Evaporación térmica en una embarcación calentada por resistencia
La evaporación es un método común de deposición de películas delgadas . El material de origen se evapora al vacío . El vacío permite que las partículas de vapor viajen directamente al objeto de destino (sustrato), donde se condensan nuevamente hasta alcanzar un estado sólido. La evaporación se utiliza en la microfabricación y para fabricar productos a gran escala, como películas de plástico metalizadas .
Historia
La deposición por evaporación se observó por primera vez en las bombillas incandescentes a finales del siglo XIX. El problema del ennegrecimiento de las bombillas era uno de los principales obstáculos para fabricar bombillas de larga duración, y recibió una gran cantidad de estudios por parte de Thomas Edison y su empresa General Electric , así como de muchos otros que trabajaban en sus propias bombillas. El fenómeno fue adaptado por primera vez a un proceso de deposición al vacío por Pohl y Pringsheim en 1912. Sin embargo, encontró poco uso hasta la década de 1930, cuando la gente comenzó a experimentar con formas de hacer espejos recubiertos de aluminio para su uso en telescopios . El aluminio era demasiado reactivo para ser utilizado en la deposición húmeda química o en métodos de galvanoplastia . John D. Strong tuvo éxito en la fabricación de los primeros espejos de aluminio para telescopios en la década de 1930 utilizando la deposición por evaporación. Debido a que produce un recubrimiento amorfo (vítreo) en lugar de cristalino, con alta uniformidad y control preciso del espesor, posteriormente se convirtió en un proceso común para producir recubrimientos ópticos de película delgada a partir de una variedad de materiales, tanto metálicos como no metálicos (dieléctricos), y se ha adoptado para muchos otros usos, como el recubrimiento de juguetes de plástico y piezas de automóviles, la producción de semiconductores y microchips , y películas de Mylar con usos que van desde condensadores hasta el control térmico de naves espaciales . [1]
Principio físico
Islas de plata de un átomo de espesor depositadas sobre la superficie (111) del paladio por evaporación térmica. El sustrato, a pesar de haber recibido un pulido de espejo y un recocido al vacío, aparece como una serie de terrazas. La calibración de la cobertura se logró mediante el seguimiento del tiempo necesario para completar una monocapa completa utilizando microscopía de efecto túnel (STM) y a partir de la aparición de estados de pozo cuántico característicos del espesor de la película de plata en la espectroscopia de fotoemisión (ARPES). El tamaño de la imagen es de 250 nm por 250 nm. [2]
La evaporación implica dos procesos básicos: una fuente de calor evapora un material y este se condensa en un sustrato más frío que está por debajo de su punto de fusión. Se parece al proceso conocido por el cual el agua líquida aparece en la tapa de una olla hirviendo. Sin embargo, el entorno gaseoso y la fuente de calor (ver "Equipo" a continuación) son diferentes. Los líquidos como el agua no pueden existir en el vacío, porque requieren cierto nivel de presión externa para mantener unidos los átomos y las moléculas. En el vacío, los materiales se subliman (se vaporizan), se expanden hacia afuera y, al entrar en contacto con una superficie, se condensan nuevamente en un sólido ( depósito ) sin pasar nunca por un estado líquido. Por lo tanto, en comparación con el agua, el proceso es más parecido a la formación de escarcha en una ventana.
La evaporación se produce en vacío, es decir, los vapores distintos del material de origen se eliminan casi por completo antes de que comience el proceso. En alto vacío (con un largo recorrido libre medio ), las partículas evaporadas pueden viajar directamente al objetivo de deposición sin colisionar con el gas de fondo. (Por el contrario, en el ejemplo de la olla en ebullición, el vapor de agua empuja el aire fuera de la olla antes de que pueda llegar a la tapa). A una presión típica de 10 −4 Pa, una partícula de 0,4 nm tiene un recorrido libre medio de 60 m. Los objetos calientes en la cámara de evaporación, como los filamentos calefactores, producen vapores no deseados que limitan la calidad del vacío.
Los átomos evaporados que chocan con partículas extrañas pueden reaccionar con ellas; por ejemplo, si se deposita aluminio en presencia de oxígeno, formará óxido de aluminio. También reducen la cantidad de vapor que llega al sustrato, lo que dificulta el control del espesor.
Los materiales evaporados se depositan de manera no uniforme si el sustrato tiene una superficie rugosa (como suele ocurrir con los circuitos integrados). Debido a que el material evaporado ataca al sustrato principalmente desde una única dirección, las características salientes bloquean el material evaporado en algunas áreas. Este fenómeno se denomina "sombreado" o "cobertura escalonada".
Cuando la evaporación se realiza en condiciones de vacío deficiente o cerca de la presión atmosférica, la deposición resultante generalmente no es uniforme y tiende a no ser una película continua o lisa, sino que más bien parece borrosa.
Equipo
Un evaporador térmico con un bote de molibdeno fijado entre dos pasamuros de cobre macizos enfriados por agua.
