Evaporación térmica en un barco con calefacción resistiva.
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 objetivo (sustrato), donde se condensan nuevamente a un estado sólido. La evaporación se utiliza en microfabricación y para fabricar productos a macroescala, como películas plásticas metalizadas .
Historia
La deposición por evaporación se observó por primera vez en bombillas incandescentes a finales del siglo XIX. El problema del ennegrecimiento de las bombillas fue uno de los principales obstáculos para fabricar bombillas de larga duración, y fue objeto de un gran estudio 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 poca utilidad hasta la década de 1930, cuando la gente comenzó a experimentar formas de fabricar espejos recubiertos de aluminio para su uso en telescopios . El aluminio era demasiado reactivo para ser utilizado en métodos de deposición química húmeda o galvanoplastia . John D. Strong logró fabricar los primeros espejos telescópicos de aluminio en la década de 1930 mediante 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. dieléctrico), 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 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 en la (111) superficie del paladio por evaporación térmica. El sustrato, aunque recibió un pulido espejo y 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 mediante microscopía de efecto túnel (STM) y de la aparición de estados de pozo cuántico característicos del espesor de la película de plata en 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 caliente evapora un material y este se condensa en un sustrato más frío que está por debajo de su punto de fusión. Se parece al conocido proceso por el cual aparece agua líquida en la tapa de una olla hirviendo. Sin embargo, el ambiente gaseoso y la fuente de calor (consulte "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 (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 se parece más a la formación de escarcha en una ventana.
La evaporación tiene lugar al 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 camino libre medio largo ), las partículas evaporadas pueden viajar directamente al objetivo de deposición sin chocar con el gas de fondo. (Por el contrario, en el ejemplo de la olla hirviendo, el vapor de agua empuja el aire fuera de la olla antes de que pueda alcanzar la tapa). A una presión típica de 10 −4 Pa, una partícula de 0,4 nm tiene un camino libre medio de 60 metro. 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 el aluminio se deposita en presencia de oxígeno, se 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 el sustrato principalmente desde una sola dirección, las características sobresalientes bloquean el material evaporado en algunas áreas. Este fenómeno se llama "sombreado" o "cobertura de pasos".
Cuando la evaporación se realiza en un 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. Más bien, la declaración parecerá confusa.
Equipo
Un evaporador térmico con un recipiente de molibdeno fijado entre dos enormes pasamuros de cobre 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, bolitas o perdigones) se introduce en evaporadores semimetálicos (cerámicos) calentados, conocidos como "barcos" debido a su forma. Se forma un charco de metal derretido en la cavidad del barco y 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 del 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 de origen se alimenta continuamente sobre 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 lámina resistiva que contiene el material a depositar. El elemento calefactor a menudo se denomina "fuente de evaporación". Las fuentes de evaporación de tipo alambre están hechas de alambre de tungsteno y pueden formarse en filamentos, cestas, calentadores o fuentes puntuales con forma de bucle. Las fuentes de evaporación tipo barco están fabricadas con materiales de tipo tungsteno, tantalio, molibdeno o cerámicos capaces de soportar altas temperaturas.
Algunos sistemas montan el sustrato en un mecanismo planetario fuera del plano. El mecanismo gira 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 de origen.
A una presión de vacío dada, la pureza de la película será mayor a velocidades de deposición más altas, ya que esto minimiza la tasa relativa de inclusión de impurezas gaseosas.
El espesor de la película variará debido a 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. Los botes de evaporación y los crisoles ofrecen volúmenes más altos para recubrimientos más gruesos. La evaporación térmica ofrece tasas de evaporación más rápidas que la pulverización catódica . La evaporación instantánea y otros métodos que utilizan crisoles pueden depositar películas gruesas.
Para poder 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 utilizan calentamiento por haz de electrones.
La evaporación por haz de electrones permite un control estricto de la tasa de evaporación. Por tanto, un sistema de haces de electrones con múltiples haces y múltiples fuentes puede depositar un compuesto químico o material compuesto de composición conocida.
Un ejemplo importante de un proceso de evaporación es la producción de película de embalaje de PET aluminizada en un sistema de bobina de rollo a rollo . A menudo, la capa de aluminio de este material no es lo suficientemente gruesa como para ser completamente opaca, ya que una capa más delgada puede depositarse más económicamente que una gruesa. El objetivo principal del aluminio es aislar el producto del ambiente externo creando una barrera al paso de la luz , el oxígeno o el vapor de agua.
La pulverización catódica tiende a depositar material más lentamente que la evaporación.
La pulverización catódica utiliza 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, lo que reduce el número de átomos de alta velocidad. Sin embargo, los rayos de electrones tienden a producir rayos X ( Bremsstrahlung ) y electrones perdidos, los cuales también pueden 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.; Milún, 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 subnanométrico sobre Pd (111)". Revisión física B. 72 (23): 235418. doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418.
Jaeger, Richard C. (2002). "Deposición cinematográfica". Introducción a la fabricación microelectrónica (2ª ed.). Río Upper Saddle: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.
Dispositivos semiconductores: física y tecnología, de SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , tiene una discusión especialmente detallada sobre la deposición de películas por evaporación.
Catálogo de fuentes de evaporación de RD Mathis Company, de RD Mathis Company, páginas 1 a 7 y página 12, 1992.
enlaces externos
Referencia de evaporación de película delgada: propiedades de materiales comunes
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