PVD - Vacuum Evaporation Flashcards
Processo
Que materiais podem ser depositados
Como?
Neste processo PVD os átomos ou moléculas de uma fonte de vaporização térmica atingem o substrato sem colisão com gás residual na câmara.
* Requer bom vácuo, normalmente melhor do que 10−4 Torr (se a contaminação do filme for um problema, vácuo até 10−9 Torr)
* A taxa de deposição depende da pressão de vapor dos elementos depositados (0,3 nm/s a 50 μm/s)
- Certos materiais (principalmente metais puros) podem ser depositados num substrato
o 1. transformando-os do estado sólido para o estado de vapor no vácuo
o 2. deixando-os condensar na superfície do substrato.
o O material a depositar, chamado fonte, é aquecido a uma temperatura suficientemente elevada para evaporar (ou sublimar).
Efeito do aquecimento em vacuo
Como o aquecimento é efetuado no vácuo, a temperatura necessária para a vaporização é significativamente inferior à temperatura correspondente necessária à pressão atmosférica.
* Além disso, a ausência de ar na câmara impede a oxidação do material de origem às temperaturas de aquecimento.
Pressão de vapor dos metais
O que diz a inclinação?
- Inclinação da curva diz que sensibilidade tem o elemento ao aumento de temperatura
- Mais deitadas – Pressão de vapor sobe devagar com temperatura
- Pressão de vapor – Equilíbrio de vapor com fases condensadas
- Processo vive do quão fácil é passar da fase líquida à gasosa
Os materiais com pressões de vapor de 10−2 Torr no sólido são descritos como materiais sublimantes e, se no líquido, derreter como materiais evaporantes. A maioria dos elementos vaporizam como átomos, mas em alguns casos (Sb, Sn, C e Se) uma porção significativa das espécies vaporizadas são como aglomerados de átomos.
Constituintes da liga vaporizam de que forma em relação a pressão de vapor?
Os constituintes das ligas vaporizam numa proporção proporcional às suas pressões de vapor: a pressão de vapor mais elevada vaporiza mais rapidamente do que a pressão de vapor mais baixa. A vaporização de ligas produz uma gradação da composição do filme que pode ser desejável ou indesejável.
Fontes resistivamente aquecidas
- A forma mais comum de aquecer materiais que vaporizam abaixo de 1500 ºC é por contacto com uma superfície quente que é aquecida através do Efeito Joule (aquecimento resistivo) Tecnologia mais simples
- Os materiais de aquecimento resistivo típicos são W, Ta, Mo, C, cerâmica composta CN/TiB2 (condutora), liga Ti-Zr-Mo e W-5-20Re (maior ductilidade).
- O aquecimento resistivo utiliza fontes de alimentação de baixa tensão (centenas de A) e CA.
- Suporte com material condutor refratário
- Suporte com material que quero evaporar
- É feita passar uma corrente entre dois pontos do suporte
- Aquecimento efeito Jole FundeSuporte mantém-se no estado sólido
- Material de suporte deve ter pressão de vapor baixa
- Um metal refratário (por exemplo, W, Mo) é moldado num recipiente adequado para conter o material de origem.
- É aplicada uma corrente para aquecer o recipiente, que por sua vez aquece o material em contacto com ele.
- Um problema com este método de aquecimento é a possível formação de ligas entre o suporte e o seu conteúdo, de modo a que a película depositada fique contaminada com o metal do recipiente de aquecimento por resistência.
Fontes aquecidas por feixe de eletrões
- Um fluxo de electrões a alta velocidade é dirigido para bombardear a superfície do material de origem, provocando a sua vaporização.
- Em contraste com o aquecimento por resistência, muito pouca energia acuta para aquecer o recipiente, minimizando assim a contaminação do material do recipiente com o revestimento
Feixes de alta energia são necessários para a evaporação de materiais refratários (cerâmicas, vidros, carbono e metais T de alta fusão).
* Usado para derreter grandes quantidades de material.
* Feixes focados de 10-20 kV (emissão termiónica).
Fontes aquecidas por eletroes - Revestimento do cadinho
- Revestir cadinho de cobre com revestimento cerâmico aplicado no fundo por vezes
- Material quando funde forma bolha e não toca nas paredes do cadinho
- Cadinhos cerâmicos apesar de não condutores tem inércia química elevada que pode ser útil para metais e não reagem
Fontes aquecidas por eletroes - cadinhos refrigerados a agua
Os cadinhos refrigerados a águas podem ser revestidos com materiais com menor condutividade térmica para concentrar o calor e atingir temperaturas mais elevadas do evaporante (ex. grafite pirolítica ou BN, BN/TiB2, BeO, Al2O3).
