¿Qué es la tecnología de recubrimiento al vacío?
El llamado recubrimiento al vacío consiste en colocar el material a revestir y el sustrato a revestir en una cámara de vacío, utilizar un método determinado para calentar el material a revestir, evaporarlo o sublimarlo, y luego vuele y rocíelo sobre la superficie del sustrato que se va a recubrir para que se condense en una película.
1. Métodos y clasificaciones de recubrimiento
La formación de películas en condiciones de vacío tiene muchas ventajas: puede reducir la colisión de átomos y moléculas de materiales evaporados durante el proceso de vuelo hacia el sustrato. Reduzca la reacción química (como oxidación, etc.) entre las moléculas activas en el gas y el material fuente de evaporación, y reduzca la cantidad de moléculas de gas que ingresan a la película para convertirse en impurezas durante el proceso de formación de la película, mejorando así la densidad, pureza, Velocidad de deposición y consistencia de la capa de película. Adhesión del sustrato. Generalmente, la evaporación al vacío requiere que la presión en la cámara de formación de película sea igual o inferior a 10-2 Pa. En ocasiones donde la fuente de evaporación está lejos del sustrato y la calidad de la película es alta, se requiere que la presión sea menor.
Se divide principalmente en las siguientes categorías:
Recubrimiento por evaporación, recubrimiento por pulverización catódica y revestimiento iónico.
Recubrimiento por evaporación: La evaporación de una determinada sustancia mediante calentamiento para depositarla sobre una superficie sólida se denomina recubrimiento por evaporación. Este método fue propuesto por primera vez por M. Faraday en 1857 y se ha convertido en una de las tecnologías de recubrimiento más utilizadas en los tiempos modernos.
Las sustancias que se evaporan, como metales y compuestos, se colocan en el crisol o se cuelgan de un alambre caliente como fuente de evaporación. Se colocan en él las piezas a recubrir, como metales, cerámicas, plásticos y otros sustratos. frente al crisol. Después de evacuar el sistema a alto vacío, el crisol se calienta para evaporar el contenido. Los átomos o moléculas de la sustancia evaporada se depositan sobre la superficie del sustrato en forma de condensación. El espesor de la película puede variar desde cientos de angstroms hasta varias micras. El espesor de la película depende de la tasa de evaporación y el tiempo de la fuente de evaporación (o de la cantidad de carga) y está relacionado con la distancia entre la fuente y el sustrato. Para recubrimientos de gran superficie, a menudo se utilizan sustratos giratorios o múltiples fuentes de evaporación para garantizar la uniformidad del espesor de la película. La distancia desde la fuente de evaporación al sustrato debe ser menor que el camino libre medio de las moléculas de vapor en el gas residual para evitar interacciones químicas causadas por colisiones entre las moléculas de vapor y las moléculas de gas residual. La energía cinética promedio de las moléculas de vapor es de aproximadamente 0,1 a 0,2 electronvoltios.
Existen tres tipos de fuentes de evaporación. ① Fuente de calentamiento por resistencia: hecha de metal refractario como tungsteno y tantalio en forma de lámina de barco o alambre, se pasa corriente para calentar el material evaporado sobre él o se coloca en el crisol (Figura 1 [Diagrama esquemático del equipo de recubrimiento por evaporación]) Resistencia calefacción La fuente se utiliza principalmente para evaporar Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni y otros materiales. ② Fuente de calentamiento por inducción de alta frecuencia: utilice corriente de inducción de alta frecuencia para calentar el crisol y evaporar sustancias. ③Fuente de calentamiento por haz de electrones: es adecuada para materiales con alta temperatura de evaporación (no menos de 2000 [618-1]), es decir, el material se bombardea con un haz de electrones para evaporarlo.
En comparación con otros métodos de recubrimiento al vacío, el recubrimiento por evaporación tiene una tasa de deposición más alta y puede usarse para depositar películas de sustancias y compuestos simples que no se descomponen térmicamente fácilmente.
