Termikus spray

A termikus permetezés (más néven termikus bepárlás ) egy széles körben használt vákuumleválasztási módszer . A kiindulási anyagot vákuumban bepároljuk . A vákuum lehetővé teszi , hogy a gőzrészecskék közvetlenül a permetezett terméken (szubsztrátumon) kondenzálódjanak . A hőpermetezést a mikrogyártásban és olyan termékek gyártásához használják, mint például a fémezett műanyag fólia vagy a színezett üveg .

Fizikai elv

A termikus permetezés két fizikai folyamatot alkalmaz: a felmelegített kiindulási anyag elpárologtatását és az aljzaton történő kondenzációját. Hasonlóképpen vízcseppek jelennek meg a forrásban lévő edény fedelén. A leválasztási folyamat kulcsa azonban az, hogy az vákuumban történik.

Nagy vákuumban az elpárolgott részecskék átlagos szabad útja nagyobb, mint a szubsztrátum távolsága, és ráeshetnek anélkül, hogy a maradék gázmolekulák szétszóródnának ( ellentétben a fenti edényes példával, ahol a vízgőznek először ki kell szorítania a levegőt a fedél alól). Az általánosan használt 10 -4 Pa nyomáson egy 0,4 nm átmérőjű részecske átlagos szabad útja 60 m . Az ütközések hiánya miatt az elpárolgott anyag részecskéi magas hőmérsékletet tartanak fenn , ami biztosítja számukra a szükséges mobilitást ahhoz, hogy sűrű réteget képezzenek az aljzaton. A vákuum egyben védő környezet is, amely lehetővé teszi a kémiailag aktív anyagok elpárologtatását anélkül, hogy megzavarná azok kémiai összetételét.

Az elpárolgott anyag egyenetlenül rakódik le, ha a hordozó felülete egyenetlen, ahogy az integrált áramköröknél gyakran előfordul . Mivel az elpárolgott részecskék túlnyomórészt egy irányból érik az aljzatot, a dombormű kiálló vonásai megakadályozzák, hogy az anyag elérje a felület bizonyos területeit. Ezt a jelenséget "maszkolásnak" vagy "árnyékolásnak" nevezik.

Ha a leválasztási folyamatot gyenge vákuum alatt próbálja végrehajtani, a kapott bevonat általában inhomogén, porózus lesz a gázzárványok miatt és nem folytonos. A bevonat színe eltér a tiszta anyagtól, és a felület matt (érdes) lesz, függetlenül az aljzat simaságától. A kémiai összetétel is eltér az eredetitől az oxidok , hidroxidok és nitridek képződése miatt .

A módszer hátránya az összetett összetételű anyagok lerakódásának bonyolultsága a frakcionálás miatt , amely az összetevők gőznyomásának különbsége miatt következik be. Ezt a hiányosságot megfosztják például a magnetronos porlasztásos módszertől .

Berendezés

A termikus permetező rendszer legalább egy vákuumkamrát tartalmaz , amelyben a nagy vákuumot egy speciális evakuációs rendszer, egy szubsztrátum és egy, az elpárolgott anyagra továbbított hőforrás tartja fenn. Hőforrásként használható:

• rezisztív elpárologtatók [1] , amelyek vezetőképes kerámiából vagy tűzálló fémből készült „csónakok” (úgy hívják alakja miatt), amelyen elektromos áramot vezetnek át , felmelegítve azt. Az elpárologtatandó anyagot a csónak mélyedésébe helyezzük, ahol elpárolog (nem feltétlenül a folyékony fázisból ). Ennek a módszernek a hátránya a korlátozott anyagkészlet, amelyet a csónak mérete korlátoz. Speciális eset a huzalfűtőkről történő lerakódás, amelyen a felületi feszültség hatására az elpárolgott anyagot tartják . Alumínium permetezéshez használható .
• tégely közvetett fűtéssel, elektronikus vagy indukciós . Az első esetben a melegítést a tégely körül elhelyezett gyűrűs katódról a tégelybe belépő elektronáram, a második esetben magában a tégelyben lévő induktorral gerjesztett örvényáramok végzik.
• elektronsugár [2] . Ebben az esetben az anyag helyben melegíthető és párologtatható, miközben többnyire hideg marad, ami lehetővé teszi, hogy a tégelyben nagyon nagy mennyiségű anyag legyen. Ennek a módszernek egy változata az „autotégelyből” történő párologtatás, amikor az anyagot hűtött tégelybe helyezzük, a falak mentén szilárd fázisú réteg alakul ki, amely megvédi a tégelyt a folyékony fém hatásától. Ezt a módszert alkalmazzák például az alumínium elpárologtatására, amely folyékony formában rendkívül agresszív a legtöbb anyaggal szemben.
• lézeres abláció . Az anyag a nagy pillanatnyi teljesítményű lézersugár fókuszában felmelegedés hatására elpárolog [3] . A hőfolt hőmérséklete elég magas lehet ahhoz, hogy izoterm plazmát hozzon létre , vagyis az elpárolgott anyagrészecskék ionizálódnak . A módszer lehetővé teszi a tűzálló fémek és összetett összetételű anyagok elpárologtatását.

