La deposición física de vapor por haz de electrones , o EBPVD , es una forma de deposición física de vapor en la que un ánodo objetivo es bombardeado con un haz de electrones emitido por un filamento de tungsteno cargado en condiciones de alto vacío. El haz de electrones hace que los átomos del objetivo se transformen en fase gaseosa. Estos átomos luego se precipitan en forma sólida, recubriendo todo lo que se encuentra en la cámara de vacío (dentro de la línea de visión) con una fina capa del material del ánodo.
La deposición de película delgada es un proceso que se aplica en la industria de semiconductores para hacer crecer materiales electrónicos , en la industria aeroespacial para formar recubrimientos de barrera térmica y química para proteger superficies contra entornos corrosivos, en óptica para impartir las propiedades reflectantes y transmisivas deseadas a un sustrato y en otras partes de la industria para modificar superficies para que tengan una variedad de propiedades deseadas. El proceso de deposición se puede clasificar ampliamente en deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD). En CVD, el crecimiento de la película tiene lugar a altas temperaturas, lo que lleva a la formación de productos gaseosos corrosivos y puede dejar impurezas en la película. El proceso de PVD se puede llevar a cabo a temperaturas de deposición más bajas y sin productos corrosivos, pero las tasas de deposición suelen ser más bajas. Sin embargo, la deposición física de vapor por haz de electrones produce una alta tasa de deposición de 0,1 a 100 μm / min a temperaturas de sustrato relativamente bajas, con una eficiencia de utilización del material muy alta. El esquema de un sistema EBPVD se muestra en la Fig. 1.
En un sistema EBPVD, la cámara de deposición debe ser evacuada a una presión de al menos 7,5 × 10 −5 Torr (10 −2 Pa ) para permitir el paso de electrones desde el cañón de electrones al material de evaporación, que puede estar en forma de lingote o varilla. [1] Alternativamente, algunos sistemas EBPVD modernos utilizan un sistema de supresión de arco y pueden funcionar a niveles de vacío tan bajos como 5,0 × 10 −3 Torr , para situaciones como el uso paralelo con pulverización catódica por magnetrón. [2] Se pueden utilizar varios tipos de materiales de evaporación y cañones de electrones simultáneamente en un solo sistema EBPVD, cada uno con una potencia de decenas a cientos de kilovatios. Los haces de electrones se pueden generar por emisión termoiónica , emisión de electrones de campo o el método de arco anódico. El haz de electrones generado se acelera a una alta energía cinética y se dirige hacia el material de evaporación. Al chocar con el material de evaporación, los electrones perderán su energía muy rápidamente. [3] La energía cinética de los electrones se convierte en otras formas de energía a través de interacciones con el material de evaporación. La energía térmica que se produce calienta el material de evaporación haciendo que se funda o sublime. Una vez que la temperatura y el nivel de vacío son suficientemente altos, el vapor resultará del material fundido o sólido. El vapor resultante se puede utilizar para recubrir superficies. Los voltajes de aceleración pueden estar entre 3 y 40 kV. Cuando el voltaje de aceleración es de 20-25 kV y la corriente del haz es de unos pocos amperios , el 85% de la energía cinética del electrón se puede convertir en energía térmica. Parte de la energía del electrón incidente se pierde a través de la producción de rayos X y la emisión secundaria de electrones.
Existen tres configuraciones principales de EBPVD: alineación electromagnética, enfoque electromagnético y configuración de gota colgante. La alineación electromagnética y el enfoque electromagnético utilizan material de evaporación en forma de lingote, mientras que la configuración de gota colgante utiliza una varilla. Los lingotes se encierran en un crisol o solera de cobre [4] , mientras que una varilla se montará en un extremo en un casquillo. Tanto el crisol como el casquillo deben enfriarse. Esto se hace normalmente mediante circulación de agua . En el caso de los lingotes, se puede formar líquido fundido en su superficie, que se puede mantener constante mediante el desplazamiento vertical del lingote. La tasa de evaporación puede ser del orden de 10 −2 g/(cm 2 ·s).
Los carburos refractarios , como el carburo de titanio , y los boruros, como el boruro de titanio y el boruro de circonio, pueden evaporarse sin sufrir descomposición en la fase de vapor. Estos compuestos se depositan por evaporación directa. En este proceso, estos compuestos, compactados en forma de lingote, se evaporan al vacío mediante el haz de electrones de alta energía enfocado, y los vapores se condensan directamente sobre el sustrato.
