Evaporação (deposição) - Evaporation (deposition)

Evaporação térmica em um barco aquecido resistivo

A evaporação é um método comum de deposição de filme fino . O material de origem é evaporado no vácuo . O vácuo permite que as partículas de vapor viajem diretamente para o objeto alvo (substrato), onde se condensam de volta ao estado sólido. A evaporação é usada na microfabricação e para fazer produtos em macroescala , como filme plástico metalizado .

Princípio físico

Ilhas de prata com um átomo de espessura depositadas na (111) superfície do paládio por evaporação térmica. O substrato, mesmo tendo recebido polimento espelhado e recozimento a vácuo, apresenta-se como uma série de terraços. A calibração da cobertura foi alcançada rastreando o tempo necessário para completar uma monocamada completa usando microscopia de tunelamento (STM) e da emergência de estados quânticos característicos da espessura do filme de prata em espectroscopia de fotoemissão (ARPES). O tamanho da imagem é 250 nm por 250 nm.

A evaporação envolve dois processos básicos: um material de fonte quente evapora e condensa no substrato. Assemelha-se ao processo conhecido pelo qual a água líquida aparece na tampa de uma panela fervendo. No entanto, o ambiente gasoso e a fonte de calor (consulte "Equipamentos" abaixo) são diferentes.

A evaporação ocorre no vácuo, ou seja, os vapores diferentes do material de origem são quase totalmente removidos antes do início do processo. Em alto vácuo (com um longo caminho livre médio ), as partículas evaporadas podem viajar diretamente para o alvo de deposição sem colidir com o gás de fundo. (Por outro lado, no exemplo da panela fervente, o vapor de água empurra o ar para fora da panela antes que ele alcance a tampa.) A uma pressão típica de 10 −4 Pa, uma partícula de 0,4 nm tem um caminho livre médio de 60 m. Objetos quentes na câmara de evaporação, como filamentos de aquecimento, produzem vapores indesejados que limitam a qualidade do vácuo.

Os átomos evaporados que colidem com partículas estranhas podem reagir com eles; por exemplo, se o alumínio for depositado na presença de oxigênio, ele formará óxido de alumínio. Eles também reduzem a quantidade de vapor que atinge o substrato, o que dificulta o controle da espessura.

Os materiais evaporados se depositam de maneira não uniforme se o substrato tiver uma superfície rugosa (como os circuitos integrados costumam ter). Como o material evaporado ataca o substrato principalmente de uma única direção, as características salientes bloqueiam o material evaporado de algumas áreas. Esse fenômeno é chamado de "sombreamento" ou "cobertura em etapas".

Quando a evaporação é realizada em vácuo pobre ou próximo à pressão atmosférica, a deposição resultante é geralmente não uniforme e tende a não ser um filme contínuo ou liso. Em vez disso, o depoimento parecerá confuso.

Equipamento

Um evaporador térmico com um barco de molibdênio fixado entre duas enormes passagens de cobre resfriadas por água.

Qualquer sistema de evaporação inclui uma bomba de vácuo . Inclui também uma fonte de energia que evapora o material a ser depositado. Existem muitas fontes de energia diferentes:

  • No método térmico , o material metálico (na forma de arame, pelotas, granalha) é alimentado em evaporadores semimetais (cerâmicos) aquecidos, conhecidos como "barcos" devido ao seu formato. Uma poça de metal derretido se forma na cavidade do barco e evapora em uma nuvem acima da fonte. Alternativamente, o material de origem é colocado em um cadinho , que é aquecido por radiação por um filamento elétrico , ou o material de origem pode ser pendurado no próprio filamento ( evaporação do filamento ).
  • No método do feixe de elétrons , a fonte é aquecida por um feixe de elétrons com energia de até 15 keV .
  • Na evaporação instantânea , um fio fino ou pó de material de origem é alimentado continuamente em uma barra de cerâmica ou metálica quente e evapora com o contato.
  • A evaporação resistiva é realizada pela passagem de uma grande corrente através de um fio resistivo ou folha contendo o material a ser depositado. O elemento de aquecimento é freqüentemente referido como uma "fonte de evaporação". As fontes de evaporação do tipo fio são feitas de fio de tungstênio e podem ser formadas em filamentos, cestos, aquecedores ou fontes pontuais em forma de loop. As fontes de evaporação do tipo barco são feitas de tungstênio, tântalo, molibdênio ou materiais do tipo cerâmico capazes de suportar altas temperaturas.

