Načelo vakuumskega izparevanja pri nanosu
1. Oprema in fizikalni postopek vakuumskega izhlapevanja
Oprema za vakuumsko izhlapevanje je sestavljena predvsem iz vakuumske komore in sistema za evakuacijo. V vakuumski komori so vir izhlapevanja (tj. grelec za izhlapevanje), substrat in okvir substrata, grelec substrata, izpušni sistem itd.
Premazni material se namesti v vir izhlapevanja vakuumske komore in ga v pogojih visokega vakuuma vir izhlapevanja segreva, da izhlapi. Ko je povprečni prosti doseg molekul pare večji od linearne velikosti vakuumske komore, atomi in molekule filmske pare, ki uidejo s površine vira izhlapevanja, le redko naletijo na trke z drugimi molekulami ali atomi in neposredno dosežejo površino substrata, ki ga je treba premazati. Zaradi nizke temperature substrata se delci filmske pare na njem kondenzirajo in tvorijo film.
Za izboljšanje oprijema molekul izhlapevanja in substrata se lahko substrat aktivira z ustreznim segrevanjem ali ionskim čiščenjem. Vakuumsko izhlapevanje nanese na podlago, ki poteka skozi naslednje fizikalne procese, od izhlapevanja materiala, transporta do nanašanja v film.
(1) Z uporabo različnih načinov pretvorbe drugih oblik energije v toplotno energijo se filmski material segreje, da izhlapi ali sublimira v plinaste delce (atome, molekule ali atomske skupke) z določeno količino energije (0,1 do 0,3 eV).
(2) Plinasti delci zapustijo površino filma in se z določeno hitrostjo gibanja, v bistvu brez trkov, v ravni črti prenesejo na površino substrata.
(3) Plinasti delci, ki dosežejo površino substrata, se združijo in tvorijo nukleacijo, nato pa zrastejo v trdnofazni film.
(4) Reorganizacija ali kemična vezava atomov, ki sestavljajo film.
2. Ogrevanje z izhlapevanjem
(1) Uporno segrevanje, izhlapevanje
Uporovno segrevanje in izhlapevanje je najpreprostejša in najpogosteje uporabljena metoda segrevanja, ki se običajno uporablja za premazne materiale s tališčem pod 1500 ℃. Kovine z visokim tališčem v obliki žice ali pločevine (W, Mo, Ti, Ta, borov nitrid itd.) so običajno izdelane v primerno obliko vira izhlapevanja, napolnjene z izhlapevalnimi materiali, ki s pomočjo Joulove toplote električnega toka talijo, izhlapevajo ali sublimirajo prevlečni material. Oblika vira izhlapevanja vključuje predvsem večnitno spiralo, obliko črke U, sinusni val, tanko ploščo, čoln, stožčasto košaro itd. Hkrati metoda zahteva, da ima izvorni material izhlapevanja visoko tališče, nizek tlak nasičene pare, stabilne kemijske lastnosti, da ne reagira kemično s premaznim materialom pri visoki temperaturi, da je dobro toplotno odporen in da ima majhno spremembo gostote moči itd. Za neposredno segrevanje se uporablja visok tok skozi vir izhlapevanja, da se filmski material segreje in izhlapi, ali pa se filmski material za posredno segrevanje namesti v lonček iz grafita in nekaterih visokotemperaturno odpornih kovinskih oksidov (kot so A202, B0) in drugih materialov, da se izhlapi.
Premaz z uporovnim segrevanjem in izhlapevanjem ima omejitve: ognjevzdržne kovine imajo nizek parni tlak, zaradi česar je težko narediti tanko plast; nekateri elementi zlahka tvorijo zlitino z grelno žico; ni enostavno dobiti enakomerne sestave zlitine. Zaradi preproste strukture, nizke cene in enostavnega delovanja je metoda uporovnega segrevanja in izhlapevanja zelo pogosta uporaba metode izhlapevanja.
