Principiul acoperirii prin evaporare în vid
1. Echipamentul și procesul fizic de acoperire prin evaporare în vid
Echipamentul de acoperire prin evaporare în vid este compus în principal dintr-o cameră de vid și un sistem de evacuare. În interiorul camerei de vid se află sursa de evaporare (adică încălzitorul de evaporare), substratul și cadrul substratului, încălzitorul substratului, sistemul de evacuare etc.
Materialul de acoperire este plasat în sursa de evaporare a camerei de vid și, în condiții de vid ridicat, este încălzit de sursa de evaporare pentru a se evapora. Când raza medie liberă de acțiune a moleculelor de vapori este mai mare decât dimensiunea liniară a camerei de vid, după ce atomii și moleculele de vapori din film ies de pe suprafața sursei de evaporare, rareori sunt împiedicați de coliziunea altor molecule sau atomi și ajung direct la suprafața substratului care urmează să fie acoperit. Datorită temperaturii scăzute a substratului, particulele de vapori din film se condensează pe acesta și formează o peliculă.
Pentru a îmbunătăți aderența moleculelor de evaporare și a substratului, substratul poate fi activat prin încălzire adecvată sau curățare cu ioni. Acoperirea prin evaporare în vid trece prin următoarele procese fizice, de la evaporarea materialului și transport până la depunerea într-o peliculă.
(1) Folosind diverse metode de conversie a altor forme de energie în energie termică, materialul pelicular este încălzit pentru a se evapora sau a se sublima în particule gazoase (atomi, molecule sau clustere atomice) cu o anumită cantitate de energie (0,1 până la 0,3 eV).
(2) Particulele gazoase părăsesc suprafața peliculei și sunt transportate la suprafața substratului cu o anumită viteză de mișcare, practic fără coliziune, în linie dreaptă.
(3) Particulele gazoase care ajung la suprafața substratului se coalizează și formează nuclee, apoi cresc într-o peliculă în fază solidă.
(4) Reorganizarea sau legătura chimică a atomilor care alcătuiesc pelicula.
2. Încălzire prin evaporare
(1) Evaporare prin încălzire prin rezistență
Evaporarea prin încălzire prin rezistență este cea mai simplă și mai frecvent utilizată metodă de încălzire, aplicabilă în general materialelor de acoperire cu punct de topire sub 1500 ℃. Metalele cu punct de topire ridicat sub formă de sârmă sau tablă (W, Mo, Ti, Ta, nitrură de bor etc.) sunt de obicei transformate într-o sursă de evaporare într-o formă adecvată, încărcate cu materiale de evaporare, prin căldura Joule a curentului electric pentru a topi, evapora sau sublima materialul de placare. Forma sursei de evaporare include în principal spirală multi-catenară, formă de U, undă sinusoidală, placă subțire, barcă, coș conic etc. În același timp, metoda necesită ca materialul sursă de evaporare să aibă un punct de topire ridicat, o presiune de vapori de saturație scăzută, proprietăți chimice stabile, să nu reacționeze chimic cu materialul de acoperire la temperaturi ridicate, o rezistență bună la căldură, o variație mică a densității de putere etc. Adoptă un curent ridicat prin sursa de evaporare pentru a încălzi și evapora materialul pelicular prin încălzire directă sau introduce materialul pelicular într-un creuzet fabricat din grafit și anumiți oxizi metalici rezistenți la temperaturi ridicate (cum ar fi A202, B0) și alte materiale pentru încălzire indirectă pentru evaporare.
Acoperirea prin evaporare prin încălzire prin rezistență are limitări: metalele refractare au o presiune de vapori scăzută, ceea ce face dificilă realizarea unei pelicule subțiri; unele elemente pot fi ușor aliajate cu firul de încălzire; nu este ușor să se obțină o compoziție uniformă a peliculei de aliaj. Datorită structurii simple, prețului scăzut și utilizării ușoare a metodei de evaporare prin încălzire prin rezistență, aceasta este o aplicație foarte comună a metodei de evaporare.