Cualquier sistema de evaporación incluye una bomba de vacío . También incluye una fuente de energía que evapora el material a depositar. Existen muchas fuentes de energía diferentes:
En el método térmico , el material metálico (en forma de alambre, pellets, granalla) se introduce en evaporadores semimetálicos (cerámicos) calentados, conocidos como "barcos" debido a su forma. En la cavidad del barco se forma un charco de metal fundido que se evapora formando una nube sobre la fuente. Alternativamente, el material fuente se coloca en un crisol , que se calienta radiativamente mediante un filamento eléctrico, o el material fuente se puede colgar del propio filamento ( evaporación del filamento ).
En el método de haz de electrones , la fuente se calienta mediante un haz de electrones con una energía de hasta 15 keV .
En la evaporación instantánea , un alambre fino o polvo de material fuente se alimenta continuamente a una barra metálica o cerámica caliente y se evapora al contacto.
La evaporación resistiva se logra haciendo pasar una corriente grande a través de un alambre o una lámina resistiva que contiene el material que se va a depositar. El elemento calefactor se suele denominar "fuente de evaporación". Las fuentes de evaporación de tipo alambre están hechas de alambre de tungsteno y pueden tener forma de filamentos, cestas, calentadores o fuentes puntuales con forma de bucle. Las fuentes de evaporación de tipo barco están hechas de tungsteno, tantalio, molibdeno o materiales de tipo cerámico capaces de soportar altas temperaturas.
La evaporación por calentamiento por inducción implica el calentamiento de un material fuente utilizando un calentador de inducción . [3]
Algunos sistemas montan el sustrato sobre un mecanismo planetario fuera del plano. El mecanismo hace girar el sustrato simultáneamente alrededor de dos ejes para reducir las sombras.
Mejoramiento
La pureza de la película depositada depende de la calidad del vacío y de la pureza del material original.
A una presión de vacío determinada, la pureza de la película será mayor a tasas de deposición más altas, ya que esto minimiza la tasa relativa de inclusión de impurezas gaseosas.
El espesor de la película varía según la geometría de la cámara de evaporación. Las colisiones con gases residuales agravan la falta de uniformidad del espesor.
Los filamentos de alambre para evaporación no pueden depositar películas gruesas, porque el tamaño del filamento limita la cantidad de material que se puede depositar. Las navetas y crisoles de evaporación ofrecen mayores volúmenes para recubrimientos más gruesos. La evaporación térmica ofrece velocidades de evaporación más rápidas que la pulverización catódica . La evaporación instantánea y otros métodos que utilizan crisoles pueden depositar películas gruesas.
Para depositar un material, el sistema de evaporación debe poder vaporizarlo. Esto hace que los materiales refractarios, como el tungsteno, sean difíciles de depositar mediante métodos que no utilicen calentamiento por haz de electrones.
La evaporación por haz de electrones permite un control estricto de la velocidad de evaporación. De este modo, un sistema de haz de electrones con múltiples haces y múltiples fuentes puede depositar un compuesto químico o un material compuesto de composición conocida.
Cobertura de pasos
Aplicaciones
Máquina de evaporación utilizada para metalización en las instalaciones tecnológicas de LAAS en Toulouse, Francia.
Un ejemplo importante de un proceso evaporativo es la producción de películas de PET aluminizadas para embalaje en un sistema de rollo a rollo . A menudo, la capa de aluminio de este material no es lo suficientemente gruesa como para ser totalmente opaca, ya que se puede depositar una capa más fina de forma más económica que una gruesa. El objetivo principal del aluminio es aislar el producto del entorno externo creando una barrera al paso de la luz , el oxígeno o el vapor de agua.
La pulverización catódica tiende a depositar el material más lentamente que la evaporación.
La pulverización catódica utiliza un plasma que produce muchos átomos de alta velocidad que bombardean el sustrato y pueden dañarlo. Los átomos evaporados tienen una distribución de energía maxwelliana , determinada por la temperatura de la fuente, que reduce la cantidad de átomos de alta velocidad. Sin embargo, los haces de electrones tienden a producir rayos X ( Bremsstrahlung ) y electrones dispersos, cada uno de los cuales también puede dañar el sustrato.
Referencias
^ Los fundamentos de la tecnología de recubrimiento al vacío Por DM Mattox -- Springer 2004 Página 37
^ Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (16 de diciembre de 2005). "Estudio experimental y ab initio de las propiedades estructurales y electrónicas de películas de Ag de espesor subnanómetro sobre Pd(111)". Physical Review B . 72 (23): 235418. doi :10.1103/PhysRevB.72.235418.
^ Kuzmichev, Anatoly; Tsybulsky, Leonid (14 de febrero de 2011). Grundas, Stanisaw (ed.). "Evaporadores con calentamiento por inducción y sus aplicaciones". InTech. doi : 10.5772/13934 . ISBN978-953-307-522-8. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
Jaeger, Richard C. (2002). "Deposición de películas". Introducción a la fabricación microelectrónica (2.ª ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.
Semiconductor Devices: Physics and Technology, de SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , tiene una discusión especialmente detallada de la deposición de películas por evaporación.
Catálogo de fuentes de evaporación de RD Mathis Company, por RD Mathis Company, páginas 1 a 7 y página 12, 1992.
Enlaces externos
Referencia sobre evaporación de película delgada: propiedades de materiales comunes
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