Lämpösuihke

Terminen ruiskutus (tunnetaan myös termisen haihdutuksena ) on laajalti käytetty tyhjiöpinnoitusmenetelmä . Lähtöaine haihdutetaan tyhjössä . Tyhjiö mahdollistaa höyryhiukkasten tiivistymisen suoraan ruiskutetun tuotteen (substraatin) päälle. Lämpösumutusta käytetään mikrovalmistuksessa ja tuotteiden, kuten metalloidun muovikalvon tai sävytetyn lasin , valmistukseen .

Fyysinen periaate

Lämpöruiskutuksessa käytetään kahta fysikaalista prosessia: kuumennetun lähtöaineen haihtumista ja sen kondensoitumista alustalle. Samoin kiehuvan kattilan kannelle ilmestyy vesipisaroita. Avain saostusprosessiin on kuitenkin se, että se tapahtuu tyhjiössä.

Korkeassa tyhjiössä haihtuneiden hiukkasten keskimääräinen vapaa reitti on suurempi kuin etäisyys alustaan, ja ne voivat pudota sen päälle ilman, että jäännöskaasumolekyylit hajoavat ( toisin kuin yllä olevassa kattilaesimerkissä, jossa vesihöyryn on ensin syrjäytettävä ilma kannen alta). Yleisesti käytetyssä 10 -4 Pa paineessa halkaisijaltaan 0,4 nm hiukkasen keskimääräinen vapaa reitti on 60 m . Törmäysten puuttumisen vuoksi haihdutetun materiaalin hiukkaset säilyttävät korkean lämpötilan , mikä antaa niille tarvittavan liikkuvuuden muodostaakseen tiiviin kerroksen alustalle. Tyhjiö on myös suojaava ympäristö, joka mahdollistaa kemiallisesti aktiivisten materiaalien haihtumisen häiritsemättä niiden kemiallista koostumusta.

Höyrystynyt materiaali kerrostuu epätasaisesti, jos alustalla on epätasainen pinta, kuten usein tapahtuu integroiduissa piireissä . Koska haihtuneet hiukkaset osuvat alustaan ​​pääasiassa yhdestä suunnasta, kohokuvion ulkonevat piirteet estävät materiaalia pääsemästä tietyille pinnan alueille. Tätä ilmiötä kutsutaan "maskingiksi" tai "varjostukseksi".

Jos pinnoitusprosessia yritetään suorittaa huonossa tyhjiössä, tuloksena oleva pinnoite on pääsääntöisesti epähomogeeninen, huokoinen kaasusulkeutumien vuoksi ja epäjatkuva. Pinnoitteen väri eroaa puhtaasta materiaalista ja pinta on matta (karkea) alustan sileydestä riippumatta. Myös kemiallinen koostumus poikkeaa alkuperäisestä oksidien , hydroksidien ja nitridien muodostumisen vuoksi .

Menetelmän haittana on monimutkaisen koostumuksen omaavien materiaalien kerrostamisen monimutkaisuus fraktioinnin vuoksi, mikä johtuu komponenttien höyrynpaineen eroista. Tämä puute on jätetty pois esimerkiksi magnetronisputterointimenetelmästä .

Varusteet

Lämpösuihkutusjärjestelmä sisältää vähintään tyhjökammion , jossa korkeaa tyhjiötä ylläpidetään erityisellä evakuointijärjestelmällä, substraatilla ja höyrystyneeseen materiaaliin siirtyvän lämmönlähteen avulla. Lämmönlähteenä voidaan käyttää:

• resistiiviset haihduttimet [1] , jotka ovat johtavasta keramiikasta tai tulenkestävästä metallista (niin kutsuttuun muotonsa vuoksi) valmistettu "vene", jonka läpi johdetaan sähkövirtaa lämmittäen sitä . Haihdutettava materiaali sijoitetaan veneen syvennykseen, josta se haihtuu (ei välttämättä nestefaasista ). Tämän menetelmän haittana on materiaalin rajallinen tarjonta, jota rajoittaa veneen koko. Erikoistapauksena on kerrostaminen lankalämmittimistä, joihin haihtunut materiaali pysyy pintajännitysvoimien vaikutuksesta . Käytetään alumiinin ruiskutukseen .
• upokas epäsuoralla lämmityksellä, elektronisella tai induktiolla . Ensimmäisessä tapauksessa kuumennus suoritetaan upokkaan upokkaan ympärillä olevasta rengasmaisesta katodista tulevalla elektronivirralla, toisessa tapauksessa upokkaan itsessään olevilla pyörrevirroilla , joita induktori herättää.
• elektronisuihku [2] . Tässä tapauksessa materiaalia voidaan kuumentaa ja haihduttaa paikallisesti, samalla kun se pysyy pääosin kylmänä, mikä mahdollistaa erittäin suuren materiaalivarannon upokkaassa. Tämän menetelmän muunnelma on haihdutus "autoupokkaan", kun materiaali asetetaan jäähdytettyyn upokkaaseen, seinämiä pitkin muodostuu kiinteän faasin kerros, joka suojaa upokasta nestemäisen metallin vaikutukselta. Tätä menetelmää käytetään esimerkiksi alumiinin haihduttamiseen, joka nestemäisessä muodossa on erittäin aggressiivinen useimmille materiaaleille.
• laserablaatio . Materiaali haihtuu kuumennettaessa suuren hetkellisen tehon lasersäteen polttopisteessä [3] . Lämpöpisteen lämpötila voi olla riittävän korkea muodostamaan isotermisen plasman , eli haihtuneet materiaalihiukkaset ionisoituvat . Menetelmä mahdollistaa tulenkestävien metallien ja monimutkaisen koostumuksen materiaalien haihduttamisen.

