Termální nástřik

Tepelné stříkání (také známé jako tepelné odpařování ) je široce používaná metoda vakuového nanášení . Výchozí materiál se odpaří ve vakuu . Vakuum umožňuje částicím páry kondenzovat přímo na stříkaném produktu (substrát). Tepelné stříkání se používá v mikrovýrobě a pro výrobu produktů, jako jsou metalizované plastové fólie nebo tónovaná skla .

Fyzikální princip

Tepelný nástřik využívá dva fyzikální procesy: odpařování zahřátého výchozího materiálu a jeho kondenzaci na substrátu. Podobně se kapky vody objevují na poklici varného hrnce. Klíčem k procesu depozice je však to, že probíhá ve vakuu.

Ve vysokém vakuu je střední volná dráha odpařených částic větší než vzdálenost k substrátu a mohou na něj dopadat, aniž by byly rozptýleny zbytkovými molekulami plynu (na rozdíl od výše uvedeného příkladu hrnce, kde vodní pára musí nejprve vytlačit vzduch zpod víka). Při běžně používaném tlaku 10 −4 Pa má částice o průměru 0,4 nm střední volnou dráhu 60 m . Díky absenci kolizí si částice odpařeného materiálu udržují vysokou teplotu , která jim poskytuje potřebnou pohyblivost k vytvoření husté vrstvy na substrátu. Vakuum je také ochranným prostředím, umožňujícím odpařování chemicky aktivních materiálů bez narušení jejich chemického složení.

Odpařený materiál se ukládá nerovnoměrně, pokud má substrát nerovný povrch, jak je tomu často u integrovaných obvodů . Vzhledem k tomu, že odpařené částice narážejí na substrát převážně z jednoho směru, vyčnívající znaky reliéfu zabraňují materiálu dosáhnout určitých oblastí povrchu. Tento jev se nazývá „maskování“ nebo „stínování“.

Pokud se pokusíte provést depoziční proces ve špatném vakuu, výsledný povlak bude zpravidla nehomogenní, porézní v důsledku plynových inkluzí a nespojitý. Barva nátěru se bude lišit od čistého materiálu a povrch bude matný (drsný) bez ohledu na hladkost podkladu. Chemické složení se bude od původního lišit také tvorbou oxidů , hydroxidů a nitridů .

Nevýhodou metody je složitost depozice materiálů složitého složení v důsledku frakcionace , ke které dochází v důsledku rozdílu v tenzích par složek. Tento nedostatek je zbaven například metody magnetronového naprašování .

Vybavení

Systém tepelného nástřiku obsahuje minimálně vakuovou komoru , ve které je pomocí speciálního evakuačního systému udržováno vysoké vakuum, substrát a zdroj tepla přenášeného na odpařovaný materiál. Jako zdroj tepla lze použít:

• odporové výparníky [1] , což jsou „loďky“ vyrobené z vodivé keramiky nebo žáruvzdorného kovu (tzv. podle tvaru), kterými prochází elektrický proud a ohřívají ji. Odpařovaný materiál se umístí do prohlubně člunu, kde se odpaří (ne nutně z kapalné fáze ). Nevýhodou tohoto způsobu je omezený přísun materiálu, omezený velikostí lodi. Speciálním případem je depozice z drátěných ohřívačů, na kterých je odpařený materiál držen silami povrchového napětí . Používá se pro nástřik hliníku .
• kelímek s nepřímým ohřevem, elektronický nebo indukční . V prvním případě se ohřev provádí proudem elektronů vstupujícím do kelímku z prstencové katody umístěné kolem kelímku, ve druhém případě vířivými proudy v samotném kelímku, buzenými induktorem.
• elektronový paprsek [2] . V tomto případě může být materiál lokálně zahříván a odpařován, přičemž zůstává převážně studený, což umožňuje mít v kelímku velmi velkou zásobu materiálu. Variantou této metody je odpařování z „autokelímku“, kdy se materiál umístí do vychlazeného kelímku, podél stěn se vytvoří vrstva pevné fáze, která chrání kelímek před působením tekutého kovu. Tato metoda se používá například k odpařování hliníku, který je v kapalné formě extrémně agresivní k většině materiálů.
• laserová ablace . Materiál se odpařuje vlivem zahřívání v ohnisku laserového paprsku vysokého okamžitého výkonu [3] . Teplota v tepelné skvrně může být dostatečně vysoká, aby vytvořila izotermické plazma , to znamená, že částice odpařeného materiálu jsou ionizovány . Metoda umožňuje odpařovat žáruvzdorné kovy a materiály složitého složení.

