لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی
DTT three shots

لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی- Thermal Evaporation Deposition

تبخیر حرارتی یکی از روش های پرکاربرد و محبوب در بین روش های لایه نشانی است. سادگی عملکرد و سرعت مناسب از جمله نقاط قوت این روش لایه نشانی است. لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی از جمله روش های فیزیکی لایه نشانی تحت خلاء است (Physical Vapor Deposition (PVD)) که در حین آن طی یک فرایند فیزیکی، لایه نازک روی بستر مورد نظر نشانده می شود.

مکانیزم عملکرد لایه نشانی با روش تبخیر حرارتی

در فرایند لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی(Thermal Evaporation Deposition)، ماده مورد نظر که درون یک منبع تبخیر(بوته، سیم پیچ، بسکت) قرار دارد در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده و دمای آن به نقطه تبخیر می رسد. از آنجا که ایجاد گرما به علت مقاومت الکتریکی منبع تبخیر است، این روش را تبخیر مقاومتی نیز می گویند. مولکول های ماده تبخیر شونده پس از تبخیر به سمت زیرلایه حرکت می کنند و یک لایه نازک روی سطح زیرلایه تشکیل می دهند. مواد بسیاری می توانند با استفاده از این روش لایه نشانی شوند از جمله، آلومینیوم، نقره، نیکل، کروم، منیزیم و ….

یکی از ویژگی های مهم سیستم های لایه نشانی در خلاء به روش تبخیر حرارتی میزان فشار نهایی آن ها می باشد. در فرایند لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی، در صورتی که مولکول های تبخیر شده ماده مورد نظر در مسیر خود تا زیرلایه با مولکول های گاز های موجود در محفظه لایه نشانی برخورد کنند، دچار تغییرات نامطلوبی در مسیر حرکت خود می شوند و این امر روی کیفیت پوشش دهی نمونه تاثیر منفی می گذارد. برای جلوگیری از این پدیده، فرایند لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی باید در یک محیط خلاء بالا انجام شود. در فشار ۵-۱۰ تور، طول مسیر آزاد (Mean Free Path) مولکول های ماده تبخیر شده ۱ متر است.

گازهای پس زمینه در فرآیند لایه نشانی

این بدین معنی است که میانگین مسافت طی شده توسط مولکول های موجود در محفظه خلاء، قبل از برخورد با یک مولکول دیگر، ۱ متر است. در نتیجه می توان گفت که مولکول های ماده بخار شده می توانند در یک خط مستقیم و بدون برخورد از منبع تبخیر به زیرلایه برسند. از دیدگاه دیگر، حضور گازهای پس زمینه در محفظه لایه نشانی ممکن است موجب آلودگی لایه نازک نشانده شده شود. مثلا وجود مقدار ناچیزی اکسیژن یا رطوبت در حین لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی در فرایند ساخت افزاره های ساطع کننده نور ارگانیک (Organic Light-Emitting Diode (OLED)) و افزاره های فتوولتائیک ارگانیک، موجب ناکارآمدی بخش های فعال عملکردی این افزاره ها می شود. با کاهش فشار محفظه لایه نشانی تا ۶-۱۰ تور، خلوص لایه نازک نشانده شده و عملکرد افزاره های ساخته شده به طور چشم گیری افزایش خواهد یافت.

کاربردهای لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی(Thermal Evaporation Deposition)

لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی کاربردهای گوناگونی دارد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد.

  • ایجاد لایه های اتصال فلزی در افزاره هایی مثل OLEDها، سلول های خورشیدی و ترانزیستورهای لایه نازک
  • ایجاد لایه ای نازک از ایندیوم در پشت تارگت های سرامیکی به منظور اتصال به صفحه فلزی به عنوان Backing Plate
  • تولید لایه نازک های فلزی (اغلب آلومینیوم) روی پلیمرها به منظور کاربرد در بسته بندی مواد غذایی و عایق حرارت و صوت

فیلم های پلیمری متالیزه شده، فیلم های پلیمری هستند که با استفاده از لایه نشانی در خلاء به روش تبخیر حرارتی با یک لایه نازک از فلزات (معمولا آلومینیوم) پوشانده می شوند. این فیلم ها ظاهری براق و فلزی مانند فویل آلومینیومی دارند که البته از فویل های آلومینیومی سبکتر و ارزانتر هستند. این فیلم ها بیشتر به منظور تزئینات و یا بسته بندی محصولات غذایی استفاده می شوند. معمولا پلیمرهای پلی پروپیلن و پلی اتیلن ترفتالات (PET) جهت متالیزه شدن مورد استفاده قرار می گیرند. فیلم های PET متالیزه شده همچنین در لباس فضانوردان ناسا جهت بازتاب گرما برای گرم نگه داشتن فضانوردان و در لباس آتش نشانان برای بازتاب گرمای تابش شده از سمت آتش به کار برده می شوند.

