پیش‌نویس:تبخیر (رسوب)

تبخیر حرارتی در یک قایق گرم شده مقاومتی

تبخیر یک پرکاربرد برای رسوب دادن لایه نازک است. ماده موجوئ در خلاء تبخیر می شود. خلاء این قابلیت را به ذرات ‌می‌دهد تا ذرات بخار به طور مستقیم به سمت جسم مورد نظر (زیر لایه‌ها) حرکت کنند، جایی که آنها به حالت جامد برمی گردند. تبخیر در میکروساخت و برای ساخت محصولات در مقیاس ماکرو مانند فیلم پلاستیکی متالایزه استفاده می شود.

اصل فیزیکی

جزایر نقره با ضخامت یک اتم بر روی سطح (111) پالادیوم توسط تبخیر حرارتی رسوب می کنند. این زیرلایه، حتی با وجود آنیل شدن آینه و بازپخت خلاء، به عنوان یک سری تراس ظاهر می شود. کالیبراسیون پوشش با ردیابی زمان لازم برای تکمیل یک تک لایه کامل با استفاده از میکروسکوپ(STM) و از ظهور حالت‌های چاه کوانتومی مشخصه ضخامت لایه نقره در طیف‌سنجی انتشار نوری (ARPES) به دست آمد. اندازه تصویر 250 نانومتر در 250 نانومتر است.

تبخیر شامل دو فرآیند اساسی می‌باشد که در ادامه به آن می‌پردازیم: یک ماده در منبع داغ تبخیر شده و بر روی بستری که وجود دارد متراکم می شود. این فرآیند مانند این است که در آن آب مایع را روی درب یک قابلمه در حال جوش ظاهر کنیم. با این حال، محیط گازی و منبع گرما (به قسمت "تجهیزات" زیر مراجعه کنید) متفاوت است.

تبخیر فرآیندی می‌باشد که در خلاء صورت می گیرد، این بدین معنی می‌باشد که بخارات غیر از ماده منبع تقریباً به طور کامل قبل از شروع فرآیند حذف می شوند. در خلاء پرقدرت (با یک مسیر آزاد متوسط طولانی)، ذرات تبخیر شده می‌توانند بدون برخورد با گاز پس زمینه مستقیماً به سمت هدف رسوب کنند. (اما برعکس، در مثال دیگ جوش مشاهده می‌شود که بخار آب هوا را قبل از اینکه به درب آن برسد، از دیگ خارج می کند. ) در فشارهای معمولی به اندازه ^10-4 Pa، یک ذره 0.4 نانومتری دارای مسیری آزاد به طو متوسط به طول 60 متر می‌باشد. اجسام داغ در محفظه تبخیر، مانند رشته های حرارتی، بخارات ناخواسته ای تولید می کنند که کیفیت خلاء را محدود می کند.

اتم هایی که در فرآیند موجود تبخیر شده‌اند با ذرات خارجی برخورد می کنند و به همین دلیل آنها واکنش نشان دهند. به عنوان مثال، اگر آلومینیوم در حضور اکسیژن رسوب کند، اکسید آلومینیوم را تشکیل می دهد. آنها همچنین مقدار بخاری را که به زیرلایه می رسد کاهش می دهند که این امر کنترل ضخامت را دشوار می کند.

اگر بستری که فراهم شده سطح ناصاف داشته باشد مواد تبخیر شده به طور غیریکنواخت رسوب می کنند. از آنجا که مواد تبخیر شده در بیشتر از یک جهت به بستر موجود حمله می کنند، ویژگی‌های بیرون زده مواد تبخیر شده را از برخی مناطق مسدود می کند. این پدیده "سایه" یا "پوشش پله" نامیده می شود.

هنگامی که فرآیند تبخیر در خلاءای که نزدیک به فشار اتمسفر است انجام می شود، رسوب حاصل به طور کلی به صورت غیر یکنواخت می‌باشد و تمایل دارد که یک لایه پیوسته نباشد. اما به صورت رسوب فازی دیده میشود.

تجهیزات

یک اواپراتور حرارتی با یک قایق مولیبدن که بین دو ورودی مسی عظیم که توسط آب خنک می شوند، ثابت شده است.

معمولا هر سیستم تبخیر شامل یک پمپ خلاء می‌باشد .این سیستم‌ها شامل یک منبع انرژی می‌باشند که موادی را که قرار است ته‌نشین شوند را تبخیر می‌کنند. منابع انرژی مختلفی در همین راستا وجود دارد:

• در روش حرارتی ، مواد فلزی (به شکل سیم، گلوله، گلوله) بر روی اواپراتورهای نیمه فلزی (سرامیکی) گرم شده که به دلیل شکل آنها به عنوان "قایق" تغذیه می شود. سپس حوضچه ای از فلز ذوب شده در حفره قایق شکل می گیرد و به ابری در بالای منبع تبخیر می شود. در غیر این صورت، ماده منبع در یک بوته آهنگری قرار می گیرد که به صورت تابشی توسط یک رشته الکتریکی گرم می شود، یا ممکن است ماده منبع از خود رشته آویزان شود ( تبخیر رشته ).
  • اپیتاکسی پرتو مولکولی شکل پیشرفته ای از تبخیر حرارتی است.
• در روش پرتو الکترونی ، منبع توسط یک پرتو الکترونی با انرژی تا 15 keV گرم می شود.
• در تبخیر فلاش ، یک سیم ریز یا پودر ماده منبع به طور مداوم بر روی یک میله سرامیکی یا فلزی داغ وارد می شود و در تماس با آن تبخیر می شود.
• تبخیر مقاومتی با عبور جریان زیادی از سیم یا فویل مقاومتی حاوی موادی که قرار است ته نشین شود، انجام می شود. عنصر گرمایش اغلب به عنوان "منبع تبخیر" نامیده می شود. منابع تبخیر نوع سیمی از سیم تنگستن ساخته شده اند و می توانند به رشته ها، سبدها، بخاری ها یا منابع نقطه ای شکل حلقه ای تبدیل شوند. منابع تبخیر نوع قایق از مواد تنگستن، تانتالیوم، مولیبدن یا سرامیک ساخته شده اند که قادر به تحمل دمای بالا هستند.

