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Evaporação térmica: simples e confiável
Este artigo faz parte da série “Noções básicas sobre PVD”. Comece por aqui ou veja todos os artigos.
A resposta curta
A evaporação térmica é o método de PVD mais simples em termos de equipamento e operação, ou entre todas as técnicas baseadas em evaporação. Passa-se uma corrente elevada por um filamento ou barquinho feito de um metal de alto ponto de fusão (tungstênio, molibdênio ou tântalo). O filamento se aquece. O material depositado sobre ele — o evaporante — derrete e, em seguida, vaporiza-se. O vapor percorre o vácuo e se condensa sobre o substrato.
Sem feixes de elétrons. Sem fontes de alimentação de alta tensão. Sem plasma. Apenas corrente, calor e vácuo.
Se você precisar depositar metais macios como alumínio, ouro, prata ou cobre — e não precisar de densidade de película perfeita ou cobertura total —, a evaporação térmica é o método mais barato, mais simples e mais confiável disponível.
Como funciona a evaporação térmica
O conceito é simples: aquecer um material até que ele se transforme em vapor no vácuo.
Esboço esquemático da deposição por evaporação térmica. Najim, Aus & Muhi, Malek & Gbashi, Kadhim & Salih, Ammar. (2018). Síntese de célula solar γ-MnO₂/α-Bi₂O₃/a-Si eficiente e eficaz por meio da técnica de evaporação térmica a vácuo. Plasmonics. 13. 1-5. 10.1007/s11468-017-0585-2.
O filamento ou a cubeta. Um pedaço de metal refratário — normalmente tungstênio, molibdênio ou tântalo — é moldado em forma de filamento (uma bobina de fio) ou de cubeta (uma calha rasa). O material a ser evaporado é colocado sobre ou dentro desse aquecedor.
Aquecimento. Uma corrente elevada — normalmente de 50 a 500 amperes — é passada pelo filamento. A resistência do metal gera calor. A temperatura aumenta até que o material a ser evaporado derreta e, em seguida, se vaporize.
Vácuo. A câmara é bombeada até um alto vácuo — normalmente de 10⁻⁵ a 10⁻⁶ Torr. O vácuo o garante que os átomos do vapor se desloquem até o substrato sem colidir com moléculas de gás.
Deposição. O vapor se condensa sobre o substrato, que normalmente está à temperatura ambiente ou ligeiramente aquecido.
Todo o sistema pode ser tão simples quanto uma campânula de vidro, uma bomba de vácuo e uma fonte de alimentação.
Tipos de fontes de evaporação térmica
Existem vários projetos comuns de fontes, cada um adequado a diferentes materiais.
Filamentos de fio (bobinas)
Um fio de tungstênio é enrolado em uma bobina, como uma pequena mola, com pequenos pedaços do material a ser evaporado colocados em seu interior. Quando aquecido, o material a ser evaporado derrete e reveste o fio de tungstênio, e a tensão superficial o mantém no lugar. Essa configuração é adequada para alumínio, ouro, prata e outros metais que revestem o tungstênio, embora seja limitada a pequenas quantidades e o filamento possa se romper se superaquecido.
Barcos
Uma calha rasa feita de tungstênio, molibdênio ou tântalo serve como fonte de evaporação, com o material a ser evaporado colocado diretamente na calha. Essa configuração proporciona um aquecimento mais uniforme em comparação com um filamento, tornando-a adequada para alumínio, cromo, ouro, prata e materiais que não molham bem o tungstênio. No entanto, a barquinha acaba se desgastando e precisa ser substituída com o tempo.
Cadinhos (aquecimento indireto)
Para materiais que reagem com o tungstênio ou o molibdênio, ou quando são necessárias cargas maiores, uma abordagem indireta utiliza um cadinho de cerâmica ou grafite aquecido por um filamento externo. Esse método evita o contato direto entre o material a ser evaporado e o elemento de aquecimento, mas ao custo de uma resposta térmica mais lenta e menor eficiência geral.
Evaporação instantânea
Pequenos pedaços do material a ser evaporado são depositados sobre um filamento muito quente, onde evaporam instantaneamente. Essa abordagem é particularmente útil para ligas que se fracionariam se aquecidas lentamente, pois a evaporação rápida ajuda a preservar a composição original. No entanto, a técnica é relativamente complexa e não é comumente empregada em ambientes de produção.
Quais materiais são adequados para a evaporação térmica?
