stringtranslate.com

Испарение (осаждение)

Термическое испарение в резистивной нагреваемой лодке

Испарение является распространенным методом осаждения тонких пленок . Исходный материал испаряется в вакууме . Вакуум позволяет частицам пара перемещаться непосредственно к целевому объекту (подложке), где они конденсируются обратно в твердое состояние. Испарение используется в микропроизводстве и для изготовления макромасштабных продуктов, таких как металлизированная пластиковая пленка.

История

Впервые осаждение испарением было обнаружено в лампах накаливания в конце девятнадцатого века. Проблема почернения колбы была одним из главных препятствий для создания ламп с длительным сроком службы и получила большое количество исследований Томаса Эдисона и его компании General Electric , а также многих других, работающих над собственными лампочками. Впервые это явление было адаптировано к процессу вакуумного осаждения Полем и Прингсхаймом в 1912 году. Однако оно находило мало применения до 1930-х годов, когда люди начали экспериментировать со способами изготовления зеркал с алюминиевым покрытием для использования в телескопах . Алюминий был слишком реактивным, чтобы его можно было использовать в методах химического мокрого осаждения или гальванопокрытия . Джон Д. Стронг успешно изготовил первые алюминиевые зеркала для телескопов в 1930-х годах с помощью осаждения испарением. Поскольку он создает аморфное (стеклообразное) покрытие, а не кристаллическое, с высокой однородностью и точным контролем толщины, впоследствии он стал распространенным процессом для производства тонкопленочных оптических покрытий из различных материалов, как металлических, так и неметаллических (диэлектрических), и был принят для многих других целей, таких как покрытие пластиковых игрушек и автомобильных деталей, производство полупроводников и микрочипов , а также майларовых пленок, которые используются в конденсаторах и системах терморегулирования космических аппаратов . [1]

Физический принцип

Островки серебра толщиной в один атом, нанесенные на поверхность палладия (111) путем термического испарения. Подложка, даже если она была отполирована в зеркальном направлении и подвергнута вакуумному отжигу, выглядит как ряд террас. Калибровка покрытия достигалась путем отслеживания времени, необходимого для завершения полного монослоя, с помощью туннельной микроскопии (СТМ) и по появлению состояний квантовых ям, характерных для толщины серебряной пленки, в фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES). Размер изображения составляет 250 нм на 250 нм. [2]

Испарение включает в себя два основных процесса: горячий источник испаряет материал, и он конденсируется на более холодной подложке, которая находится ниже точки плавления. Это напоминает знакомый процесс, при котором жидкая вода появляется на крышке кипящей кастрюли. Однако газообразная среда и источник тепла (см. «Оборудование» ниже) отличаются. Жидкости , такие как вода, не могут существовать в вакууме, поскольку им требуется некоторый уровень внешнего давления, чтобы удерживать атомы и молекулы вместе. В вакууме материалы сублимируются (испаряются), расширяются наружу и при контакте с поверхностью конденсируются обратно в твердое тело ( осаждаясь ), никогда не проходя через жидкое состояние. Таким образом, по сравнению с водой, этот процесс больше похож на образование инея на окне.

Испарение происходит в вакууме, т. е. пары, отличные от исходного материала, почти полностью удаляются до начала процесса. В высоком вакууме (с большой длиной свободного пробега ) испаренные частицы могут перемещаться непосредственно к мишени осаждения, не сталкиваясь с фоновым газом. (Напротив, в примере с кипящим горшком водяной пар выталкивает воздух из горшка, прежде чем он успевает достичь крышки.) При типичном давлении 10−4 Па частица размером 0,4 нм имеет длину свободного пробега 60 м. Горячие объекты в испарительной камере, такие как нагревательные нити, производят нежелательные пары, которые ограничивают качество вакуума.

Испаренные атомы, которые сталкиваются с посторонними частицами, могут реагировать с ними; например, если алюминий осаждается в присутствии кислорода, он образует оксид алюминия. Они также уменьшают количество пара, которое достигает подложки, что затрудняет контроль толщины.

Испаренные материалы осаждаются неравномерно, если подложка имеет шероховатую поверхность (как это часто бывает с интегральными схемами). Поскольку испаренный материал атакует подложку в основном с одного направления, выступающие элементы блокируют испаренный материал с некоторых участков. Это явление называется «затенением» или «ступенчатым покрытием».

Когда испарение осуществляется в условиях низкого вакуума или близкого к атмосферному давлению, полученное осаждение обычно неоднородно и не имеет тенденции быть сплошной или гладкой пленкой. Скорее, осаждение будет выглядеть размытым.

Оборудование

Термический испаритель с молибденовой лодочкой, закрепленной между двумя массивными медными вводами, охлаждаемыми водой.

Любая система испарения включает в себя вакуумный насос . Она также включает в себя источник энергии, который испаряет осаждаемый материал. Существует много различных источников энергии:

Некоторые системы монтируют подложку на планетарном механизме вне плоскости. Механизм вращает подложку одновременно вокруг двух осей, чтобы уменьшить затенение.

Оптимизация

Приложения

Испарительная машина, используемая для металлизации на технологическом предприятии LAAS в Тулузе, Франция.

Важным примером испарительного процесса является производство алюминизированной упаковочной пленки из ПЭТ в рулонной системе . Часто слой алюминия в этом материале недостаточно толстый, чтобы быть полностью непрозрачным, поскольку более тонкий слой может быть нанесен дешевле, чем толстый. Основное назначение алюминия — изолировать продукт от внешней среды, создавая барьер для прохождения света , кислорода или водяного пара.

Испарение обычно используется в микропроизводстве для нанесения металлических пленок.

Сравнение с другими методами осаждения

Ссылки

  1. ^ Основы технологии вакуумного покрытия Автор: DM Mattox -- Springer 2004 Страница 37
  2. ^ Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (2005-12-16). "Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств субнанометровых толстых пленок Ag на Pd(111)". Physical Review B. 72 ( 23): 235418. doi :10.1103/PhysRevB.72.235418.
  3. ^ Кузмичев, Анатолий; Цыбульский, Леонид (2011-02-14). Грундас, Станислав (ред.). "Испарители с индукционным нагревом и их применение". InTech. doi : 10.5772/13934 . ISBN 978-953-307-522-8. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Внешние ссылки