Giới thiệu công nghệ phủ màng bằng phương pháp bay hơi chân không

2. Sưởi ấm bằng bay hơi

(1) Sự bay hơi do gia nhiệt điện trở
Phương pháp gia nhiệt bằng điện trở và bay hơi là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất, thường áp dụng cho các vật liệu phủ có điểm nóng chảy dưới 1500℃. Các kim loại có điểm nóng chảy cao ở dạng dây hoặc tấm (W, Mo, Ti, Ta, boron nitride, v.v.) thường được tạo thành nguồn bay hơi có hình dạng phù hợp, chứa vật liệu bay hơi, và sử dụng nhiệt Joule của dòng điện để làm nóng chảy, bay hơi hoặc thăng hoa vật liệu mạ. Hình dạng của nguồn bay hơi chủ yếu bao gồm xoắn ốc nhiều sợi, hình chữ U, hình sin, tấm mỏng, hình thuyền, hình nón, v.v. Đồng thời, phương pháp này yêu cầu vật liệu nguồn bay hơi phải có điểm nóng chảy cao, áp suất hơi bão hòa thấp, tính chất hóa học ổn định, không phản ứng hóa học với vật liệu phủ ở nhiệt độ cao, chịu nhiệt tốt, thay đổi mật độ công suất nhỏ, v.v. Phương pháp này sử dụng dòng điện cao chạy qua nguồn bay hơi để làm nóng và bay hơi vật liệu màng bằng cách gia nhiệt trực tiếp, hoặc đặt vật liệu màng vào nồi nấu chảy làm bằng than chì và một số oxit kim loại chịu nhiệt độ cao (như A2O2, B0) và các vật liệu khác để gia nhiệt gián tiếp cho đến khi bay hơi.
Phương pháp phủ màng bằng bay hơi gia nhiệt điện trở có những hạn chế: kim loại chịu nhiệt có áp suất hơi thấp, khó tạo màng mỏng; một số nguyên tố dễ tạo hợp kim với dây gia nhiệt; khó thu được màng hợp kim có thành phần đồng nhất. Tuy nhiên, do cấu trúc đơn giản, giá thành thấp và dễ vận hành, phương pháp bay hơi gia nhiệt điện trở là một ứng dụng rất phổ biến của phương pháp bay hơi.

(2) Sự bay hơi do gia nhiệt bằng chùm electron
Phương pháp bay hơi bằng chùm electron là phương pháp làm bay hơi vật liệu phủ bằng cách bắn phá nó bằng chùm electron có mật độ năng lượng cao, đặt trong một nồi nấu bằng đồng được làm mát bằng nước. Nguồn bay hơi bao gồm nguồn phát electron, nguồn gia tốc electron, nồi nấu (thường là nồi nấu bằng đồng), cuộn dây từ trường và bộ làm mát bằng nước, v.v. Trong thiết bị này, vật liệu được nung nóng được đặt trong nồi nấu được làm mát bằng nước, và chùm electron chỉ bắn phá một phần rất nhỏ của vật liệu, trong khi phần lớn vật liệu còn lại vẫn ở nhiệt độ rất thấp dưới tác dụng làm mát của nồi nấu, có thể coi là phần bị bắn phá của nồi nấu. Do đó, phương pháp nung nóng bằng chùm electron để bay hơi có thể tránh được sự nhiễm bẩn giữa vật liệu phủ và vật liệu nguồn bay hơi.
Cấu trúc của nguồn bay hơi chùm electron có thể được chia thành ba loại: súng thẳng (súng Boules), súng vòng (lệch hướng bằng điện) và súng electron (lệch hướng bằng từ trường). Một hoặc nhiều chén nung có thể được đặt trong thiết bị bay hơi, có thể làm bay hơi và lắng đọng nhiều chất khác nhau đồng thời hoặc riêng biệt.

Các nguồn bay hơi bằng chùm electron có những ưu điểm sau.
① Mật độ chùm tia cao của nguồn bay hơi bằng bắn phá chùm electron có thể đạt được mật độ năng lượng lớn hơn nhiều so với nguồn gia nhiệt bằng điện trở, có thể làm bay hơi các vật liệu có điểm nóng chảy cao, chẳng hạn như W, Mo, Al2O3, v.v.
② Vật liệu phủ được đặt trong nồi nấu bằng đồng có hệ thống làm mát bằng nước, giúp tránh sự bay hơi của vật liệu nguồn và phản ứng giữa chúng.
③ Nhiệt có thể được truyền trực tiếp lên bề mặt vật liệu phủ, giúp tăng hiệu suất nhiệt và giảm tổn thất do dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Nhược điểm của phương pháp bay hơi bằng gia nhiệt chùm electron là các electron sơ cấp từ súng bắn electron và các electron thứ cấp từ bề mặt vật liệu phủ sẽ ion hóa các nguyên tử bay hơi và các phân tử khí còn sót lại, điều này đôi khi ảnh hưởng đến chất lượng của màng phim.

(3) Bay hơi gia nhiệt cảm ứng tần số cao
Phương pháp bay hơi bằng gia nhiệt cảm ứng tần số cao sử dụng nồi nung có vật liệu phủ ở trung tâm cuộn dây xoắn ốc tần số cao, sao cho vật liệu phủ tạo ra dòng điện xoáy mạnh và hiệu ứng trễ dưới tác động của trường điện từ tần số cao, làm cho lớp màng nóng lên cho đến khi bốc hơi. Nguồn bay hơi thường bao gồm một cuộn dây tần số cao làm mát bằng nước và một nồi nung bằng than chì hoặc gốm (magiê oxit, nhôm oxit, boron oxit, v.v.). Nguồn điện tần số cao sử dụng tần số từ mười nghìn đến vài trăm nghìn Hz, công suất đầu vào từ vài đến vài trăm kilowatt, thể tích vật liệu màng càng nhỏ thì tần số cảm ứng càng cao. Cuộn dây cảm ứng thường được làm bằng ống đồng làm mát bằng nước.
Nhược điểm của phương pháp bay hơi bằng gia nhiệt cảm ứng tần số cao là khó điều chỉnh công suất đầu vào một cách chính xác, nhưng phương pháp này lại có những ưu điểm sau:
①Tốc độ bay hơi cao
② Nhiệt độ của nguồn bay hơi đồng đều và ổn định, do đó không dễ xảy ra hiện tượng bắn tóe các giọt phủ, đồng thời cũng tránh được hiện tượng lỗ kim trên màng phủ.
③Nguồn bay hơi được nạp một lần, và việc kiểm soát nhiệt độ tương đối dễ dàng và đơn giản.