(2) Evaporare prin încălzire cu fascicul de electroni
Evaporarea cu fascicul de electroni este o metodă de evaporare a materialului de acoperire prin bombardarea acestuia cu un fascicul de electroni cu densitate energetică ridicată, plasându-l într-un creuzet de cupru răcit cu apă. Sursa de evaporare constă dintr-o sursă de emisie de electroni, o sursă de alimentare pentru accelerarea electronilor, un creuzet (de obicei un creuzet de cupru), o bobină de câmp magnetic și un set de apă de răcire etc. În acest dispozitiv, materialul încălzit este plasat într-un creuzet răcit cu apă, iar fasciculul de electroni bombardează doar o porțiune foarte mică a materialului, în timp ce cea mai mare parte a materialului rămas rămâne la o temperatură foarte scăzută sub efectul de răcire al creuzetului, care poate fi considerată porțiunea bombardată a creuzetului. Astfel, metoda de încălzire cu fascicul de electroni pentru evaporare ar putea evita contaminarea dintre materialul de acoperire și materialul sursă de evaporare.
Structura sursei de evaporare cu fascicul de electroni poate fi împărțită în trei tipuri: tunuri drepte (tunuri Boules), tunuri inelare (deviate electric) și tunuri electronice (deviate magnetic). Într-o instalație de evaporare pot fi plasate unul sau mai multe creuzete, care pot evapora și depune mai multe substanțe diferite simultan sau separat.
Sursele de evaporare cu fascicul de electroni au următoarele avantaje.
①Densitatea mare a fasciculului sursei de evaporare prin bombardament cu fascicul de electroni poate obține o densitate de energie mult mai mare decât sursa de încălzire prin rezistență, care poate evapora materiale cu punct de topire ridicat, cum ar fi W, Mo, Al2O3 etc.
②Materialul de acoperire este plasat într-un creuzet de cupru răcit cu apă, care poate evita evaporarea materialului sursă de evaporare și reacția dintre acestea.
③ Căldura poate fi adăugată direct pe suprafața materialului de acoperire, ceea ce face ca eficiența termică să fie mare și pierderea prin conducție termică și radiație termică să fie scăzută.
Dezavantajul metodei de evaporare prin încălzire cu fascicul de electroni este că electronii primari de la tunul de electroni și electronii secundari de la suprafața materialului de acoperire vor ioniza atomii care se evaporă și moleculele de gaz rezidual, ceea ce va afecta uneori calitatea peliculei.
(3) Evaporare prin încălzire prin inducție de înaltă frecvență prin încălzire prin inducție
Încălzirea prin inducție de înaltă frecvență prin evaporare constă în plasarea creuzetului cu material de acoperire în centrul bobinei spiralate de înaltă frecvență, astfel încât materialul de acoperire să genereze un curenți turbionari puternici și un efect de histerezis sub inducția unui câmp electromagnetic de înaltă frecvență, ceea ce determină încălzirea stratului de film până când acesta se vaporizează și se evaporă. Sursa de evaporare constă, în general, dintr-o bobină de înaltă frecvență răcită cu apă și un creuzet din grafit sau ceramică (oxid de magneziu, oxid de aluminiu, oxid de bor etc.). Sursa de alimentare de înaltă frecvență utilizează o frecvență de zece mii până la câteva sute de mii de Hz, puterea de intrare este de câțiva până la câteva sute de kilowați, cu cât volumul materialului membranei este mai mic, cu atât frecvența de inducție este mai mare. Bobina de inducție de frecvență este de obicei fabricată dintr-un tub de cupru răcit cu apă.
Dezavantajul metodei de evaporare prin încălzire prin inducție de înaltă frecvență este că nu este ușor să se regleze fin puterea de intrare, având următoarele avantaje.
①Rată mare de evaporare
②Temperatura sursei de evaporare este uniformă și stabilă, astfel încât nu este ușor să se producă fenomenul de stropire cu picături de acoperire și, de asemenea, se poate evita fenomenul de formare a găurilor pe pelicula depusă.
③Sursa de evaporare se încarcă o singură dată, iar temperatura este relativ ușor și simplu de controlat.
Data publicării: 28 oct. 2022