A rezisztív módszer egyik változata a robbanásszerű párologtatás („flash” evaporation), amelyet összetett összetételű anyagok elpárologtatására használnak [4] . A csónak hőmérsékletét jóval a legalacsonyabb gőznyomású komponens elpárologtatásához szükségesnél magasabb szinten tartják, és az anyagot speciális adagolóberendezéssel por vagy granulátum formájában adagolják. Ennek eredményeként a por kis szemcséi szinte azonnal elpárolognak, és minden komponens egyszerre éri el az aljzatot, megtartva az eredeti sztöchiometriát .

A lerakódás egyenletességének biztosítása érdekében a forgó szubsztrátumtartók különféle változatait használják. Rendszerint a berendezés ionos felülettisztító rendszerrel vagy fűtőberendezéssel is fel van szerelve a szükséges felületi tisztaság és tapadás biztosítása érdekében .

Jellemzők

• A felvitt bevonat tisztasága a vákuum minőségétől és a kiindulási anyag összetételétől függ.
• Adott nyomáson nagyobb lerakódási sebesség mellett nagyobb lesz a film tisztasága, mivel nagyobb az elpárolgott anyag és a maradék gázok áramlásának aránya.
• A film vastagsága a porlasztórendszer geometriájától függ.
• A huzalpárologtatók nem használhatók vastagréteg-leválasztásra, mivel a rajtuk visszatartható anyag mennyisége korlátozott. A csónakok nagyobb anyagkészletet tesznek lehetővé, az elektronsugaras módszer pedig gyakorlatilag korlátlan.
• A bepárlási módszer a leggyorsabb és leghatékonyabb az összes leválasztási módszer közül.
• Nem minden anyag permetezhető termikus párologtatással. A tűzálló fémek gőznyomása túl alacsony, és nagyon magas hőmérséklet szükséges a párologtatáshoz. Sok vegyület még alacsony nyomáson is alacsonyabb hőmérsékleten bomlik le, mint ahogy elpárologni kezd.
• Az elektronsugaras módszer rendelkezik a legnagyobb rugalmassággal, amely lehetővé teszi a hőteljesítmény rugalmas elosztását több fűtőtárgy között, és így szabályozott összetételű filmeket kapunk.

Alkalmazás

A termikus permetezésre példa a fémezett polietilén csomagolófólia gyártása . Általában az alumíniumréteg ebben az anyagban olyan vékony , hogy gyakorlatilag átlátszó, de ennek ellenére hatékonyan megakadályozza az oxigén és a vízgőz áthatolását a filmen . A mikrotechnológiában hőpermetezést alkalmaznak fémes rétegek permetezésére . Optikában  - tükröződésgátló vagy fényvisszaverő bevonatok felhordására. Lapos kijelzők gyártásánál  - átlátszó vezető rétegek lerakására.

Összehasonlítás más permetezési módszerekkel

• Az alternatív bevonási módszerek, mint például a porlasztás vagy a kémiai gőzleválasztás több folyamatos filmet és több port tesznek lehetővé az oldalfelületeken. A feladattól függően ez lehet előny és hátrány is.
• A permetezés általában sokkal lassabb permetezési módszer. Ráadásul a párolgás energiahatékonysága is megközelíti az ideálisat, míg a permetezés  nagyságrendekkel rosszabb.
• A porlasztott atomok nagy kinetikus energiával rendelkeznek , ami a filmek minőségének jelentős javulásához vezet , de fennáll a hordozó károsodásának veszélye. Az elektronsugaras párolgás során azonban a visszavert elektronok és a bremsstrahlung röntgensugárzás is károsíthatja a hordozót.

Jegyzetek

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

Irodalom

• Gotra Z. Yu. Mikroelektronikai eszközök technológiája. Könyvtár. - M . : Rádió és kommunikáció, 1991. - 528 p. - ISBN 5-256-00699-1 .

• Danilin B.S. Alacsony hőmérsékletű plazma alkalmazása vékonyrétegek leválasztására. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.

• Jaeger, Richard C. Film Deposition // Bevezetés a mikroelektronikai gyártásba  . — 2. - Upper Saddle River: Prentice Hall , 2002.
• A Semiconductor Devices: Physics and Technology, SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , különösen részletes leírást tartalmaz a termikus bepárlási módszerről.
• RD Mathis Company párolgási források katalógusa, RD Mathis Company, 1-7. oldal és 12. oldal, 1992.

Linkek

• Vékonyréteg párolgási referencia — a szokásos anyagok tulajdonságai
• A Vákuumbevonatozók Társaságának weboldala
• Példák párolgási forrásokra

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)