Termisk spray

Termisk sprutning (även känd som termisk förångning ) är en allmänt använd metod för vakuumavsättning . Utgångsmaterialet indunstas i vakuum . Vakuumet tillåter ångpartiklar att kondensera direkt på den sprutade produkten (substratet). Termisk sprutning används vid mikrotillverkning och för tillverkning av produkter som metalliserad plastfilm eller tonat glas .

Fysisk princip

Termisk sprutning använder två fysikaliska processer: förångningen av det uppvärmda utgångsmaterialet och dess kondensation på substratet. På samma sätt visas droppar vatten på locket till en kokande gryta. Nyckeln till deponeringsprocessen är dock att den sker i ett vakuum.

I högvakuum är den genomsnittliga fria vägen för de förångade partiklarna större än avståndet till substratet, och de kan falla på det utan att spridas av kvarvarande gasmolekyler (i motsats till exemplet i kastrullen ovan, där vattenånga först måste tränga undan luft från under locket). Vid det vanliga trycket på 10 −4 Pa har en partikel med en diameter på 0,4 nm en medelfri väg på 60 m . På grund av frånvaron av kollisioner behåller partiklarna i det förångade materialet en hög temperatur , vilket ger dem den nödvändiga rörligheten för att bilda ett tätt lager på substratet. Vakuum är också en skyddande miljö som tillåter avdunstning av kemiskt aktiva material utan att störa deras kemiska sammansättning.

Avdunstat material avsätts ojämnt om underlaget har en ojämn yta, vilket ofta är fallet med integrerade kretsar . Eftersom de förångade partiklarna träffar substratet huvudsakligen från en riktning, hindrar reliefens utskjutande egenskaper materialet från att nå vissa områden på ytan. Detta fenomen kallas "maskering" eller "skuggning".

Om man försöker utföra deponeringsprocessen under dåligt vakuum, kommer den resulterande beläggningen som regel att vara inhomogen, porös på grund av gasinneslutningar och diskontinuerlig. Färgen på beläggningen kommer att skilja sig från det rena materialet och ytan blir matt (sträv) oavsett underlagets jämnhet. Den kemiska sammansättningen kommer också att skilja sig från originalet på grund av bildandet av oxider , hydroxider och nitrider .

Nackdelen med metoden är komplexiteten i avsättningen av material med komplex sammansättning på grund av fraktionering , som uppstår på grund av skillnaden i komponenternas ångtryck . Denna brist berövas till exempel magnetronförstoftningsmetoden .

Utrustning

Det termiska spraysystemet inkluderar, som ett minimum, en vakuumkammare , i vilken ett högt vakuum upprätthålls av ett speciellt evakueringssystem, ett substrat och en värmekälla som överförs till det förångade materialet. Som värmekälla kan användas:

• resistiva förångare [1] , som är en "båt" gjord av ledande keramik eller eldfast metall (så kallad på grund av dess form), genom vilken en elektrisk ström leds , som värmer den. Materialet som ska förångas placeras i båtens fördjupning, där det avdunstar (inte nödvändigtvis från vätskefasen ). Nackdelen med denna metod är den begränsade tillgången på material, begränsad av båtens storlek. Ett specialfall är avsättning från trådvärmare, på vilka det förångade materialet hålls på grund av ytspänningskrafter . Används för aluminiumsprutning .
• degel med indirekt uppvärmning, elektronisk eller induktion . I det första fallet utförs uppvärmning genom att ett elektronflöde kommer in i degeln från en ringformad katod som är placerad runt degeln, i det andra fallet av virvelströmmar i själva degeln, exciterade av en induktor.
• elektronstråle [2] . I detta fall kan materialet värmas och förångas lokalt, samtidigt som det förblir mestadels kallt, vilket gör det möjligt att ha en mycket stor tillgång på material i degeln. En variant av denna metod är avdunstning från en "autodegel", när materialet placeras i en kyld degel, bildas ett lager av en fast fas längs väggarna, vilket skyddar degeln från inverkan av flytande metall. Denna metod används till exempel för att förånga aluminium, som i flytande form är extremt aggressivt mot de flesta material.
• laserablation . Materialet avdunstar på grund av uppvärmning i laserstrålens fokus med hög momentan effekt [3] . Temperaturen i värmefläcken kan vara tillräckligt hög för att bilda en isotermisk plasma , det vill säga att de förångade materialpartiklarna joniseras . Metoden gör det möjligt att förånga eldfasta metaller och material med komplex sammansättning.

