Bei der thermischen Verdampfung handelt es sich um eine Methode der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), bei der ein Material in einer Hochvakuumkammer erhitzt wird, bis es verdampft und einen Dampf bildet, der dann auf einem Substrat kondensiert und eine dünne Schicht bildet.
Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt und ist für seine Einfachheit und den geringen Stromverbrauch bekannt.
1. Prozessaufbau
Die thermische Verdampfung beginnt mit einer Vakuumkammer, die in der Regel aus rostfreiem Stahl besteht.
In dieser Kammer befindet sich ein Tiegel oder ein Schiffchen aus feuerfesten Materialien wie Wolfram oder Molybdän, in dem sich das abzuscheidende Material, das so genannte Verdampfungsmittel, befindet.
Die Vakuumumgebung ist von entscheidender Bedeutung, da sie es dem Dampf ermöglicht, sich zu bewegen, ohne mit anderen Atomen zu reagieren oder an ihnen zu streuen, wodurch ein sauberer Abscheidungsprozess gewährleistet wird.
2. Heizung und Verdampfung
Das Material wird mit einer Widerstandsheizquelle erhitzt.
Diese Erwärmung wird so lange fortgesetzt, bis das Material seinen Siedepunkt erreicht und verdampft, wobei Dampfdruck entsteht.
In der Vakuumumgebung reicht bereits ein relativ geringer Dampfdruck aus, um eine Dampfwolke zu erzeugen.
Die Bedeutung des Dampfdrucks liegt in seiner Fähigkeit, die Bildung eines Dampfstroms zu erleichtern, der sich durch die Kammer bewegen kann.
3. Abscheidung auf dem Substrat
Das verdampfte Material, nun in Form eines Dampfstroms, durchquert die Vakuumkammer und erreicht das Substrat.
Bei Kontakt mit dem Substrat kondensiert es und haftet an diesem, so dass ein dünner Film entsteht.
Dieser Prozess ist schonend, die Energie der verdampften Teilchen liegt bei etwa 0,12 eV und eignet sich für empfindliche Materialien und Substrate.
4. Vorteile und Beschränkungen
Die thermische Verdampfung wird wegen ihrer Einfachheit und der Möglichkeit, Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt abzuscheiden, bevorzugt.
Es hat jedoch aufgrund der Temperaturbeschränkungen der Tiegelmaterialien Einschränkungen bei der Handhabung hochschmelzender Materialien.
Die Wahl des Tiegels und der Heizmethode (elektrisch beheizte Drähte oder leitfähige Tiegel) hängt von den Eigenschaften des Materials und der gewünschten Qualität der Schicht ab.
5. Vakuumanforderungen
Der Basisdruck in der Kammer wird auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten, typischerweise zwischen 10^-7 und 10^-5 mbar, um die Qualität der Abscheidung zu gewährleisten.
Dieser niedrige Druck ist notwendig, um Verunreinigungen zu vermeiden und dem Dampf die Möglichkeit zu geben, ungehindert zum Substrat zu gelangen.
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