Alguns sistemas montam o substrato em um mecanismo planetário fora do plano . O mecanismo gira o substrato simultaneamente em torno de dois eixos, para reduzir o sombreamento.

Otimização

  • A pureza do filme depositado depende da qualidade do vácuo e da pureza do material de origem.
  • A uma dada pressão de vácuo, a pureza do filme será maior em taxas de deposição mais altas, pois isso minimiza a taxa relativa de inclusão de impurezas gasosas.
  • A espessura do filme irá variar devido à geometria da câmara de evaporação. As colisões com gases residuais agravam a não uniformidade da espessura.
  • Os filamentos de arame para evaporação não podem depositar filmes espessos, pois o tamanho do filamento limita a quantidade de material que pode ser depositado. Os barcos de evaporação e cadinhos oferecem volumes maiores para revestimentos mais espessos. A evaporação térmica oferece taxas de evaporação mais rápidas do que a pulverização catódica . A evaporação instantânea e outros métodos que usam cadinhos podem depositar filmes espessos.
  • Para depositar um material, o sistema de evaporação deve ser capaz de vaporizá-lo. Isso torna os materiais refratários , como o tungstênio, difíceis de depositar por métodos que não usam aquecimento por feixe de elétrons.
  • A evaporação do feixe de elétrons permite um controle rígido da taxa de evaporação. Assim, um sistema de feixe de elétrons com múltiplos feixes e múltiplas fontes pode depositar um composto químico ou material compósito de composição conhecida.
  • Cobertura da etapa

Formulários

Máquina de evaporação usada para metalização nas instalações tecnológicas da LAAS em Toulouse, França.

Um exemplo importante de um processo evaporativo é a produção de filme PET aluminizado para embalagem em um sistema rolo a rolo . Freqüentemente, a camada de alumínio neste material não é espessa o suficiente para ser totalmente opaca, uma vez que uma camada mais fina pode ser depositada de forma mais barata do que uma espessa. O principal objetivo do alumínio é isolar o produto do ambiente externo, criando uma barreira à passagem de luz , oxigênio ou vapor d'água.

A evaporação é comumente usada em microfabricação para depositar filmes de metal .

Comparação com outros métodos de deposição

  • Alternativas à evaporação, como pulverização catódica e deposição de vapor químico , têm melhor cobertura de etapa. Isso pode ser uma vantagem ou desvantagem, dependendo do resultado desejado.
  • A pulverização catódica tende a depositar material mais lentamente do que a evaporação.
  • A pulverização catódica usa um plasma , que produz muitos átomos de alta velocidade que bombardeiam o substrato e podem danificá-lo. Os átomos evaporados possuem distribuição de energia Maxwelliana , determinada pela temperatura da fonte, o que reduz o número de átomos em alta velocidade. No entanto, os feixes de elétrons tendem a produzir raios-X ( Bremsstrahlung ) e elétrons dispersos, cada um dos quais também pode danificar o substrato.

Referências

  • Jaeger, Richard C. (2002). "Film Deposition". Introdução à Fabricação Microeletrônica (2ª ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.
  • Semiconductor Devices: Physics and Technology, de SM Sze, ISBN  0-471-33372-7 , apresenta uma discussão especialmente detalhada sobre a deposição de filme por evaporação.
  • Catálogo de fontes de evaporação de RD Mathis Company, por RD Mathis Company, páginas 1 a 7 e página 12, 1992.

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