Para depositar una capa de película monocristalina de alta pureza se puede utilizar el método de epitaxia por haz molecular. El dispositivo de epitaxia de haz molecular para hacer crecer una capa monocristalina de GaAlAs dopada se muestra en la Figura 2 [Diagrama esquemático del dispositivo de epitaxia de haz molecular]. El horno de chorro está equipado con una fuente de haz molecular. Cuando se calienta a una determinada temperatura en un vacío ultraalto, los elementos del horno se expulsan hacia el sustrato en un flujo molecular similar a un haz. El sustrato se calienta a una cierta temperatura y las moléculas depositadas sobre el sustrato pueden moverse, crecer y cristalizar de acuerdo con el orden de la red del sustrato. El método de epitaxia de haz molecular se puede utilizar para obtener una película monocristalina compuesta de alta pureza. la relación estequiométrica requerida La película crece más lentamente. La velocidad se puede controlar a 1 sola capa/segundo. Controlando el deflector, se pueden fabricar con precisión películas monocristalinas con la composición y estructura requeridas. La epitaxia de haz molecular se usa ampliamente para fabricar varios dispositivos ópticos integrados y varias películas de estructura superreticular.
Recubrimiento por pulverización catódica: Cuando se utilizan partículas de alta energía para bombardear una superficie sólida, las partículas de la superficie sólida pueden ganar energía y escapar de la superficie, depositándose en el sustrato. El fenómeno de la pulverización catódica comenzó a utilizarse en la tecnología de revestimiento en 1870. Después de 1930, se utilizó gradualmente en la producción industrial debido al aumento de la tasa de deposición. El equipo de pulverización catódica de diodos de uso común se muestra en la Figura 3 [Esquema de pulverización catódica de diodos]. El material a depositar suele formar una placa, un objetivo, que se fija al cátodo. El sustrato se coloca sobre el ánodo frente a la superficie del objetivo, a unos centímetros de distancia del objetivo. Después de evacuar el sistema a alto vacío, se llena con gas de 10-1 Pa (generalmente argón) y se aplica un voltaje de varios miles de voltios entre el cátodo y el ánodo, y se genera una descarga luminosa entre los dos electrodos. Los iones positivos generados por la descarga vuelan hacia el cátodo bajo la acción del campo eléctrico y chocan con los átomos en la superficie objetivo. Los átomos objetivo que escapan de la superficie objetivo tras la colisión se denominan átomos pulverizados y su energía oscila entre 1. a varias docenas de electronvoltios. Los átomos pulverizados se depositan sobre la superficie del sustrato para formar una película.
A diferencia del recubrimiento por evaporación, el recubrimiento por pulverización catódica no está limitado por el punto de fusión del material de la película y puede pulverizar sustancias refractarias como W, Ta, C, Mo, WC y TiC. La película del compuesto de pulverización catódica se puede pulverizar mediante el método de pulverización catódica reactiva, es decir, el gas reactivo (O, N, HS, CH, etc.) se agrega al gas Ar, y el gas reactivo y sus iones reaccionan con los átomos objetivo. o átomos pulverizados para generar compuestos (tales como óxidos, compuestos de nitrógeno, etc.) y depositados sobre el sustrato. La película aislante se puede depositar mediante pulverización catódica de alta frecuencia. El sustrato se monta sobre un electrodo puesto a tierra y el objetivo aislante se monta en el electrodo opuesto. Un extremo de la fuente de alimentación de alta frecuencia está conectado a tierra y el otro extremo está conectado al electrodo equipado con un objetivo aislante a través de una red de adaptación y un condensador de bloqueo de CC. Después de encender la fuente de alimentación de alta frecuencia, el voltaje de alta frecuencia cambia continuamente de polaridad. Los electrones y los iones positivos en el plasma golpean el objetivo aislante respectivamente durante el semiciclo positivo y el semiciclo negativo del voltaje. Dado que la movilidad de los electrones es mayor que la de los iones positivos, la superficie del objetivo aislante está cargada negativamente. Cuando se alcanza el equilibrio dinámico, el objetivo tiene un potencial de polarización negativo, de modo que continúa la pulverización de iones positivos sobre el objetivo. El uso de pulverización catódica con magnetrón puede aumentar la tasa de deposición en casi un orden de magnitud en comparación con la pulverización catódica sin magnetrón.