از دیگر کاربردهای این فیلم های متالیزه شده که با استفاده از لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی ایجاد می شوند می توان به پتوهای آلومینیومی اضطراری اشاره کرد که جهت حفظ گرمای بدن بیمارانی که دچار شوک شده اند استفاده می شوند. همچنین در ساخت محفظه های ضد الکتریسیته ساکن و محافظ در برابر گرما و صدا در هواپیما نیز از فیلم های PET متالیزه شده استفاده می شود.

دستگاه لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی مدل DTT

دستگاه لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی مدل DTT، ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار، یک سیستم دسکتاپ است که با توجه به فضای کمی که اشغال می کند، مناسب برای آزمایشگاه های تحقیقاتی است. DTT مجهز به پمپ توربومولکولار بوده و فشار نهایی محفظه لایه نشانی این سیستم به ۷۱۰*۷ تور می رسد. لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی در این فشار موجب ایجاد لایه  های نازک با کیفیت و کارایی مناسب می شود. پمپ های توربومولکولار به کار رفته در این سیستم متعلق به شرکت آلمانی معتبر Leybold است که با توجه به فضای کمی که نسبت به پمپ های دیفیوژنی اشغال می کنند، با همان کارایی دارای ابعاد به مراتب کوچکتر بوده و فضای بسیارکمی را در آزمایشگاه اشغال می کند.

مدت زمان طی شده از زمان روشن کردن دستگاه تا زمان رسیدن به فشار مطلوب برای لایه نشانی کمتر از نصف زمانی است که از پمپ های دیفیوژنی استفاده می شود، همچنین عدم نیاز به خنک کردن پمپ توربو با آب و عدم وجود روغن در این پمپ ها  مشکل برگشت روغن توسط پمپ های دیفیوژنی به داخل محفظه را نداشته و یکی دیگر از از مزایای مهم استفاده از پمپ های توربو می باشد. محفظه خلاء نسبتا کوچک این سیستم لایه نشانی، این امکان را فراهم می آورد که در مدت زمان کوتاهی فشار دستگاه به کمترین میزان خود برسد.

اندازه گیری فشار

همانطور که می دانید فشار محیط لایه نشانی در فرایند لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی و کیفیت لایه های نازک ایجاد شده به این روش نقش به سزایی ایفا می کند. برای اطلاع دقیق کاربر از فشار لحظه ای محفظه لایه نشانی نیاز است تا از فشارسنج های قابل اطمینان و دارای دقت مناسب استفاده شود. به همین منظور فشارسنج های به کار رفته در سیستم لایه نشانی مدل DTT، فشار سنج های ترکیبی ساخت شرکت Leybold می باشند و قابلیت نمایش فشار در محدوده اتمسفر تا ۹-۱۰ تور را دارند. DTT، مجهز به سه چشمه تبخیر مجزای از یکدیگر است که استفاده از این سیستم را برای لایه نشانی چندلایه ای ها مناسب کرده است.

نگهدارنده نمونه در دستگاه DTT، قابلیت حرکت و قرارگیری دقیق روبروی هر چشمه تبخیر را دارد (Boat selection option) و کاربر می تواند بدون شکستن خلاء و تنها با جابجا کردن اتصال الکتریکی مربوط به تغذیه هر منبع تبخیر، چند لایه ها را لایه نشانی کند.از دیگر امکانات این سیستم لایه نشانی امکان ایجاد لایه های  آلیاژی است. در صورتی که کاربر نیاز به تبخیر هم زمان از دو یا سه چشمه را داشته باشد می تواند با اتصال همزمان دو یا سه چشمه تبخیر به منابع تغذیه و کنترل مستقل هر یک از آنها اقدام به لایه نشانی کنترل شده و همزمان چند ماده کند. دیوارهای جدا کننده تعبیه شده بین چشمه های تبخیر از تاثیر مواد تبخیر شونده گوناگون موجود در منابع تبخیر روی یکدیگر و ایجاد آلودگی جلوگیری می کنند.

فرآیند پیش گرمایش

در صورتی که کاربر بخواهد در حضور یک گاز پس زمینه اقدام به نشاندن لایه نازک نماید، دستگاه لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی مدل DTT دارای یک شیر الکتریکی (Mass Flow Controller (MFC)) کنترل کننده جریان به داخل محفظه خلاء است. دقت بالای شیرهای الکتریکی بکار رفته در سیستم DTT به کاربر این امکان را می دهد تا با دقت یک SCCM گاز را به داخل محفظه خلاء تزریق کند.

انجام فرایند پیش گرمایش (Preheat) به منظور از بین بردن آلودگی های روی مواد تبخیر شونده قبل از انجام فرایند لایه نشانی، از دیگر امکاناتی است که در دستگاه DTT در نظر گرفته شده است. در صورتی که کاربر بخواهد از فرایند پیش گرمایش استفاده کند، می تواند با قرار دادن شاتر الکترونیکی تعبیه شده در داخل محفظه خلاء روبروی زیرلایه از لایه نشانی آلودگی هایی که قبل از تبخیر ماده اصلی در اثر حرارت از روی چشمه تبخیر یا مواد تبخیری بلند می شود روی نمونه های خود در حین فرایند پیش گرمایش جلوگیری کند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد دستگاه لایه نشانی مدل DTT به سایت شرکت پوشش های نانوساختار مراجعه نمایید.