Spray termic

Pulverizarea termică (cunoscută și sub numele de evaporare termică ) este o metodă de depunere în vid utilizată pe scară largă . Materia primă este evaporată în vid . Vidul permite particulelor de vapori să se condenseze direct pe produsul pulverizat (substrat). Pulverizarea termică este utilizată în microfabricare și pentru fabricarea de produse precum folie de plastic metalizată sau sticlă colorată .

Principiul fizic

Pulverizarea termică utilizează două procese fizice: evaporarea materiei prime încălzite și condensarea acesteia pe substrat. În mod similar, picături de apă apar pe capacul unei oale care fierbe. Cu toate acestea, cheia procesului de depunere este că are loc în vid.

În vid înalt , calea liberă medie a particulelor evaporate este mai mare decât distanța până la substrat și acestea pot cădea pe acesta fără a fi împrăștiate de molecule de gaz rezidual (spre deosebire de exemplul de cratiță de mai sus, unde vaporii de apă trebuie să înlocuiască mai întâi aerul). de sub capac). La presiunea folosită în mod obișnuit de 10 -4 Pa , o particulă cu un diametru de 0,4 nm are o cale liberă medie de 60 m . Datorită absenței coliziunilor, particulele de material evaporat păstrează o temperatură ridicată , ceea ce le oferă mobilitatea necesară pentru a forma un strat dens pe substrat. Vidul este, de asemenea, un mediu protector, permițând evaporarea materialelor active din punct de vedere chimic fără a le perturba compoziția chimică.

Materialul evaporat se depune neuniform dacă substratul are o suprafață neuniformă, așa cum este adesea cazul în cazul circuitelor integrate . Deoarece particulele evaporate lovesc substratul predominant dintr-o direcție, caracteristicile proeminente ale reliefului împiedică materialul să ajungă în anumite zone ale suprafeței. Acest fenomen se numește „mascare” sau „umbrire”.

Dacă încercați să efectuați procesul de depunere sub vid slab, acoperirea rezultată va fi, de regulă, neomogenă, poroasă din cauza incluziunilor de gaz și discontinuă. Culoarea acoperirii va diferi de cea a materialului pur și suprafața va fi mată (aspră), indiferent de netezimea substratului. Compozitia chimica va diferi si de cea originala datorita formarii de oxizi , hidroxizi si nitruri .

Dezavantajul metodei este complexitatea depunerii materialelor cu compoziție complexă din cauza fracționării , care apare din cauza diferenței presiunilor de vapori ale componentelor. Acest neajuns este lipsit, de exemplu, de metoda de pulverizare cu magnetron .

Echipament

Sistemul de pulverizare termică include, cel puțin, o cameră de vid , în care un vid înalt este menținut printr-un sistem special de evacuare, un substrat și o sursă de căldură transferată către materialul evaporat. Ca sursă de căldură pot fi utilizate:

evaporatoare rezistive [1] , care sunt o „barcă” din ceramică conductoare sau metal refractar (numit așa datorită formei sale), prin care trece un curent electric , încălzindu -l. Materialul de evaporat este plasat în locașul bărcii, unde se evaporă (nu neapărat din faza lichidă ). Dezavantajul acestei metode este furnizarea limitată de material, limitată de dimensiunea bărcii. Un caz special este depunerea de la încălzitoarele de sârmă, pe care materialul evaporat este ținut din cauza forțelor de tensiune superficială . Folosit pentru pulverizarea aluminiului .
creuzet cu încălzire indirectă, electronică sau inducție . În primul caz, încălzirea se realizează printr-un flux de electroni care intră în creuzet de la un catod inelar situat în jurul creuzetului, în al doilea caz, prin curenți turbionari în creuzet însuși, excitați de un inductor.
fascicul de electroni [2] . În acest caz, materialul poate fi încălzit și evaporat local, rămânând în mare parte rece, ceea ce face posibilă existența unui aport foarte mare de material în creuzet. O variație a acestei metode este evaporarea dintr-un „creuzet automat”, când materialul este plasat într-un creuzet răcit, se formează un strat de fază solidă de-a lungul pereților, protejând creuzetul de acțiunea metalului lichid. Această metodă este folosită, de exemplu, pentru evaporarea aluminiului, care sub formă lichidă este extrem de agresiv pentru majoritatea materialelor.
ablatie cu laser . Materialul se evaporă datorită încălzirii în focarul fasciculului laser de putere instantanee mare [3] . Temperatura din punctul de căldură poate fi suficient de mare pentru a forma o plasmă izotermă , adică particulele de material evaporat sunt ionizate . Metoda face posibilă evaporarea metalelor refractare și a materialelor cu compoziție complexă.