Revestimiento iónico: Las moléculas de la sustancia evaporada se ionizan por colisión de electrones y luego se depositan como iones en la superficie sólida, lo que se denomina revestimiento iónico. Esta tecnología fue propuesta por D. Mattocks en 1963. El revestimiento iónico es una combinación de tecnología de evaporación al vacío y pulverización catódica. En la Figura 4 se muestra un sistema de revestimiento de iones [Diagrama esquemático del sistema de revestimiento de iones]. La mesa de sustrato se utiliza como cátodo, la carcasa se utiliza como ánodo y se llena con un gas inerte (como argón) para generar un descarga luminosa. Las moléculas evaporadas de una fuente de evaporación se ionizan a medida que pasan a través del plasma. Los iones positivos son acelerados por el voltaje negativo de la etapa del sustrato y golpean la superficie del sustrato. Los átomos neutros sindicalizados (que representan aproximadamente el 95% del material evaporado) también se depositan en la superficie del sustrato o en la pared de la cámara de vacío. El efecto de aceleración del campo eléctrico sobre las moléculas de vapor ionizado (la energía de los iones es de varios cientos a varios miles de electronvoltios) y el efecto de limpieza por pulverización de los iones de argón sobre el sustrato mejoran en gran medida la fuerza de adhesión de la capa de película. El proceso de revestimiento iónico combina las características de evaporación (alta tasa de deposición) y pulverización catódica (buena adhesión de la película). Tiene buenas propiedades de difracción y puede recubrir piezas de trabajo con formas complejas.
2. Medición del espesor de la película
Con el avance de la ciencia y la tecnología y la aplicación de instrumentos de precisión, existen muchos métodos para medir el espesor de la película. Se puede dividir en dos categorías: mediciones directas y mediciones indirectas. La medición directa se refiere a la aplicación de instrumentos de medición para detectar directamente el espesor de la película a través del contacto (o contacto ligero).
Los métodos de medición directa comunes incluyen: micrometría espiral, método de escaneo de perfil de precisión (método de pasos), microscopía electrónica de barrido (SEM);
La medición indirecta se refiere a una determinada correspondencia según el relación física, las cantidades físicas relevantes se convierten en el espesor de la película mediante el cálculo, para lograr el propósito de medir el espesor de la película.
Los métodos de medición indirecta comunes incluyen: método de pesaje, método de capacitancia, método de resistencia, método de interferencia de igual espesor, método de interferencia de ángulo variable y método de elipsometría. Según el principio de medición, se puede dividir en tres categorías: método de pesaje, método eléctrico y método óptico.
Los métodos de pesaje comunes incluyen: método de balanza, método de cuarzo y método de determinación del número atómico;
Los métodos eléctricos comunes incluyen: método de resistencia, método de capacitancia y método de corrientes parásitas;
Los métodos ópticos comunes incluyen: método de interferencia de igual espesor, método de interferencia de ángulo variable, método de absorción de luz y método de polarización elíptica.
Se presentan brevemente los siguientes tres tipos:
1. Microscopía de interferencia
El espaciado de las franjas de interferencia es Δ0, el movimiento de las franjas es Δ y la altura del escalón. es t=(Δ/Δ0)*0.5λ, simplemente mida Δ0 y Δ, donde λ es la longitud de onda de la luz monocromática. Si se usa luz blanca, λ es 530 nm.
2. Método de pesaje
Si el área de la película A, la densidad ρ y la masa m se pueden medir con precisión, se puede calcular el espesor de la película t:
d =m/Aρ.
3 Método del oscilador de cristal de cuarzo
Se utiliza ampliamente para medir el espesor en tiempo real durante la deposición de la película. Se utiliza principalmente para controlar la velocidad y el espesor de la deposición, y también se puede utilizar. a la inversa (combinado con tecnología electrónica), la tasa de evaporación o pulverización catódica del material se controla para lograr el control automático del proceso de deposición.
Para los fabricantes de películas, la uniformidad del espesor del producto es uno de los indicadores más importantes si desea controlar eficazmente el espesor del material, el equipo de prueba de espesor es esencial, pero ¿cuál debería elegir? El equipo de medición también debe determinarse de acuerdo con factores como el tipo de material de embalaje flexible, los requisitos del fabricante en cuanto a uniformidad del espesor y el rango de prueba del equipo.
3. Conocimientos sobre el mantenimiento de la máquina de recubrimiento al vacío:
1. Apague el sistema de calefacción de la bomba y luego separe la cámara de evaporación (principalmente limpiando el polvo y los residuos de evaporación)
2. Apague la alimentación o entre en estado de mantenimiento
3. Limpie el sistema de bobinado (varios rodillos, sonda de resistencia cuadrada, medidor de densidad óptica)
4. (alrededor del panel)
5. Después de que el sistema de la bomba se haya enfriado, ábralo para limpiarlo (tenga cuidado de no dejar caer residuos en él y verifique el tiempo de uso de aceite de la bomba y el medidor para reemplazarlo o agregarlo).
6. Inspección de equipos de reenfriamiento y gabinetes eléctricos
Esta pasantía nos permitió comprender los principios y técnicas de la tecnología de recubrimiento y nos permitió comprender la producción de la fábrica. Se sintió muy novedoso y ganó mucho.