(2) Izhlapevanje z elektronskim žarkom
Izhlapevanje z elektronskim žarkom je metoda izhlapevanja premaznega materiala z bombardiranjem z elektronskim žarkom visoke gostote energije, ki se namesti v vodno hlajeni bakreni lonček. Vir izhlapevanja je sestavljen iz vira elektronske emisije, vira energije za pospeševanje elektronov, lončka (običajno bakrenega lončka), tuljave magnetnega polja in kompleta za hladilno vodo itd. V tej napravi se segreti material namesti v vodno hlajeni lonček, elektronski žarek pa bombardira le zelo majhen del materiala, medtem ko večina preostalega materiala ostane pri zelo nizki temperaturi pod hladilnim učinkom lončka, kar lahko štejemo za bombardirani del lončka. Tako se lahko metoda segrevanja z elektronskim žarkom za izhlapevanje izogne kontaminaciji med premaznim materialom in izvornim materialom izhlapevanja.
Strukturo vira elektronskega izhlapevanja lahko razdelimo na tri tipe: ravne pištole (Boulesove pištole), obročaste pištole (električno odklonjene) in elektronske pištole (magnetno odklonjene). V izhlapevalno napravo je mogoče namestiti enega ali več lončkov, ki lahko hkrati ali ločeno izhlapevajo in odlagajo veliko različnih snovi.
Viri izhlapevanja z elektronskim žarkom imajo naslednje prednosti.
①Visoko gostoto snopa izparilnega vira z bombardiranjem z elektronskim snopom lahko doseže veliko večjo energijsko gostoto kot vir uporovnega segrevanja, ki lahko izpari materiale z visokim tališčem, kot so W, Mo, Al2O3 itd.
②Premaz se namesti v vodno hlajen bakreni lonček, kar preprečuje izhlapevanje izvornega materiala in reakcijo med njima.
③Toplota se lahko doda neposredno na površino premaznega materiala, zaradi česar je toplotna učinkovitost visoka, izguba toplotne prevodnosti in toplotnega sevanja pa nizka.
Slabost metode izhlapevanja z elektronskim žarkom je, da primarni elektroni iz elektronskega topa in sekundarni elektroni s površine premaznega materiala ionizirajo uparjalne atome in molekule preostalih plinov, kar včasih vpliva na kakovost filma.
(3) Visokofrekvenčno indukcijsko segrevanje in izhlapevanje
Visokofrekvenčno indukcijsko segrevanje z izhlapevanjem pomeni, da se lonček s premaznim materialom namesti v središče visokofrekvenčne spiralne tuljave, tako da premazni material pod vplivom visokofrekvenčnega elektromagnetnega polja ustvari močan vrtinčni tok in histerezni učinek, zaradi česar se filmska plast segreje, dokler se ne upari in izhlapi. Vir izhlapevanja je običajno sestavljen iz vodno hlajene visokofrekvenčne tuljave in grafitnega ali keramičnega (magnezijev oksid, aluminijev oksid, borov oksid itd.) lončka. Visokofrekvenčni napajalnik uporablja frekvenco od deset tisoč do nekaj sto tisoč Hz, vhodna moč pa je od nekaj sto do nekaj sto kilovatov, manjši kot je volumen membranskega materiala, višja je indukcijska frekvenca. Indukcijska tuljava je običajno izdelana iz vodno hlajene bakrene cevi.
Slabost metode visokofrekvenčnega indukcijskega segrevanja in izhlapevanja je, da ni enostavno natančno nastaviti vhodne moči, ima pa naslednje prednosti.
①Visoka stopnja izhlapevanja
②Temperatura vira izhlapevanja je enakomerna in stabilna, zato ni enostavno povzročiti pojava brizganja kapljic premaza, poleg tega pa se lahko izognemo tudi pojavu luknjic na nanesenem filmu.
③Vir izhlapevanja se napolni enkrat, temperatura pa je relativno enostavna in preprosta za nadzor.
Čas objave: 28. oktober 2022