En variant av den resistiva metoden är explosiv förångning ("flash"-avdunstning), som används för att förånga material med komplex sammansättning [4] . Båtens temperatur hålls långt över den som krävs för avdunstning av komponenten med lägst ångtryck, och materialet matas i form av ett pulver eller granulat med hjälp av en speciell doseringsanordning. Som ett resultat avdunstar små korn av pulvret nästan omedelbart, och alla komponenter når substratet samtidigt och behåller den ursprungliga stökiometrin .

För att säkerställa enhetligheten i avsättningen används olika versioner av roterande substrathållare. Som regel är installationen även utrustad med ett joniskt rengöringssystem för underlag eller en värmare för att säkerställa erforderlig ytrenhet och vidhäftning .

Funktioner

• Renheten hos den avsatta beläggningen beror på kvaliteten på vakuumet och utgångsmaterialets sammansättning.
• Vid ett givet tryck blir filmens renhet högre vid en högre avsättningshastighet, eftersom förhållandet mellan flödena av förångat material och restgaser är högre.
• Filmtjockleken beror på sputtersystemets geometri.
• Trådförångare kan inte användas för tjockfilmsavsättning, eftersom det finns en gräns för mängden material som kan hållas kvar på dem. Båtar tillåter dig att ha en större tillgång på material, och elektronstrålemetoden är praktiskt taget obegränsad.
• Indunstningsmetoden är den snabbaste och mest effektiva av alla deponeringsmetoder.
• Alla material kan inte sprutas genom termisk avdunstning. Eldfasta metaller har för lågt ångtryck och kräver en mycket hög temperatur för att avdunsta. Många föreningar sönderdelas vid en lägre temperatur än de börjar avdunsta, även vid låga tryck.
• Elektronstrålemetoden har störst flexibilitet, vilket gör det möjligt att flexibelt fördela värmeeffekten över flera uppvärmningsobjekt och på så sätt få filmer av en kontrollerad sammansättning.

Applikation

Ett exempel på termisk sprayapplikation är tillverkning av metalliserad polyetenförpackningsfilm . Som regel är aluminiumskiktet i detta material så tunt att det är praktiskt taget transparent, men förhindrar ändå effektivt penetration av syre och vattenånga genom filmen . Inom mikroteknik används termisk sprutning för att spruta metalliseringsskikt . Inom optik  - för avsättning av antireflekterande eller reflekterande beläggningar. Vid produktion av platta displayer  - för avsättning av transparenta ledande skikt.

Jämförelse med andra spraymetoder

• Alternativa beläggningsmetoder, såsom sputtering eller kemisk ångavsättning, möjliggör mer kontinuerliga filmer och mer damm på sidoytorna. Beroende på uppgiften kan detta vara både en fördel och en nackdel.
• Som regel är sprutning en mycket långsammare metod för sprutning. Dessutom är energieffektiviteten för avdunstning nära idealisk, medan sprutning  är storleksordningar sämre.
• De förstoftade atomerna har en hög kinetisk energi , vilket leder till en betydande förbättring av filmens kvalitet , men skapar en risk för skador på substratet. Men under elektronstråleavdunstning kan reflekterade elektroner och bremsstrahlung röntgenstrålar också skada substratet.

Anteckningar

1. ↑ Gotra, 1991 , sid. 270-273.
2. ↑ Gotra, 1991 , sid. 262-270.
3. ↑ Gotra, 1991 , sid. 276-278.
4. ↑ Gotra, 1991 , sid. 273-274.

Litteratur

• Gotra Z. Yu Teknik för mikroelektroniska enheter. Katalog. - M . : Radio och kommunikation, 1991. - 528 sid. - ISBN 5-256-00699-1 .

• Danilin B.S. Användningen av lågtemperaturplasma för avsättning av tunna filmer. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 sid.

• Jaeger, Richard C. Filmdeposition // Introduktion till mikroelektronisk tillverkning  . — 2:a. - Upper Saddle River: Prentice Hall , 2002.
• Semiconductor Devices: Physics and Technology, av SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , innehåller en särskilt detaljerad beskrivning av den termiska förångningsmetoden.
• RD Mathis Company Evaporation Sources Catalog, av RD Mathis Company, sidorna 1 till 7 och sidan 12, 1992.

Länkar

• Referens för tunnfilmsavdunstning — egenskaper hos vanliga material
• Webbsida för Society of Vacuum Coaters
• Exempel på förångningskällor

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online)