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Evaporación y Sputtering


Comparación entre la evaporación y la pulverización catódica


Evaporación mediante haz de electrones.

En la evaporación térmica, la mayor parte del material de deposición sufre la transición del estado sólido al estado de vapor mediante calentamiento térmico o bombardeo electrónico. El material evaporado luego se lleva al sustrato donde ocurre el crecimiento de la película delgada. Los parámetros críticos de dicha tecnología de recubrimiento son principalmente la velocidad promedio de las partículas evaporadas y su distribución angular. La presión de la base debe mantenerse en el rango de alto vacío para minimizar el número de eventos de impacto entre las partículas evaporantes y los gases residuales en la cámara. El alto vacío permite que las partículas tengan una "trayectoria libre media" suficiente para que la película delgada crezca a nivel del sustrato. El recubrimiento mediante evaporación se realiza generalmente en una cámara como la que se muestra en la figura 1 a continuación. La cámara de acero inoxidable se evacua con la ayuda de una bomba primaria y una secundaria (como una bomba turbo, como en el ejemplo o una bomba de difusión). La fuente del evaporante es una cabeza de pistola de haz de electrones; el crecimiento del recubrimiento está controlado por una microbalanza de cristal de cuarzo que puede reportar tanto el espesor como la velocidad de evaporación. Se agrega una pistola de iones para aumentar la densidad del material de recubrimiento o para preparar los sustratos para la deposición.

PVD evaporation chamber.jpg

Figura 1: cámara de evaporación de PVD



Distribución del evaporante: máscara de uniformidad.

Para un sustrato plano, la distribución del material evaporado depende en gran medida de la distancia entre la fuente y el sustrato a recubrir, así como del ángulo entre el sustrato y la fuente de evaporación. La dependencia se define por la llamada ley de coseno, debido a la cual la dependencia de la distancia es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y la dependencia del ángulo es proporcional al coseno del ángulo. Mientras que el primero puede corregirse en su mayoría utilizando una calota esférica que sostiene los sustratos, el segundo factor requiere una máscara de uniformidad para lograr una distribución uniforme del material evaporado en todos los sustratos.


Recubrimiento de materiales con evaporación térmica o e-beam.

El recubrimiento por evaporación de material fue un gran paso en la tecnología de recubrimiento cuando se introdujo en la década de 1930. Hoy en día, esta tecnología permite el uso de muchos materiales de recubrimiento diferentes, como se ilustra en la siguiente tabla:

Declaración
Materiales Evaporante Típico Impureza Tasa de deposición Rango de temperatura Costo
Térmico Metal o materiales de bajo punto de fusión.

Au, Ag, Al, Cr, Sn, Sb, GE, In, Mg, Ga

CdS, Pbs, CdSe, NaCl, KCl, AgCl, MgF 2 , CaF 2 , PbCl 2

Alto 1 - 20 A / s - 1800 ℃ Bajo
E-Beam Tanto metal como dieléctricos.

Todo lo anterior, más:

Ni, Pt, Ir, Rh, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo, Al2O3, SiO, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2

Bajo 10 - 100 A / s - 3000 ℃ Alto


Tecnología de recubrimiento por pulverización

El revestimiento por pulverización catódica, también conocido como "pulverización catódica", está utilizando la acción erosiva de los iones acelerados en la superficie de un material objetivo. Estos iones tienen suficiente energía para eliminar (= chisporroteo) partículas en la superficie objetivo. En su forma más simple, a alto vacío, se genera un campo eléctrico entre un ánodo y una placa de cátodo (objetivo) que se debe pulverizar. Por medio de la tensión eléctrica, un gas de trabajo, generalmente argón (Ar), se ioniza generando una descarga luminiscente. Dado que el objetivo se mantiene a un voltaje negativo, los iones Ar + positivos se aceleran hacia el objetivo y "bombardean" los átomos en su superficie. A diferencia de la evaporación térmica, las partículas del objetivo no son desplazadas por el calor, sino mediante una "transferencia de momento" (colisión inelástica) directa entre los iones y los átomos del material a depositar. Para lograr la pulverización, se necesita un cierto umbral de energía para eliminar los átomos de la superficie objetivo y llevarlos al vacío. Esto se indica mediante la eficiencia de pulverización S, que es la relación del material pulverizado por ión Ar +. Los procesos de pulverización tienen mucha más energía que los procesos de evaporación, lo que significa que el material pulverizado generalmente tiene la forma de iones con la capacidad de generar recubrimientos muy densos.


Salpicadura de magnetrón

La tecnología de pulverización catódica más común es la pulverización magnética en la cual los imanes se colocan en el área del objetivo para mantener la densidad de los iones de pulverización muy alta, lo que aumenta la eficiencia de la pulverización. De esa manera es posible tener una tasa de pulverización más alta y más estable y, en consecuencia, una deposición más rápida. El proceso de recubrimiento por pulverización magnetrón no requiere el control de microbalanza; El control de grosor en línea se puede realizar solo por tiempo de pulverización: una vez iniciado, la velocidad de deposición del recubrimiento (es decir, el grosor de recubrimiento por segundo, generalmente dado en nm / s) depende del campo magnético, el campo de aceleración eléctrica y la presión del gas. Si estos parámetros son constantes, la tasa de deposición también es estable y será reproducible en las mismas condiciones de los parámetros mencionados anteriormente.


La siguiente figura 2 muestra un objetivo de silicio circular bajo el bombardeo de iones Ar +. Es posible ver la densidad más alta de los iones (luz blanca) que corresponde al campo magnético permanente. Sin embargo, los átomos salpicados provendrán de toda la superficie del magnetrón.