Resistiivisen menetelmän muunnelma on räjähdyshaihdutus ("flash" haihdutus), jota käytetään monimutkaisen koostumuksen materiaalien haihduttamiseen [4] . Veneen lämpötila pidetään selvästi alhaisimman höyrynpaineen komponentin haihduttamiseen vaadittavan tason yläpuolella ja materiaali syötetään jauheen tai rakeiden muodossa erityisellä annostelulaitteella. Tämän seurauksena pienet jauheen rakeet haihtuvat lähes välittömästi, ja kaikki komponentit saavuttavat alustan samanaikaisesti säilyttäen alkuperäisen stoikiometrian .

Saostuksen tasaisuuden varmistamiseksi käytetään erilaisia ​​pyörivien substraattipitimien versioita. Pääsääntöisesti asennus on varustettu myös ionisella alustojen puhdistusjärjestelmällä tai lämmittimellä tarvittavan pinnan puhtauden ja tarttuvuuden varmistamiseksi .

Ominaisuudet

• Saostetun pinnoitteen puhtaus riippuu tyhjiön laadusta ja lähtöaineen koostumuksesta.
• Tietyllä paineella kalvon puhtaus on korkeampi korkeammalla kerrostumisnopeudella, koska haihtuneen materiaalin ja jäännöskaasujen virtausten suhde on suurempi.
• Kalvon paksuus riippuu sputterointijärjestelmän geometriasta.
• Lankahaihduttimia ei voida käyttää paksukalvopinnoittamiseen, koska niissä on rajoitettu materiaalimäärä. Veneillä on suurempi materiaalivarasto, ja elektronisuihkumenetelmä on käytännössä rajaton.
• Haihdutusmenetelmä on nopein ja tehokkain kaikista pinnoitusmenetelmistä.
• Kaikkia materiaaleja ei voida ruiskuttaa lämpöhaihduttamalla. Tulenkestävällä metallilla on liian alhainen höyrynpaine ja ne vaativat erittäin korkean lämpötilan haihtuakseen. Monet yhdisteet hajoavat alhaisemmassa lämpötilassa kuin ne alkavat haihtua, jopa matalissa paineissa.
• Elektronisuihkumenetelmällä on suurin joustavuus, mikä mahdollistaa lämpötehon joustavan jakamisen useiden lämmityskohteiden kesken ja siten kontrolloidun koostumuksen omaavien kalvojen saamisen.

Sovellus

Esimerkki lämpösumutussovelluksesta on metalloidun polyeteenipakkauskalvon valmistus . Tämän materiaalin alumiinikerros on pääsääntöisesti niin ohut , että se on käytännössä läpinäkyvä, mutta estää kuitenkin tehokkaasti hapen ja vesihöyryn tunkeutumisen kalvon läpi . Mikroteknologiassa metallointikerrosten ruiskutukseen käytetään lämpöruiskutusta . Optiikassa  - heijastuksenesto- tai heijastavien pinnoitteiden pinnoittamiseen . Tasaisten näyttöjen valmistuksessa  - läpinäkyvien johtavien kerrosten kerrostamiseen.

Vertailu muihin ruiskutusmenetelmiin

• Vaihtoehtoiset pinnoitusmenetelmät, kuten sputterointi tai kemiallinen höyrypinnoitus, mahdollistavat jatkuvampia kalvoja ja enemmän pölyä sivupinnoille. Tehtävästä riippuen tämä voi olla sekä etu että haitta.
• Yleensä ruiskutus on paljon hitaampi ruiskutusmenetelmä. Lisäksi haihduttamisen energiatehokkuus on lähellä ihannetta, kun taas ruiskutus  on suuruusluokkaa huonompi.
• Sputteroiduilla atomeilla on korkea kineettinen energia , mikä johtaa kalvojen laadun merkittävään paranemiseen , mutta aiheuttaa substraatin vaurioitumisriskin. Kuitenkin elektronisuihkuhaihdutuksen aikana heijastuneet elektronit ja katkeavat röntgensäteet voivat myös vahingoittaa alustaa.

Muistiinpanot

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

Kirjallisuus

• Gotra Z. Yu. Mikroelektronisten laitteiden tekniikka. Hakemisto. - M . : Radio ja viestintä, 1991. - 528 s. - ISBN 5-256-00699-1 .

• Danilin B.S. Matalalämpötilaisen plasman käyttö ohuiden kalvojen kerrostamiseen. - 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, SM Sze, ISBN 0-471-33372-7 , sisältää erityisen yksityiskohtaisen esityksen lämpöhaihdutusmenetelmästä.
• RD Mathis Companyn haihtumislähteiden luettelo, RD Mathis Company, sivut 1–7 ja sivu 12, 1992.

Linkit

• Ohutkalvon haihtumisreferenssi — yleisten materiaalien ominaisuudet
• Vacuum Coaters -yhdistyksen verkkosivu
• Esimerkkejä haihtumislähteistä

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)