معمولا بعضی از سیستم‌ها بستر مناسب را بر روی یک مکانیسم سیاره‌ای خارج از صفحه نصب می کنند و بدین صورت مکانیزم زیرلایه را به طور همزمان حول دو محور می چرخاند تا سایه را کاهش دهد.

بهینه سازی

• خلوص فیلم رسوب‌شده به کیفیت خلاء و خلوص ماده منبع بستگی دارد.
• در یک فشار خلاء معین، خلوص فیلم در نرخ‌های رسوب بالاتر، بالاتر خواهد بود زیرا این امر نرخ نسبی ورود ناخالصی گازی را به حداقل می‌رساند.
• ضخامت فیلم به دلیل هندسه محفظه تبخیر متفاوت خواهد بود. برخورد با گازهای باقیمانده باعث تشدید عدم یکنواختی ضخامت می شود.
• رشته های سیم برای تبخیر نمی توانند لایه های ضخیم را رسوب دهند، زیرا اندازه این رشته ها مقدار موادی را که می توان رسوب کرد محدود می کند. قایق های تبخیر و بوته های آهنگری حجم بیشتری را برای پوشش های ضخیم تر ارائه می دهند. تبخیر حرارتی سرعت تبخیر سریع تری نسبت به کندوپاش ارائه می دهد. تبخیر فلاش و سایر روش هایی که از بوته ها استفاده می کنند می توانند لایه های ضخیم را رسوب دهند.
• برای رسوب گذاری یک ماده، سیستم تبخیر باید بتواند آن را تبخیر کند. این امر باعث می شود که مواد نسوز مانند تنگستن با روش هایی که از گرمایش با پرتو الکترونی استفاده نمی کنند به سختی رسوب کنند.
• تبخیر پرتو الکترونی امکان کنترل دقیق سرعت تبخیر را فراهم می کند. بنابراین، یک سیستم پرتو الکترونی با پرتوهای متعدد و منابع متعدد می تواند یک ترکیب شیمیایی یا ماده مرکب با ترکیب شناخته شده را رسوب دهد.
• پوشش پله

برنامه های کاربردی

دستگاه تبخیر مورد استفاده برای متالیزاسیون در تاسیسات فناوری LAAS در تولوز، فرانسه.

یک مثال بسیار مهم از فرآیند تبخیری، تولید فیلم بسته بندی فیلم PET آلومینیومی در یک سیستم وب رول به رول می‌باشد که به طور معمول، لایه آلومینیوم در این ماده به اندازه کافی ضخیم نمیباشد و به این دلیل است که به صورت مات دیده شود زیرا یک لایه نازک تر می تواند راحت تر روی یک لایه ضخیم قرار گیرد. هدف اصلی آلومینیوم جداسازی محصول از محیط خارجی با ایجاد مانعی در برابر عبور نور، اکسیژن و یا بخار آب است.

تبخیر به طور معمول در میکروساخت برای رسوب فیلم‌های فلزی استفاده می‌شود.

مقایسه با سایر روش های رسوب گذاری

• جایگزین های تبخیر، مانند کندوپاش و رسوب بخار شیمیایی ، پوشش بهتری دارند. بسته به نتیجه مورد نظر، این ممکن است یک مزیت یا ضرر باشد.
• کندوپاش تمایل به رسوب مواد کندتر از تبخیر دارد.
• کندوپاش از پلاسما استفاده می کند که اتم های پرسرعت زیادی تولید می کند که در این راه زیرلایه بمباران شده و ممکن است به آن آسیب برساند. اتم های تبخیر شده دارای توزیع انرژی ماکسولین هستند که توسط دمای منبع تعیین می شود که تعداد اتم های پرسرعت را کاهش می دهد. با این حال، پرتوهای الکترونی تمایل به تولید پرتوهای ایکس ( Bremsstrahlung ) و الکترون‌های سرگردان دارند، که هر کدام می‌توانند به زیرلایه نیز آسیب برسانند.

منابع

• "Evaporation". The New Student's Reference Work (1914). 1914. p. 636.

• • 2-Jaeger, Richard C. (2002). "Film Deposition". Introduction to Microelectronic Fabrication (2nd ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.
  • Semiconductor Devices: Physics and Technology, by S.M. Sze, شابک ‎۰−۴۷۱−۳۳۳۷۲−۷, has an especially detailed discussion of film deposition by evaporation.
  • R. D. Mathis Company Evaporation Sources Catalog, by R. D. Mathis Company, pages 1 through 7 and page 12, 1992.

لینک های خارجی

• مرجع تبخیر لایه نازک - خواص مواد رایج
• وب سایت انجمن روکش های وکیوم ( انجمن روکش های وکیوم )
• نمونه هایی از منابع تبخیر