Princípio do revestimento por evaporação a vácuo
1. Equipamentos 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 sua estrutura, 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 até evaporar. Quando o raio de ação médio das moléculas de vapor é maior que a dimensão linear da câmara de vácuo, após os átomos e moléculas do vapor do filme escaparem da superfície da fonte de evaporação, raramente encontram obstáculos na colisão com 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, formando um filme.
Para melhorar a adesão das moléculas evaporadas 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 filme.
(1)Utilizando várias formas 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 saem da 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 resistivo
A evaporação por resistência elétrica é o método de aquecimento mais simples e comum, geralmente aplicável a materiais de revestimento com ponto de fusão abaixo de 1500 °C. Metais de alto ponto de fusão em forma de fio ou chapa (W, Mo, Ti, Ta, nitreto de boro, etc.) são geralmente transformados em uma fonte de evaporação com formato adequado, carregados com o material de evaporação. Através do calor Joule da corrente elétrica, o material de revestimento é fundido, evaporado ou sublimado. Os formatos da fonte de evaporação incluem principalmente espiral de múltiplos filamentos, em forma de U, onda senoidal, placa fina, barco, cesto cônico, etc. Ao mesmo tempo, o método exige que o material da fonte de evaporação tenha alto ponto de fusão, baixa pressão de vapor de saturação, propriedades químicas estáveis, não reaja quimicamente com o material de revestimento em altas temperaturas, tenha boa resistência ao calor e pequena variação na densidade de potência. A corrente elétrica passa pela fonte de evaporação para aquecê-la e evaporar o material do filme por aquecimento direto, ou o material do filme é colocado em um cadinho feito de grafite e certos óxidos metálicos resistentes a altas temperaturas (como Al₂O₂). B0) e outros materiais para aquecimento indireto para evaporação.
O revestimento por evaporação com aquecimento por resistência apresenta limitações: metais refratários têm baixa pressão de vapor, o que dificulta a formação de filmes finos; alguns elementos formam ligas com facilidade com o fio de aquecimento; e não é fácil obter uma composição uniforme do filme de liga. Devido à sua estrutura simples, baixo custo e facilidade de operação, o método de evaporação por aquecimento por resistência é uma aplicação muito comum.
(2) Evaporação por aquecimento com feixe de elétrons
A evaporação por feixe de elétrons é um método de evaporação do material de revestimento através do bombardeio com um feixe de elétrons de alta densidade energética, colocado em um cadinho de cobre resfriado a água. A fonte de evaporação consiste em uma fonte de emissão de elétrons, uma fonte de energia para aceleração de elétrons, um cadinho (geralmente de cobre), uma bobina de campo magnético e um sistema de resfriamento a água, entre outros componentes. Nesse dispositivo, o material a ser aquecido é colocado no cadinho resfriado a água, e o feixe de elétrons incide apenas sobre uma pequena porção do material, enquanto a maior parte do restante permanece a uma temperatura muito baixa devido ao efeito de resfriamento do cadinho, podendo ser considerada a porção bombardeada do próprio cadinho. Dessa forma, o método de aquecimento por feixe de elétrons para evaporação evita 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 (canhões de Boules), canhões anulares (defletidos eletricamente) e canhões de elétrons (defletidos magneticamente). Um ou mais cadinhos podem ser colocados em uma instalação de evaporação, que pode evaporar e depositar muitas substâncias diferentes simultaneamente ou separadamente.
As fontes de evaporação por feixe de elétrons apresentam as seguintes vantagens.
①A alta densidade do feixe da fonte de evaporação por 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 com 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 evita a evaporação do material de origem da evaporação e a reação entre eles.
③O calor pode ser adicionado diretamente à superfície do material de revestimento, o que resulta em alta eficiência térmica e baixa perda por condução e radiação de calor.
A desvantagem do método de evaporação por aquecimento com feixe de elétrons é que os elétrons primários do canhão de elétrons e os elétrons secundários da superfície do material de revestimento ionizam os átomos em evaporação e as moléculas de gás residual, o que às vezes afeta a qualidade do filme.
(3) Evaporação por aquecimento por indução de alta frequência
A evaporação por aquecimento por indução de alta frequência consiste em posicionar o cadinho com o material de revestimento no centro de uma bobina espiral de alta frequência. Dessa forma, o material de revestimento gera fortes correntes parasitas e 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 refrigerada 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 dezenas de milhares a centenas de milhares de Hz, com potência de entrada de alguns a centenas de quilowatts. Quanto menor o volume do material da membrana, maior a frequência de indução. A bobina de indução geralmente é feita de tubo de cobre refrigerado a água.
A desvantagem do método de evaporação por aquecimento por indução de alta frequência é a dificuldade em ajustar com precisão a potência de entrada, porém apresenta as seguintes vantagens.
① Alta taxa de evaporação
②A temperatura da fonte de evaporação é uniforme e estável, portanto não é fácil produzir o fenômeno de respingos de gotículas de revestimento, e também pode evitar o fenômeno de poros na película depositada.
③A fonte de evaporação é carregada uma única vez, e a temperatura é relativamente fácil e simples de controlar.
Data da publicação: 28/10/2022