Aerosol térmico

La pulverización térmica (también conocida como evaporación térmica ) es un método de deposición al vacío ampliamente utilizado . El material de partida se evapora al vacío . El vacío permite que las partículas de vapor se condensen directamente sobre el producto pulverizado (sustrato). La pulverización térmica se utiliza en la microfabricación y para la fabricación de productos como películas de plástico metalizado o vidrio polarizado .

Principio físico

La proyección térmica utiliza dos procesos físicos: la evaporación del material de partida calentado y su condensación en el sustrato. De manera similar, aparecen gotas de agua en la tapa de una olla hirviendo. Sin embargo, la clave del proceso de deposición es que tiene lugar en el vacío.

En alto vacío , el camino libre medio de las partículas evaporadas es mayor que la distancia al sustrato, y pueden caer sobre él sin ser dispersadas por las moléculas de gas residual (en contraste con el ejemplo anterior de la cacerola, donde el vapor de agua primero debe desplazar al aire). debajo de la tapa). A la presión comúnmente utilizada de 10 −4 Pa , una partícula con un diámetro de 0,4 nm tiene una trayectoria libre media de 60 m . Debido a la ausencia de colisiones, las partículas del material evaporado retienen una temperatura elevada , lo que les proporciona la movilidad necesaria para formar una capa densa sobre el sustrato. El vacío también es un entorno protector que permite la evaporación de materiales químicamente activos sin alterar su composición química.

El material evaporado se deposita de forma irregular si el sustrato tiene una superficie irregular, como suele ser el caso de los circuitos integrados . Dado que las partículas evaporadas golpean el sustrato predominantemente desde una dirección, las características sobresalientes del relieve impiden que el material llegue a ciertas áreas de la superficie. Este fenómeno se denomina "enmascaramiento" o "sombreado".

Si intenta llevar a cabo el proceso de deposición con un vacío deficiente, el recubrimiento resultante será, por regla general, no homogéneo, poroso debido a las inclusiones de gas y discontinuo. El color del revestimiento diferirá del material puro y la superficie será mate (áspera) independientemente de la suavidad del sustrato. La composición química también diferirá de la original debido a la formación de óxidos , hidróxidos y nitruros .

La desventaja del método es la complejidad de la deposición de materiales de composición compleja debido al fraccionamiento , que ocurre debido a la diferencia en las presiones de vapor de los componentes. Esta deficiencia se ve privada, por ejemplo, del método de pulverización catódica magnetrónica .

Equipamiento

El sistema de proyección térmica incluye, como mínimo, una cámara de vacío , en la que se mantiene un alto vacío mediante un sistema especial de evacuación, un sustrato y una fuente de calor transferida al material evaporado. Como fuente de calor se puede utilizar:

evaporadores resistivos [1] , que son un “bote” hecho de cerámica conductora o metal refractario (llamado así por su forma), a través del cual se hace pasar una corriente eléctrica , calentándolo . El material a evaporar se coloca en el hueco del bote, donde se evapora (no necesariamente de la fase líquida ). La desventaja de este método es el suministro limitado de material, limitado por el tamaño del barco. Un caso especial es la deposición de calentadores de alambre, en los que el material evaporado se mantiene debido a las fuerzas de tensión superficial . Se utiliza para la pulverización de aluminio .
Crisol con calentamiento indirecto, electrónico o por inducción . En el primer caso, el calentamiento se realiza por un flujo de electrones que ingresa al crisol desde un cátodo anular ubicado alrededor del crisol, en el segundo caso, por corrientes de Foucault en el propio crisol, excitadas por un inductor.
haz de electrones [2] . En este caso, el material puede calentarse y evaporarse localmente, permaneciendo en su mayor parte frío, lo que permite tener una gran cantidad de material en el crisol. Una variación de este método es la evaporación desde un “autocrisol”, cuando el material se coloca en un crisol enfriado, se forma una capa de fase sólida a lo largo de las paredes, protegiendo el crisol de la acción del metal líquido. Este método se utiliza, por ejemplo, para evaporar aluminio, que en forma líquida es extremadamente agresivo para la mayoría de los materiales.
ablación láser . El material se evapora debido al calentamiento en el foco del rayo láser de alta potencia instantánea [3] . La temperatura en el punto de calor puede ser lo suficientemente alta como para formar un plasma isotérmico , es decir, las partículas de material evaporado se ionizan . El método permite evaporar metales refractarios y materiales de composición compleja.