Variantou odporové metody je explozivní odpařování („bleskové“ odpařování), které se používá k odpařování materiálů složitého složení [4] . Teplota člunu je udržována výrazně nad teplotou potřebnou pro odpaření složky s nejnižším tlakem par a materiál je podáván ve formě prášku nebo granulí pomocí speciálního dávkovacího zařízení. Výsledkem je, že se malá zrnka prášku odpaří téměř okamžitě a všechny složky se dostanou k substrátu ve stejnou dobu, přičemž si zachovají původní stechiometrii .

Pro zajištění rovnoměrnosti nanášení se používají různé verze otočných držáků substrátu. Instalace je zpravidla vybavena i systémem iontového čištění podkladů nebo ohřívačem pro zajištění požadované povrchové čistoty a přilnavosti .

Funkce

• Čistota naneseného povlaku závisí na kvalitě vakua a složení výchozího materiálu.
• Při daném tlaku bude čistota filmu vyšší při vyšší rychlosti nanášení, protože poměr toků odpařeného materiálu a zbytkových plynů je vyšší.
• Tloušťka filmu závisí na geometrii naprašovacího systému.
• Drátové výparníky nelze použít pro nanášení silných vrstev, protože existuje omezení množství materiálu, které na nich lze zadržet. Lodě umožňují větší zásobu materiálu a metoda elektronového paprsku je prakticky neomezená.
• Odpařovací metoda je nejrychlejší a nejúčinnější ze všech depozičních metod.
• Ne všechny materiály lze stříkat tepelným odpařováním. Žáruvzdorné kovy mají příliš nízký tlak par a k odpařování vyžadují velmi vysokou teplotu. Mnoho sloučenin se rozkládá při nižší teplotě, než se začnou odpařovat, a to i při nízkém tlaku.
• Největší flexibilitu má metoda elektronového paprsku, která umožňuje flexibilně rozložit tepelný výkon na více topných objektů a získat tak filmy řízeného složení.

Aplikace

Příkladem aplikace žárovým nástřikem je výroba obalové fólie z metalizovaného polyetylenu . Hliníková vrstva v tomto materiálu je zpravidla tak tenká , že je prakticky průhledná, ale přesto účinně zabraňuje pronikání kyslíku a vodních par fólií . V mikrotechnologii se žárový nástřik používá k nástřiku metalizačních vrstev . V optice  - pro nanášení antireflexních nebo reflexních vrstev. Při výrobě plochých displejů  - pro nanášení průhledných vodivých vrstev.

Srovnání s jinými metodami stříkání

• Alternativní metody povlakování, jako je naprašování nebo chemické nanášení par, umožňují vytvoření souvislejších filmů a více prachu na bočních plochách. V závislosti na úkolu to může být výhoda i nevýhoda.
• Postřik je zpravidla mnohem pomalejší způsob postřiku. Energetická účinnost odpařování se navíc blíží ideálu, zatímco rozprašování  je na tom řádově hůře.
• Naprašované atomy mají vysokou kinetickou energii , což vede k výraznému zlepšení kvality filmů , ale vytváří riziko poškození substrátu. Během vypařování elektronového paprsku však mohou substrát poškodit i odražené elektrony a brzdné rentgenové záření .

Poznámky

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

Literatura

• Gotra Z. Yu Technologie mikroelektronických zařízení. Adresář. - M . : Rozhlas a komunikace, 1991. - 528 s. - ISBN 5-256-00699-1 .

• Danilin B.S. Využití nízkoteplotního plazmatu pro depozici tenkých vrstev. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 s.

• Jaeger, Richard C. Film Deposition // Introduction to Microelectronic Fabrication  . — 2. - Upper Saddle River: Prentice Hall , 2002.
• Semiconductor Devices: Physics and Technology, od SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , obsahuje zvláště podrobný výklad metody tepelného odpařování.
• Katalog odpařovacích zdrojů společnosti RD Mathis Company, od společnosti RD Mathis Company, strany 1 až 7 a strana 12, 1992.

Odkazy

• Odkaz na odpařování tenké vrstvy — vlastnosti běžných materiálů
• Webová stránka Society of Vacuum Coaters
• Příklady zdrojů odpařování

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)