Princípio do revestimento por evaporação a vácuo
1、Equipamento e processo físico de revestimento por evaporação a vácuo
O equipamento de revestimento por evaporação a vácuo é composto principalmente por uma câmara de vácuo e um sistema de evacuação. Dentro da câmara de vácuo, encontram-se a fonte de evaporação (ou seja, o aquecedor de evaporação), o substrato e a estrutura do substrato, o aquecedor do substrato, o sistema de exaustão, etc.
O material de revestimento é colocado na fonte de evaporação da câmara de vácuo e, sob condições de alto vácuo, é aquecido pela fonte de evaporação para evaporar. Quando o alcance livre médio das moléculas de vapor é maior que o tamanho linear da câmara de vácuo, após os átomos e moléculas do vapor do filme escaparem da superfície da fonte de evaporação, raramente são impedidos pela colisão de outras moléculas ou átomos, atingindo diretamente a superfície do substrato a ser revestido. Devido à baixa temperatura do substrato, as partículas de vapor do filme condensam-se sobre ele e formam um filme.
Para melhorar a adesão das moléculas de evaporação ao substrato, este pode ser ativado por aquecimento adequado ou limpeza iônica. O revestimento por evaporação a vácuo passa pelos seguintes processos físicos: evaporação do material, transporte e deposição em um filme.
(1)Usando várias maneiras de converter outras formas de energia em energia térmica, o material do filme é aquecido para evaporar ou sublimar em partículas gasosas (átomos, moléculas ou aglomerados atômicos) com uma certa quantidade de energia (0,1 a 0,3 eV).
(2)As partículas gasosas deixam a superfície do filme e são transportadas para a superfície do substrato a uma determinada velocidade de movimento, essencialmente sem colisão, em linha reta.
(3)As partículas gasosas que atingem a superfície do substrato coalescem e nucleiam, e então crescem em um filme de fase sólida.
(4)Reorganização ou ligação química dos átomos que compõem o filme.
2、Aquecimento por evaporação
(1) Evaporação por aquecimento de resistência
A evaporação por aquecimento por resistência é o método de aquecimento mais simples e comumente usado, geralmente aplicável a materiais de revestimento com ponto de fusão abaixo de 1500 ℃, metais de alto ponto de fusão em formato de fio ou folha (W, Mo, Ti, Ta, nitreto de boro, etc.) são geralmente transformados em um formato adequado de fonte de evaporação, carregado com materiais de evaporação, através do calor Joule da corrente elétrica para derreter, evaporar ou sublimar o material de revestimento, o formato da fonte de evaporação inclui principalmente espiral multifilar, em forma de U, onda senoidal, placa fina, barco, cesta cônica, etc. Ao mesmo tempo, o método requer que o material da fonte de evaporação tenha alto ponto de fusão, baixa pressão de vapor de saturação, propriedades químicas estáveis, não tenha reação química com o material de revestimento em alta temperatura, boa resistência ao calor, pequena mudança na densidade de potência, etc. Ele adota alta corrente através da fonte de evaporação para fazê-la aquecer e evaporar o material do filme por aquecimento direto, ou colocar o material do filme no cadinho feito de grafite e certos óxidos metálicos resistentes a altas temperaturas (como A202, B0) e outros materiais para aquecimento indireto para evaporação.
O revestimento por evaporação por aquecimento por resistência apresenta limitações: metais refratários têm baixa pressão de vapor, o que dificulta a formação de uma película fina; alguns elementos são facilmente ligados ao fio de aquecimento; não é fácil obter uma composição uniforme da película de liga. Devido à estrutura simples, ao baixo custo e à fácil operação do método de evaporação por aquecimento por resistência, é uma aplicação muito comum.
(2) Evaporação por aquecimento por feixe de elétrons
A evaporação por feixe de elétrons é um método de evaporação do material de revestimento por meio do bombardeamento com um feixe de elétrons de alta densidade energética, colocando-o em um cadinho de cobre resfriado a água. A fonte de evaporação consiste em uma fonte de emissão de elétrons, uma fonte de energia de aceleração de elétrons, um cadinho (geralmente um cadinho de cobre), uma bobina de campo magnético e um conjunto de água de resfriamento, etc. Neste dispositivo, o material aquecido é colocado em um cadinho resfriado a água, e o feixe de elétrons bombardeia apenas uma pequena porção do material, enquanto a maior parte do material restante permanece a uma temperatura muito baixa sob o efeito de resfriamento do cadinho, que pode ser considerado a porção bombardeada do cadinho. Assim, o método de aquecimento por feixe de elétrons para evaporação pode evitar a contaminação entre o material de revestimento e o material da fonte de evaporação.
A estrutura da fonte de evaporação por feixe de elétrons pode ser dividida em três tipos: canhões retos (pistolas de boule), canhões circulares (com deflexão elétrica) e canhões eletrônicos (com deflexão magnética). Um ou mais cadinhos podem ser colocados em uma instalação de evaporação, que pode evaporar e depositar diversas substâncias simultaneamente ou separadamente.
As fontes de evaporação por feixe de elétrons têm as seguintes vantagens.
①A alta densidade do feixe da fonte de evaporação de bombardeio de feixe de elétrons pode obter uma densidade de energia muito maior do que a fonte de aquecimento por resistência, que pode evaporar materiais de alto ponto de fusão, como W, Mo, Al2O3, etc.
②O material de revestimento é colocado em um cadinho de cobre resfriado a água, o que pode evitar a evaporação do material da fonte de evaporação e a reação entre eles.
③O calor pode ser adicionado diretamente à superfície do material de revestimento, o que torna a eficiência térmica alta e a perda de condução de calor e radiação de calor baixa.
A desvantagem do método de evaporação por aquecimento por feixe de elétrons é que os elétrons primários do canhão de elétrons e os elétrons secundários da superfície do material de revestimento ionizarão os átomos evaporados e as moléculas de gás residual, o que às vezes afetará a qualidade do filme.
(3) Evaporação por aquecimento por indução de alta frequência
A evaporação por aquecimento por indução de alta frequência consiste em colocar o cadinho com o material de revestimento no centro da bobina espiral de alta frequência, de modo que o material de revestimento gere uma forte corrente parasita e um efeito de histerese sob a indução do campo eletromagnético de alta frequência, o que faz com que a camada de filme aqueça até vaporizar e evaporar. A fonte de evaporação geralmente consiste em uma bobina de alta frequência resfriada a água e um cadinho de grafite ou cerâmica (óxido de magnésio, óxido de alumínio, óxido de boro, etc.). A fonte de alimentação de alta frequência utiliza uma frequência de dez mil a várias centenas de milhares de Hz, com potência de entrada de várias a várias centenas de quilowatts. Quanto menor o volume do material da membrana, maior a frequência de indução. A frequência da bobina de indução é geralmente feita de tubo de cobre resfriado a água.
A desvantagem do método de evaporação por aquecimento por indução de alta frequência é que não é fácil ajustar com precisão a potência de entrada, mas ele tem as seguintes vantagens.
①Alta taxa de evaporação
②A temperatura da fonte de evaporação é uniforme e estável, por isso não é fácil produzir o fenômeno de respingos de gotas de revestimento e também pode evitar o fenômeno de furos no filme depositado.
③A fonte de evaporação é carregada uma vez, e a temperatura é relativamente fácil e simples de controlar.
Horário da publicação: 28 de outubro de 2022