Ciertos óxidos y carburos refractarios sufren fragmentación durante su evaporación por el haz de electrones , lo que da como resultado una estequiometría diferente a la del material inicial. Por ejemplo, la alúmina, cuando se evapora por haz de electrones, se disocia en aluminio, AlO3 y Al2O . Algunos carburos refractarios como el carburo de silicio y el carburo de tungsteno se descomponen al calentarlos, y los elementos disociados tienen diferentes volatilidades. Estos compuestos se pueden depositar sobre el sustrato ya sea por evaporación reactiva o por coevaporación. En el proceso de evaporación reactiva, el metal se evapora del lingote por el haz de electrones. Los vapores son transportados por el gas reactivo, que es oxígeno en el caso de los óxidos metálicos o acetileno en el caso de los carburos metálicos. Cuando se cumplen las condiciones termodinámicas, los vapores reaccionan con el gas en las proximidades del sustrato para formar películas. Las películas de carburo metálico también se pueden depositar por coevaporación . En este proceso se utilizan dos lingotes, uno de metal y otro de carbono . Cada lingote se calienta con una energía de haz diferente para poder controlar su velocidad de evaporación. A medida que los vapores llegan a la superficie, se combinan químicamente en condiciones termodinámicas adecuadas para formar una película de carburo metálico.
El sustrato sobre el que se deposita la película se limpia por ultrasonidos y se fija al soporte del sustrato. El soporte del sustrato está unido al eje del manipulador. El eje del manipulador se mueve de forma traslacional para ajustar la distancia entre la fuente de lingotes y el sustrato. El eje también hace girar el sustrato a una velocidad particular para que la película se deposite uniformemente sobre el sustrato. Se puede aplicar al sustrato un voltaje de CC de polarización negativa de 200 a 400 V. A menudo, se utilizan electrones de alta energía enfocados de uno de los cañones de electrones o luz infrarroja de lámparas calefactoras para precalentar el sustrato. El calentamiento del sustrato permite una mayor difusión de adatomo -sustrato y de adatomo-película al proporcionar a los adatomos suficiente energía para superar las barreras cinéticas. Si se desea una película rugosa, como nanobarras metálicas, [5] se puede emplear el enfriamiento del sustrato con agua o nitrógeno líquido para reducir la vida útil de la difusión, reforzando positivamente las barreras cinéticas de la superficie. Para mejorar aún más la rugosidad de la película, el sustrato puede montarse en un ángulo pronunciado con respecto al flujo para lograr un sombreado geométrico, donde el flujo entrante en la línea de visión cae solo sobre las partes más altas de la película en desarrollo. Este método se conoce como deposición en ángulo oblicuo (GLAD) [6] o deposición en ángulo oblicuo (OAD). [7]
Los sistemas EBPVD están equipados con fuentes de iones. Estas fuentes de iones se utilizan para el grabado y la limpieza del sustrato, la pulverización catódica del objetivo y el control de la microestructura del sustrato. Los haces de iones bombardean la superficie y alteran la microestructura de la película. Cuando la reacción de deposición tiene lugar en la superficie caliente del sustrato, las películas pueden desarrollar una tensión de tracción interna debido al desajuste en el coeficiente de expansión térmica entre el sustrato y la película. Se pueden utilizar iones de alta energía para bombardear estos revestimientos de barrera térmica de cerámica y cambiar la tensión de tracción en tensión de compresión . El bombardeo de iones también aumenta la densidad de la película, cambia el tamaño del grano y modifica las películas amorfas a películas policristalinas . Los iones de baja energía se utilizan para las superficies de las películas semiconductoras.
La velocidad de deposición en este proceso puede ser tan baja como 1 nm por minuto o tan alta como unos pocos micrómetros por minuto. La eficiencia de utilización del material es alta en relación con otros métodos, y el proceso ofrece un control estructural y morfológico de las películas. Debido a la altísima velocidad de deposición, este proceso tiene una aplicación industrial potencial para recubrimientos resistentes al desgaste y de barrera térmica en las industrias aeroespaciales, recubrimientos duros para las industrias de corte y herramientas , y películas electrónicas y ópticas para las industrias de semiconductores y aplicaciones solares de película delgada.
La EBPVD es un proceso de deposición en línea de visión cuando se realiza a una presión lo suficientemente baja (aproximadamente <10 −4 Torr). El movimiento de traslación y rotación del eje ayuda a recubrir la superficie exterior de geometrías complejas, pero este proceso no se puede utilizar para recubrir la superficie interior de geometrías complejas. Otro problema potencial es que la degradación del filamento en el cañón de electrones da como resultado una tasa de evaporación no uniforme.
Sin embargo, cuando la deposición de vapor se realiza a presiones de aproximadamente 10 −4 Torr (1,3 × 10 −4 hPa) o superiores, se produce una dispersión significativa de la nube de vapor, de modo que las superficies que no están a la vista de la fuente pueden quedar recubiertas. Estrictamente hablando, la transición lenta de la deposición en línea de visión a la deposición dispersa está determinada no solo por la presión (o el camino libre medio), sino también por la distancia de la fuente al sustrato.
Ciertos materiales no son adecuados para la evaporación por EBPVD. Los siguientes materiales de referencia sugieren técnicas de evaporación adecuadas para muchos materiales:
Consulte también la Guía de evaporación de Oxford para los elementos.
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