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Figura 2: Plasma de un objetivo de silicio circular bajo bombardeo con iones de argón



Sputtering reactivo

En la pulverización reactiva con magnetrón, se agrega un gas reactivo (o una mezcla de gases) al gas inerte (por ejemplo, argón) y reacciona con los átomos erosionados del objetivo durante la formación de la capa sobre el sustrato. La cantidad correcta de gas reactivo está determinada por las características ópticas requeridas del material recubierto. La película puede ser subestequiométrica, estequiométrica u oxidada, dependiendo de la cantidad de gases reactivos insertados en la cámara de recubrimiento, lo que conduce a características físicas y ópticas completamente diferentes del material recubierto1. Con esta tecnología, es posible, por ejemplo, recubrir capas de material de alto índice de refracción y bajo índice de refracción utilizando solo un objetivo.


El silicio es uno de los materiales de recubrimiento más interesantes. Al mezclar el silicio con nitrógeno, es posible obtener el material de alto índice de refracción Si 3 N 4 (n≌ 2.05 @ 520nm en su forma a granel); Al mezclarlo con oxígeno, es posible obtener el material de bajo índice de refracción SiO 2 (n ° 1.46 @ 520 nm en su forma global). En la figura 3, se muestra un esquema de la tecnología de pulverización reactiva. El nitrógeno y el oxígeno se utilizan como gases reactivos; El argón se utiliza para crear el plasma y pulverizar el objetivo de silicio.

Reactive sputtering chamber.jpg

Figura 3: cámara reactiva de pulverización catódica



Comparación entre las tecnologías de Evaporación y Revestimiento Sputter.

La pulverización catódica no es un método de evaporación. La alta energía involucrada en el proceso no creará átomos evaporados como con la evaporación térmica. Más bien, crea un plasma de partículas salpicadas cargadas con mucha más energía. Comparando la energía de las partículas obtenidas por pulverización y por evaporación, estas últimas son mucho menos energéticas y, por lo tanto, no pueden organizarse para tener una alta densidad cuando se hace crecer una película delgada sobre el sustrato.


Como se ilustra en la figura 1, la evaporación del haz de electrones necesita la asistencia de un haz de iones durante la deposición para obtener una mayor densidad. Esta tecnología se conoce como deposición asistida por iones (IAD). En la pistola de haz de iones se genera un plasma de un gas inerte o reactivo; Las partículas cargadas de la pistola golpean la película en crecimiento y aumentan la densidad de la película. Una mayor densidad puede mejorar las propiedades mecánicas de una película recubierta o aumentar la resistencia a la abrasión de un revestimiento. Otra limitación de la evaporación es su fuerte dependencia de la velocidad de evaporación del material evaporante, lo que hace que sea imposible evaporar sustancias con una estequiometría complicada o incluso materiales de aleación. En contraste, el Sputtering es mucho menos sensible a la estequiometría del objetivo. Sin embargo, con la pulverización catódica es imposible recubrir materiales fluorados (como MgF 2 ) ya que el plasma pulverizado destruye la estructura de las películas de fluoruro.


Mirando a la industria oftálmica, la pulverización catódica es ahora una tecnología madura para la producción de lentes recubiertas de espejo o AR. Sus beneficios clave son la velocidad del proceso, la estabilidad de la tasa de deposición que permite evitar el monitor de cristal de cuarzo y la posibilidad de llevar a cabo procesos completamente automatizados.


La capacidad de automatizar se basa en los siguientes dos hechos:

Dado que la pulverización utiliza un bombardeo y / o un gas reactivo, el proceso de pulverización no necesita el mismo nivel de vacío bajo que la evaporación.

✦ La distribución no está relacionada con el cono de evaporación como en el proceso de evaporación. Por lo tanto, es posible realizar cámaras de recubrimiento más compactas que se puedan integrar más fácilmente en una línea de producción automatizada (junto con un generador de lentes, un pulidor y un recubridor por rotación para recubrimientos duros).


Las características mencionadas anteriormente han llevado a la producción de muchos sistemas de pulverización catódica en línea para diversas aplicaciones de producción dentro y fuera de la industria oftálmica. Hoy en día, al igual que con la evaporación, la combinación de sustrato plástico + laca dura + recubrimiento de pulverización catódica AR puede ajustarse para lograr un producto de lente de alta calidad con respecto a las propiedades ópticas, mecánicas y de durabilidad.


CONCLUSIÓN

Se ha proporcionado una visión general muy breve de las tecnologías PVD más comunes. La evaporación térmica es la tecnología más madura: existe desde la década de 1930, los operadores capacitados y capacitados están disponibles en todo el mundo y permiten recubrir casi todos los materiales necesarios para aplicaciones de recubrimiento "estándar" (por ejemplo, para recubrir lentes oftálmicas). La pulverización catódica es una tecnología más joven: existe desde principios de los años 70 y se ha utilizado principalmente para aplicaciones de gama alta (como la óptica espacial). Sin embargo, hoy en día sus beneficios también se utilizan para recubrimientos oftálmicos "estándar". La evaporación térmica necesita un alto vacío mientras que la pulverización funciona a una presión más alta, lo que la convierte en una tecnología fácilmente automatizada para ser implementada en sistemas de revestimiento en línea. La velocidad de recubrimiento por pulverización es altamente ajustable y, dependiendo de la tecnología de generación de plasma, alcanza valores muy altos y estables con DC (= Corriente directa) o tecnología DC pulsada. Ambas tecnologías de recubrimiento pueden ajustarse para obtener diferentes propiedades físicas de las películas recubiertas. La decisión sobre qué tecnología utilizar debe basarse en el rendimiento de producción requerido, los costos, el número de sustratos a recubrir, el tipo de sustrato y las características finales del recubrimiento.



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