Odparowanie termiczne
Odparowanie termiczne (również osadzanie z fazy gazowej lub osadzanie z fazy gazowej , angielskie odparowanie termiczne ) to technologia powlekania oparta na wysokiej próżni , należąca do procesu PVD . Jest to proces, w którym cały materiał wyjściowy jest podgrzewany przez grzejnik elektryczny (rezystancyjny lub indukcyjny) do temperatur bliskich temperaturze wrzenia, para materiału przemieszcza się do podłoża i tam kondensuje, tworząc warstwę . Jest to jeden z najprostszych procesów odparowywania w technologii powlekania.
W szerszym sensie parowanie termiczne jest rozumiane jako grupa procesów PVD, w których materiał wyjściowy jest podgrzewany na różne sposoby. Do tej grupy zaliczają się m.in. metody odparowywania z wykorzystaniem laserów , wiązek elektronów czy łuku elektrycznego . Cząsteczkowy należy do tej grupy. Z drugiej strony procesy, w których para materiału jest następnie modyfikowana plazmą, jak w przypadku galwanizacji jonowej , nie należą do grupy procesów parowania.
funkcjonalność
Podczas parowania termicznego materiał wyjściowy jest podgrzewany do temperatur bliskich temperaturze wrzenia. W trakcie tego procesu pojedyncze atomy , „ skupiska atomów ” lub cząsteczki rozpuszczają się , to znaczy odparowują i migrują przez komorę próżniową. Ze względu na ułożenie źródła parownika i podłoża para materiału uderza w chłodniejsze podłoże i tam osadza się ( kondensacja ). Na podłożu tworzy się cienka warstwa odparowanego materiału. Wadą tej metody jest to, że materiał pary w próżni do smarowania komór w każdym kierunku i w związku z tym część materiału nieuchronnie również odkłada się na ścianie zbiornika z odbiorcy .
Podobnie jak większość innych procesów PVD, parowanie termiczne odbywa się w wysokiej próżni. Typowe ciśnienia procesowe wynoszą 10–6 mbar . Minimalizuje to kolizje z innymi cząsteczkami gazu - średnia swobodna droga jest znacznie większa niż odległość między źródłem parownika a podłożem. Ciśnienie procesowe musi być również niższe od ciśnienia gazu materiału, który ma być naparowany.
Należy unikać zderzeń z innymi atomami lub cząsteczkami, ponieważ materiał może z nimi reagować chemicznie. Na przykład część oparów metalu może utleniać się, co powoduje zanieczyszczenie osadzonych warstw. W skrajnych przypadkach można było wtedy osadzać warstwy tlenków metali.
Jest to szczególnie wykorzystywane w reaktywnym odparowywaniu . Tlen jest wpuszczany do komory próżniowej i w ten sposób można np. Poprawić osadzanie warstw tlenku cyny indu (warstwy ITO) lub uzyskać osadzanie czarnego niklu (NiO).
Podczas osadzania stopów poszczególne składniki mają zwykle różne prężności par i dlatego są odparowywane z oddzielnych źródeł w różnych temperaturach.
Jeśli ciśnienie resztkowe próżni jest zbyt wysokie, mogą powstać mniej gęste warstwy o różnych właściwościach materiału.
Klasyfikacja na podstawie źródeł parowania
Odparowanie termiczne dzieli się na podgrupy w zależności od zastosowanego parownika.
Procesy, w których materiał jest całkowicie topiony:
- W wyparkach oporowych naczynie przewodzące, tzw. „Łódź”, jest ogrzewane przepływającym przez niego prądem, który również ogrzewa znajdujący się wewnątrz materiał naparowy. Łódź jest wykonana z przewodzącego materiału o wysokiej temperaturze topnienia, często molibdenu , wolframu lub tantalu . Alternatywnie, włókno wolframowe ogrzewa pojemnik z Al 2 O 3 lub azotku boru. Wadą tej metody jest ryzyko zanieczyszczenia materiałem pojemnika.
- Przy nagrzewaniu indukcyjnym w nagrzewnicy indukcyjnej materiał przewodzący we wkładce ( wykładzinie ) jest ogrzewany bezpośrednio przez ( prąd wirowy ).
Procesy, w których topi się tylko część materiału:
- Z elektronami wiązki odparowaniu wiązki elektronów skierowane na materiał odparowania. Energia kinetyczna elektronów jest przenoszona na materiał, który ma zostać odparowany, w wyniku nieelastycznych zderzeń i jest w ten sposób podgrzewany. Znajduje się w chłodzonym wodą miedzianym tyglu lub w wyłożeniu z molibdenu, tantalu, azotku boru lub grafitu w tym miedzianym tyglu. W przypadku tej metody zanieczyszczenie materiałem tygla jest prawie niemożliwe.
- W przypadku odparowania łuku , materiał naparowywany jest topiony między katodą a anodą przez wyładowania łukowe wysokoprądowe o natężeniu kilku amperów.
- W przypadku odparowywania wiązki laserowej , krótkoimpulsowy laser jest kierowany na parujący materiał i miejscowo topiony lub odparowywany.
Obszary zastosowań
Typowymi materiałami stosowanymi w tym procesie są metale (np. Miedź , srebro , złoto ), ale można w ten sposób osadzać również inne materiały, takie jak dwutlenek krzemu , tlenek cyny indu lub półprzewodniki organiczne (np. Pentacen ). Ze względu na tę różnorodność temperatura procesu jest bardzo różna, więc metale są odparowywane w temperaturze 1000–3400 ° C. Z drugiej strony inne materiały wymagają znacznie niższych temperatur (np. Pentacen przy ok. 290 ° C lub tlenek cyny indu przy ok. 600 ° C).
Kontrola temperatury jest tutaj ważnym czynnikiem, ponieważ nawet niewielkie zmiany temperatury mogą skutkować dużymi różnicami w szybkości parowania. Regulacja nie jest możliwa poprzez stały dopływ energii do parownika, między innymi ze względu na bilans cieplny. zależy od poziomu. Kontrola separacji, a tym samym dostarczanie energii do grzejnika, odbywa się poprzez pomiary grubości warstw za pomocą oscylatora kwarcowego . Parametry należy wcześniej określić za pomocą testu.
literatura
- KS SreeHarsha: Zasady fizycznego osadzania cienkich warstw z fazy gazowej . Elsevier, 2006, ISBN 978-0-08-044699-8 .
Indywidualne dowody
- ↑ KS SreeHarsha: Zasady fizycznego osadzania cienkich warstw z fazy gazowej . Elsevier, 2006, ISBN 978-0-08-044699-8 , s. 367-452 (sekcja 5. Źródła parowania termicznego).
- ↑ X. Zeng et al.: Morfologiczna charakterystyka monokryształów pentacenu wyhodowanych w wyniku fizycznego transportu oparów . W: Applied Surface Science . taśma 253 , 2007, s. 3581-3585 , doi : 10.1016 / j.apsusc.2006.07.068 .