O variație a metodei rezistive este evaporarea explozivă („flash” evaporare), care este utilizată pentru a evapora materiale cu compoziție complexă [4] . Temperatura bărcii este menținută cu mult peste cea necesară pentru evaporarea componentei cu cea mai scăzută presiune de vapori, iar materialul este alimentat sub formă de pulbere sau granule folosind un dispozitiv special de dozare. Ca urmare, boabele mici de pulbere se evaporă aproape instantaneu și toate componentele ajung la substrat în același timp, păstrând stoichiometria originală .

Pentru a asigura uniformitatea depunerii, sunt utilizate diferite versiuni de suporturi rotative pentru substrat. De regulă, instalația este echipată și cu un sistem de curățare ionică pentru substraturi sau un încălzitor pentru a asigura curățenia și aderența necesară a suprafeței .

Caracteristici

Puritatea învelișului depus depinde de calitatea vidului și de compoziția materiei prime.
La o anumită presiune, puritatea filmului va fi mai mare la o rată de depunere mai mare, deoarece raportul dintre fluxurile de material evaporat și gazele reziduale este mai mare.
Grosimea filmului depinde de geometria sistemului de pulverizare.
Evaporatoarele de sârmă nu pot fi utilizate pentru depunerea de pelicule groase, deoarece există o limită a cantității de material care poate fi reținut pe ele. Bărcile vă permit să aveți o rezervă mai mare de material, iar metoda fasciculului de electroni este practic nelimitată.
Metoda de evaporare este cea mai rapidă și mai eficientă dintre toate metodele de depunere.
Nu toate materialele pot fi pulverizate prin evaporare termică. Metalele refractare au o presiune de vapori prea scăzută și necesită o temperatură foarte ridicată pentru a se evapora. Mulți compuși se descompun la o temperatură mai mică decât încep să se evapore, chiar și la presiuni scăzute.
Metoda fasciculului de electroni are cea mai mare flexibilitate, ceea ce face posibilă distribuirea flexibilă a puterii termice peste mai multe obiecte de încălzire și astfel obținerea unor filme cu o compoziție controlată.

Aplicație

Un exemplu de aplicare prin pulverizare termică este producția de folie de ambalare din polietilenă metalizată . De regulă, stratul de aluminiu din acest material este atât de subțire încât este practic transparent, dar împiedică totuși în mod eficient pătrunderea oxigenului și a vaporilor de apă prin film . În microtehnologie , pulverizarea termică este utilizată pentru a pulveriza straturile de metalizare . În optică - pentru depunerea de acoperiri antireflex sau reflectorizante. În producția de afișaje plate - pentru depunerea de straturi conductoare transparente.

Comparație cu alte metode de pulverizare

Metodele alternative de acoperire, cum ar fi pulverizarea sau depunerea chimică a vaporilor, permit pelicule mai continue și mai mult praf pe fețele laterale. În funcție de sarcină, aceasta poate fi atât un avantaj, cât și un dezavantaj.
De regulă, pulverizarea este o metodă mult mai lentă de pulverizare. În plus, eficiența energetică a evaporării este aproape de ideală, în timp ce pulverizarea este cu ordine de mărime mai proastă.
Atomii pulverizați au o energie cinetică mare , ceea ce duce la o îmbunătățire semnificativă a calității filmelor , dar creează un risc de deteriorare a substratului. Cu toate acestea, în timpul evaporării fasciculului de electroni, electronii reflectați și razele X bremsstrahlung pot deteriora, de asemenea, substratul.

Note

↑ Gotra, 1991 , p. 270-273.
↑ Gotra, 1991 , p. 262-270.
↑ Gotra, 1991 , p. 276-278.
↑ Gotra, 1991 , p. 273-274.

Literatură

Gotra Z. Yu. Tehnologia dispozitivelor microelectronice. Director. - M . : Radio şi comunicare, 1991. - 528 p. - ISBN 5-256-00699-1 .

Danilin B.S. Utilizarea plasmei la temperatură joasă pentru depunerea filmelor subțiri. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.

Jaeger, Richard C. Film Deposition // Introducere în fabricarea microelectronică . — al 2-lea. - Upper Saddle River: Prentice Hall , 2002.
Dispozitive semiconductoare: fizică și tehnologie, de SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , conține o expunere deosebit de detaliată a metodei de evaporare termică.
Catalogul surselor de evaporare a companiei RD Mathis, de la compania RD Mathis, paginile 1 până la 7 și pagina 12, 1992.

Link -uri

Dicționare și enciclopedii	Britannica (online)