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 se bombardea con un haz de electrones emitido por un filamento de tungsteno cargado en alto vacío. El haz de electrones hace que los átomos del objetivo se transformen en fase gaseosa. Luego, estos átomos precipitan en forma sólida, cubriendo 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 cultivar materiales electrónicos , en la industria aeroespacial para formar recubrimientos de barrera térmica y química para proteger superficies contra ambientes corrosivos, en óptica para impartir las propiedades reflectantes y transmisivas deseadas a un sustrato y en otros lugares. en 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 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 velocidad 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 evacuarse 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 un 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 con magnetrón. [2] Se pueden usar múltiples 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 pueden generarse mediante emisión termoiónica , emisión de electrones de campo o el método del arco anódico. El haz de electrones generado se acelera hasta alcanzar una alta energía cinética y se dirige hacia el material de evaporación. Al chocar contra 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 provocando que se derrita o se sublime. Una vez que la temperatura y el nivel de vacío son suficientemente altos, se formará vapor del fundido o del sólido. El vapor resultante se puede utilizar luego para recubrir superficies. Las tensiones de aceleración pueden oscilar entre 3 y 40 kV. Cuando el voltaje de aceleración es de 20 a 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 de los electrones incidentes se pierde mediante la producción de rayos X y la emisión de electrones secundarios.
Hay tres configuraciones principales de EBPVD: alineación electromagnética, enfoque electromagnético y configuración de caída 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 monta en un extremo en un casquillo. Tanto el crisol como el casquillo deben estar fríos. Esto normalmente se hace mediante la circulación de agua . En el caso de los lingotes se puede formar líquido fundido en su superficie, que puede mantenerse 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 lingotes se evaporan en el vacío mediante un 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 , dando como resultado una estequiometría diferente a la del material inicial. Por ejemplo, la alúmina, cuando se evapora mediante un haz de electrones, se disocia en aluminio, AlO 3 y Al 2 O. 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 pueden depositarse sobre el sustrato mediante evaporación reactiva o mediante coevaporación. En el proceso de evaporación reactiva, el metal se evapora del lingote mediante un haz de electrones. Los vapores son transportados por el gas reactivo, que es oxígeno en el caso de óxidos metálicos o acetileno en el caso de 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 mediante 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 tasa 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 con ultrasonidos y se fija al soporte del sustrato. El soporte del sustrato está unido al eje del manipulador. El eje manipulador se mueve traslacionalmente para ajustar la distancia entre la fuente de lingote y el sustrato. El eje también hace girar el sustrato a una velocidad particular de modo que la película se deposita uniformemente sobre el sustrato. Se puede aplicar al sustrato un voltaje CC de polarización negativa de 200 a 400 V. A menudo, para precalentar el sustrato se utilizan electrones enfocados de alta energía de uno de los cañones de electrones o luz infrarroja de lámparas calefactoras. El calentamiento del sustrato permite una mayor difusión de adatom -sustrato y adatom-película al darles a los adatoms 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 se puede montar en un ángulo pronunciado con respecto al flujo para lograr un sombreado geométrico, donde la línea de visión entrante aterriza solo en las partes más altas de la película en revelado. Este método se conoce como deposición de ángulo oblicuo (GLAD) [6] o deposición de ángulo oblicuo (OAD). [7]
Los sistemas EBPVD están equipados con fuentes de iones. Estas fuentes de iones se utilizan para grabar y limpiar sustratos, pulverizar el objetivo y controlar 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 del sustrato caliente, 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 cerámicos de barrera térmica 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 películas semiconductoras.
La velocidad de deposición en este proceso puede ser desde 1 nm por minuto hasta unos pocos micrómetros por minuto. La eficiencia de utilización del material es alta en comparación con otros métodos y el proceso ofrece control estructural y morfológico de las películas. Debido a la muy alta tasa de deposición, este proceso tiene una aplicación industrial potencial para recubrimientos de barrera térmica y resistentes al desgaste en industrias aeroespaciales, recubrimientos duros para industrias de corte y herramientas , y películas electrónicas y ópticas para industrias de semiconductores y aplicaciones solares de película delgada.
EBPVD es un proceso de deposición en la línea de visión cuando se realiza a una presión 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 se pueden recubrir las superficies que no están a la vista de la fuente. Estrictamente hablando, la lenta transición de la línea de visión a la deposición dispersa está determinada no sólo por la presión (o el camino libre medio) sino también por la distancia entre la fuente y el sustrato.
Ciertos materiales no son adecuados para la evaporación por EBPVD. Los siguientes materiales de referencia sugieren técnicas de evaporación apropiadas para muchos materiales:
Consulte también la Guía de evaporación de los elementos de Oxford.
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