Una variación del método resistivo es la evaporación explosiva (evaporación “flash”), que se utiliza para evaporar materiales de composición compleja [4] . La temperatura del bote se mantiene muy por encima de la requerida para la evaporación del componente con la presión de vapor más baja, y el material se alimenta en forma de polvo o gránulos utilizando un dispositivo de dosificación especial. Como resultado, los pequeños granos del polvo se evaporan casi instantáneamente y todos los componentes llegan al sustrato al mismo tiempo, conservando la estequiometría original .

Para garantizar la uniformidad de la deposición, se utilizan varias versiones de soportes de sustrato giratorios. Como regla general, la instalación también está equipada con un sistema de limpieza iónica para sustratos o un calentador para garantizar la limpieza superficial y la adherencia requeridas .

Características

La pureza del recubrimiento depositado depende de la calidad del vacío y de la composición del material de partida.
A una presión dada, la pureza de la película será mayor a mayor velocidad de deposición, ya que la relación entre los flujos de material evaporado y los gases residuales es mayor.
El espesor de la película depende de la geometría del sistema de pulverización catódica.
Los evaporadores de alambre no se pueden utilizar para la deposición de películas gruesas, ya que existe un límite en la cantidad de material que se puede retener en ellos. Los barcos te permiten disponer de un mayor suministro de material, y el método del haz de electrones es prácticamente ilimitado.
El método de evaporación es el más rápido y eficiente de todos los métodos de deposición.
No todos los materiales se pueden rociar por evaporación térmica. Los metales refractarios tienen una presión de vapor demasiado baja y requieren una temperatura muy alta para evaporarse. Muchos compuestos se descomponen a una temperatura más baja de la que empiezan a evaporarse, incluso a bajas presiones.
El método de haz de electrones tiene la mayor flexibilidad, lo que permite distribuir de manera flexible la energía térmica sobre varios objetos de calentamiento y así obtener películas de composición controlada.

Aplicación

Un ejemplo de aplicación de rociado térmico es la producción de película de embalaje de polietileno metalizado . Como regla general, la capa de aluminio en este material es tan delgada que es prácticamente transparente, pero, sin embargo, evita de manera efectiva la penetración de oxígeno y vapor de agua a través de la película . En microtecnología , el rociado térmico se usa para rociar capas de metalización . En óptica : para la deposición de revestimientos antirreflectantes o reflectantes. En la producción de pantallas planas - para la deposición de capas conductoras transparentes.

Comparación con otros métodos de pulverización

Los métodos de recubrimiento alternativos, como la pulverización catódica o la deposición de vapor químico, permiten películas más continuas y más polvo en las caras laterales. Dependiendo de la tarea, esto puede ser tanto una ventaja como una desventaja.
Como regla general, la pulverización es un método de pulverización mucho más lento. Además, la eficiencia energética de la evaporación es casi ideal, mientras que la pulverización es mucho peor.
Los átomos pulverizados tienen una alta energía cinética , lo que conduce a una mejora significativa en la calidad de las películas , pero crea un riesgo de daño al sustrato. Sin embargo, durante la evaporación del haz de electrones, los electrones reflejados y los rayos X bremsstrahlung también pueden dañar el sustrato.

Notas

↑ Gotra, 1991 , pág. 270-273.
↑ Gotra, 1991 , pág. 262-270.
↑ Gotra, 1991 , pág. 276-278.
↑ Gotra, 1991 , pág. 273-274.

Literatura

Gotra Z. Yu. Tecnología de dispositivos microelectrónicos. Directorio. - M. : Radio y comunicación, 1991. - 528 p. - ISBN 5-256-00699-1 .

Danilin B.S. El uso de plasma de baja temperatura para la deposición de películas delgadas. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.

Jaeger, Richard C. Deposición de película // Introducción a la fabricación microelectrónica . — 2do. - Río Upper Saddle: Prentice Hall , 2002.
Semiconductor Devices: Physics and Technology, de SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , contiene una exposición particularmente detallada del método de evaporación térmica.
Catálogo de fuentes de evaporación de RD Mathis Company, por RD Mathis Company, páginas 1 a 7 y página 12, 1992.

Enlaces

diccionarios y enciclopedias	Britannica (en línea)