A evaporação térmica é limitada a materiais que derretem e evaporam abaixo de cerca de 1.500 °C — o limite prático dos aquecedores de tungstênio e molibdênio.
|
Material |
Ponto de fusão |
Temperatura de evaporação (a 10⁻⁵ Torr) |
Uso comum |
|
660 °C |
~1.000 °C |
Interconexões de semicondutores, espelhos |
|
|
1.064 °C |
~1.400 °C |
Contatos elétricos, proteção contra corrosão |
|
|
962 °C |
~1.050 °C |
Revestimentos reflexivos, condutores |
|
|
1.085 °C |
~1.250 °C |
Fiação, camadas de base |
|
|
1.907 °C |
~1.200 °C (sublima) |
Camadas de adesão, decorativas |
|
|
1.455 °C |
~1.500 °C |
Camadas de base, filmes magnéticos |
|
|
157 °C |
~800 °C |
Soldas de baixa temperatura, contatos |
|
|
232 °C |
~1.000 °C |
Soldas, condutores transparentes (com In) |
Materiais que derretem acima de 1.500 °C — platina, tungstênio, tântalo, titânio — não podem ser evaporados por métodos térmicos simples. Para esses, é necessária a evaporação por feixe de elétrons.
Vantagens da evaporação térmica
Simples e econômica. Um sistema básico de evaporação térmica custa uma fração do preço dos sistemas de pulverização catódica ou de feixe de elétrons. As fontes de alimentação são baratas. Não são necessários controles complexos.
Sem raios X. Ao contrário da evaporação por feixe de elétrons, não há geração de raios X. Isso é fundamental para o revestimento de substratos sensíveis, como CCDs, sensores CMOS e alguns materiais orgânicos.
Taxas de deposição muito altas. Para materiais como alumínio e ouro, taxas de deposição de centenas de nanômetros por minuto são comuns.
Baixo aquecimento do substrato. O substrato recebe apenas o calor irradiado pelo filamento quente. Sem plasma. Sem bombardeio de íons. Substratos sensíveis à temperatura podem ser revestidos.
Baixa tensão na película. Películasevaporadas normalmente apresentam menor tensão intrínseca do que as obtidas por pulverização catódica.
Fácil de operar. Ligue a bomba. Aqueça o filamento. Abra o obturador. Feche o obturador. Desligue o aquecimento. Qualquer pessoa pode aprender a operar em um dia.
Fácil troca de materiais. Troque o filamento ou a barquinha. Coloque um evaporante diferente. Você está pronto para começar.
Limitações
Apenas materiais com baixo ponto de fusão. Qualquer coisa acima de cerca de 1.500 °C é impossível. Nada de platina, tungstênio, tântalo ou titânio.
Risco de contaminação. O filamento ou a barquinha são feitos de tungstênio, molibdênio ou tântalo. Em altas temperaturas, esses materiais podem evaporar e contaminar seu filme. O próprio evaporante também pode reagir com o filamento.
Pequenas quantidades. Um filamento ou barquinho comporta apenas uma quantidade limitada de evaporante. Para filmes espessos ou grandes lotes, talvez seja necessário recarregar com frequência.
Vida útil do filamento. Filamentos e barquinhas se desgastam. Cada ciclo de aquecimento causa tensão térmica e afinamento gradual. A substituição faz parte da manutenção de rotina.
Fracionamento da liga. Se você tentar evaporar uma liga, o elemento com maior pressão de vapor evapora mais rapidamente. A composição do filme não corresponderá à fonte. Essa é uma limitação fundamental de todos os métodos de evaporação.
Cobertura insuficiente em degraus. Assim como todos os métodos de evaporação, a evaporação térmica ocorre na linha de visão. Superfícies verticais e características profundas recebem pouco ou nenhum revestimento.
Evaporação térmica vs. evaporação por feixe de elétrons
|
Característica |
Evaporação térmica |
|
|
Ponto de fusão máximo |
~1.500 °C |
Qualquer |
|
Materiais típicos |
Al, Au, Ag, Cu, Cr, In |
Pt, W, Ta, Ti, óxidos, cerâmicas |
|
Geração de raios X |
Não |
Sim |
|
Risco de contaminação |
Moderado (material do filamento) |
Muito baixo (cadinho resfriado a água) |
|
Custo do equipamento |
Baixo |
Alto |
|
Taxa de deposição |
Muito alta |
Muito alta |
|
Facilidade de uso |
Muito simples |
Moderada (orientação do feixe) |
|
Vida útil do filamento |
Curta a moderada |
Moderada (filamento do canhão de elétrons) |
A escolha depende inteiramente do seu material. Se o seu material derrete abaixo de 1.500 °C, a evaporação térmica é mais simples e econômica. Se você precisar de materiais com alto ponto de fusão ou da mais alta pureza, use o feixe de elétrons.