Cerâmicas isolantes eletricamente (ex. ThO2 , BeO, ZrO2 , Al2O3 , MgO, BN e sílica fundida) podem ser usadas como cadinhos devido à sua inércia química em contato com materiais fundidos
Notas:
* Modificar a superfície para preparar o filme
* Garantir que existe reprodutibilidade
* Desenvolver aparato industrial e equipamentos
Livro
- Qualquer que seja a técnica de vaporização, os átomos evaporados deixam a fonte e seguem trajetórias lineares até colidirem com outras moléculas de gás ou atingirem uma superfície sólida.
- O vácuo no interior da câmara elimina virtualmente outras moléculas de gás, reduzindo assim a probabilidade de colisões com os átomos de vapor da fonte.
- A superfície do substrato a revestir é normalmente posicionada em relação à fonte, de modo que seja a superfície sólida provável na qual os átomos de vapor serão depositados.
- Por vezes, é utilizado um manipulador mecânico para rodar o substrato de modo a que todas as superfícies sejam revestidas.
- Ao entrar em contacto com a superfície relativamente fria do substrato, o nível de energiados átomos que entram em contacto é subitamente reduzido ao ponto de não poderem de vapor; condensam-se e fixam-se à superfície sólida, formando uma película fina depositada.
Flash evaporation
- As películas de liga de composição constante podem ser depositadas por técnicas de evaporação flash.
- Uma pequena quantidade do material da liga é periodicamente completamente vaporizada.
- Útil para vaporizar ligas cujos constituintes têm pressões de vapor muito diferentes.
- Deixar cair uma pastilha ou tocar periodicamente numa ponta de arame numa superfície muito quente.
- Pulsar uma corrente muito alta através de um pequeno fio (o “fio explosivo”).
- Fontes de laser pulsado (ablação a laser) ou deposição de laser pulsado
- Lasers YAG tipicamente 50ns, 50Hz (granada de alumínio ítrio).
- Lasers ARF 20 ns, 50Hz (ARF = fluoreto de argônio).
Energia de condensação
- Calor de vaporização ou sublimação (mudança de entalpia na vaporização) geralmente alguns eV por átomo que inclui a energia cinética da partícula (~0,3 eV);
- Energia para arrefecer até à temperatura ambiente que depende da capacidade térmica e da mudança de temperatura;
- Energia de reação química associada à reação química (endo ou exotérmica);
- Solução de energia de liga (calor de solução).
Calor de vaporização ou sublimação e cinética da partícula – Energia cinética libertada sob forma de calor
Condensação de material vaporizado - Problema e solução
Taxa de deposição por unidade de área depende da orientação com que sai da fonte e orientação do substrato
Solução : Rodar substrato para ter substrato com revestimento uniforme
Deposição de ligas e compostos
Deposição de ligas:
* no interior de ou;
* para além da solubilidade no estado sólido.
PROBLEMA !
A deposição é átomo a átomo, o limite de solubilidade pode ser superado e produzir soluções supersaturadas. Se a pressão de vapor dos constituintes de uma liga diferir muito, a composição do filme mudará em toda a sua espessura.
Solução 1: Alimentar uma nova fonte de material com um feixe eletrónico de modo a que a composição do vapor permaneça a mesma durante a deposição (ex. Ti-6Al-4V). A tecnologia moderna liga isto se as pressões de vapor de partículas não diferirem mais de 1000:1.
Fazer adição de liga que estou a fazer
Solução 2: Depositar camadas alternadas e promover a difusão para formar a liga (dentro dos limites de solubilidade).
Depositar multicamadas numa quantidade tal que tenho deposito na estequimetria desejada
Deposição de ligas e compostos - SiO2
Compostos como o SiO2 resultarão numa película deficiente em oxigénio devido à dispersão.
Solução 1: Deposição quase reativa numa atmosfera de oxigénio ou aquecimento pós-deposição em ambiente de oxigénio.
Solução 2: Bombardear o substrato com oxigénio também pode melhorar a estequiometria (deposição assistida por iões, IAD).
Solução 3: Co-depositar os elementos e promover a sua reação através do aquecimento (ex. Ti + C = TiC). Depositar elementos e fazê-los reagir
Materiais para evaporação
- Os materiais utilizados como fonte “carga”
- Vêm de: pó, pedaços, pellets, arame, lesmas, etc.
- A pureza da carga depende da pureza requerida do filme e das suas propriedades. A pureza dos materiais de carga sobe para 99,999%.
- Os metais muito reativos (ex. Ti, Al) devem ser embalados em ampolas de vidro cheias de azoto e abertos e manuseados apenas dentro de uma caixa seca de gás inerte com um teor de oxigénio muito baixo
- Elementos vem em granulado colocado dentro do cadinho e evapora
