono a formare leghe con il filo riscaldante; non è facile ottenere una composizione uniforme del film di lega. Tuttavia, grazie alla sua struttura semplice, al basso costo e alla facilità d'uso, il metodo di evaporazione a riscaldamento resistivo è un'applicazione molto comune.
(2) Riscaldamento dell'evaporazione mediante 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 di energia, all'interno di un crogiolo di rame raffreddato ad acqua. La sorgente di evaporazione è composta da una sorgente di emissione di elettroni, una sorgente di accelerazione degli elettroni, un crogiolo (solitamente di rame), una bobina per il campo magnetico e un sistema di raffreddamento ad acqua. In questo dispositivo, il materiale riscaldato viene posto nel crogiolo raffreddato ad acqua e il fascio di elettroni bombarda solo una piccola porzione del materiale, mentre la maggior parte del materiale rimanente si mantiene a una temperatura molto bassa grazie all'effetto di raffreddamento del crogiolo, e può essere considerata la porzione bombardata del crogiolo stesso. Pertanto, il metodo di riscaldamento a fascio di elettroni per l'evaporazione consente di evitare la contaminazione tra il materiale di rivestimento e il materiale della sorgente di evaporazione.
La struttura della sorgente di evaporazione a fascio di elettroni può essere suddivisa in tre tipologie: cannoni dritti (cannoni di Boules), cannoni ad anello (deflessi elettricamente) e cannoni a elettroni (deflessi magneticamente). In un impianto di evaporazione possono essere collocati uno o più crogioli, che consentono di evaporare e depositare simultaneamente o separatamente diverse sostanze.
Le sorgenti di evaporazione a fascio di elettroni presentano i seguenti vantaggi.
①L'elevata densità del fascio della sorgente di evaporazione a bombardamento di elettroni può ottenere una densità di energia di gran lunga maggiore rispetto alla sorgente di riscaldamento a resistenza, che può evaporare materiali ad alto punto di fusione, come W, Mo, Al2O3, ecc.
②Il materiale di rivestimento viene posto in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua, il che può evitare l'evaporazione del materiale di partenza e la reazione tra di essi.
③Il calore può essere applicato direttamente sulla superficie del materiale di rivestimento, il che aumenta l'efficienza termica e riduce al minimo le perdite per conduzione e irraggiamento del calore.
Lo svantaggio del metodo di evaporazione con riscaldamento a fascio di elettroni è che gli elettroni primari provenienti dal cannone elettronico e gli elettroni secondari provenienti dalla superficie del materiale di rivestimento ionizzano gli atomi in evaporazione e le molecole di gas residue, il che a volte può influire sulla qualità del film.
(3) Evaporazione a riscaldamento induttivo ad alta frequenza
L'evaporazione a induzione ad alta frequenza consiste nel posizionare il crogiolo con il materiale di rivestimento al centro di una bobina a spirale ad alta frequenza, in modo che il materiale di rivestimento generi forti correnti parassite ed effetto isteresi sotto l'induzione di un campo elettromagnetico ad alta frequenza, che provoca il riscaldamento dello strato di film fino alla sua vaporizzazione ed evaporazione. 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 da diverse a diverse centinaia di kilowatt, minore è il volume del materiale della membrana, maggiore è la frequenza di induzione. La bobina di induzione per la frequenza è solitamente realizzata in un tubo di rame raffreddato ad acqua.
Lo svantaggio del metodo di evaporazione a riscaldamento a induzione ad alta frequenza è che non è facile regolare con precisione la potenza in ingresso, ha i seguenti vantaggi.
①Elevato tasso di evaporazione
②La temperatura della sorgente di evaporazione è uniforme e stabile, quindi non si verifica facilmente il fenomeno degli schizzi di goccioline di rivestimento e si evita anche la formazione di fori sul film depositato.
③La fonte di evaporazione viene caricata una sola volta e la temperatura è relativamente facile e semplice da controllare.
Data di pubblicazione: 28 ottobre 2022