Evaporação térmica x pulverização catódica
|
Característica |
Evaporação térmica |
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Densidade do filme |
Moderada (95-98%) |
Alta (98–99+%) |
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Aderência |
Boa |
Excelente |
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Cobertura por etapas |
Ruim |
Ruim (mas melhor) |
|
Composição da liga |
Fraciona |
Preserva a composição |
|
Materiais de alto ponto de fusão |
Não |
Sim |
|
Taxa de deposição |
Muito alta |
Moderada a alta |
|
Custo do equipamento |
Baixo |
Moderado a alto |
|
Danos ao substrato |
Nenhum (sem plasma) |
Baixo a moderado |
Opte pela evaporação térmica quando precisar de simplicidade, baixo custo, alta taxa de deposição e seu material for um metal de baixo ponto de fusão. Opte pelo sputtering quando precisar de filmes densos, boa adesão ou a capacidade de depositar ligas e materiais de alto ponto de fusão.
Aplicações comuns
Contatos metálicos em semicondutores. As interconexõesde alumínio na fabricação de chips eram historicamente depositadas por evaporação térmica. (Atualmente, o sputtering é mais comum para nós avançados, mas a evaporação ainda é utilizada em algumas aplicações.)
Contatos metálicos para LEDs e células solares. Contatos de ouro, prata e alumínio em semicondutores compostos e células solares.
Revestimentos decorativos. Revestimentosde cromo e alumínio em plásticos e vidro.
Pesquisa. A evaporaçãotérmica é onipresente em laboratórios universitários e industriais devido à sua simplicidade e baixo custo.
Eletrônica orgânica. Alguns materiais orgânicos são depositados por evaporação térmica em alto vácuo.
Proteção contra corrosão. Revestimentosde alumínio e ouro para resistência à corrosão.
Sensores de película fina. Películas metálicas para medidores de deformação, sensores de temperatura e outros dispositivos.
Dicas práticas
Use o material certo para o filamento. O tungstênio tem o ponto de fusão mais alto, mas é frágil. O molibdênio é mais dúctil, mas derrete a uma temperatura mais baixa. O tântalo é um bom meio-termo para muitos materiais.
Faça a pré-fusão lentamente. Aumente a corrente gradualmente para expelir os gases retidos antes de abrir a tampa do substrato. Isso reduz os respingos.
Fique atento à umectação. Alguns materiais (alumínio) umectam bem o tungstênio e permanecem na bobina. Outros (ouro) não umectam o tungstênio e escorrem. Use uma barquinha para materiais que não umectam.
Mantenha um registro. Anote a corrente, a taxa de deposição e a espessura do filme para cada ciclo. A evaporação é sensível a pequenas alterações nas condições do filamento.
Substitua os filamentos regularmente. Um filamento desgastado irá falhar no meio de uma execução. Troque-os de acordo com um cronograma, não após a falha.
Conclusão
A evaporação térmica é o método de PVD mais simples, mais barato e mais direto. Para metais de baixo ponto de fusão, como alumínio, ouro, prata e cobre, costuma ser a melhor escolha — rápida, limpa e confiável.
As limitações são reais: não é possível usar materiais de alto ponto de fusão, nem ligas sem fracionamento, e a cobertura de degraus é insatisfatória. Mas, para as aplicações em que se encaixa, nada supera a evaporação térmica em termos de simplicidade e custo-benefício.
Se você estiver montando um novo laboratório ou iniciando um novo projeto, e seus materiais forem metais macios, comece com a evaporação térmica. Vai funcionar. Vai ser fácil. E você sempre poderá adicionar pulverização catódica ou feixe de elétrons mais tarde, se precisar.
Apresentado pela Stanford Advanced Materials, fornecedora de alvos de pulverização catódica e materiais para evaporação.
Referências
- D. M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, 2ª ed. Oxford, Reino Unido: Elsevier, 2010.
- M. Ohring, Ciência dos Materiais de Filmes Finos: Deposição e Estrutura, 2ª ed. San Diego, CA, EUA: Academic Press, 2002.
- A. Najim, M. Muhi, K. Gbashi e A. Salih, “Síntese de célula solar γ-MnO₂/α-Bi₂O₃/a-Si eficiente e eficaz por meio da técnica de evaporação térmica a vácuo”, Plasmonics, vol. 13, pp. 1–5, 2018. doi: 10.1007/s11468-017-0585-2.
- S. A. Campbell, A Ciência e a Engenharia da Fabricação Microeletrônica, 2ª ed. Nova York, NY, EUA: Oxford University Press, 2001.
- J. E. Mahan, “Deposição Física de Vapor de Filmes Finos”. Nova York, NY, EUA: Wiley-Interscience, 2000.
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