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Evaporación térmica: sencilla y fiable
Este artículo forma parte de la serie «Conceptos básicos sobre el PVD». Empieza por aquí o consulta todos los artículos.
La respuesta breve
La evaporación térmica es el método de PVD más sencillo en cuanto a equipamiento y funcionamiento, o de entre todas las técnicas basadas en la evaporación. Se hace pasar una corriente elevada a través de un filamento o una barquilla fabricada con un metal de alto punto de fusión (tungsteno, molibdeno o tantalio). El filamento se calienta. El material que se encuentra sobre él —el evaporante— se funde y, a continuación, se vaporiza. El vapor se desplaza a través del vacío y se condensa sobre el sustrato.
Sin haces de electrones. Sin fuentes de alimentación de alta tensión. Sin plasma. Solo corriente, calor y vacío.
Si necesitas depositar metales blandos como el aluminio, el oro, la plata o el cobre —y no necesitas una densidad de película perfecta ni una cobertura total de los escalones—, la evaporación térmica es el método más barato, sencillo y fiable que existe.
Cómo funciona la evaporación térmica
El concepto es sencillo: calentar un material hasta que se convierta en vapor en el vacío.
Esquema de la deposición por evaporación térmica. Najim, Aus; Muhi, Malek; Gbashi, Kadhim; y Salih, Ammar. (2018). Síntesis de una célula solar γ-MnO₂/α-Bi₂O₃/a-Si eficiente y eficaz mediante la técnica de evaporación térmica al vacío. Plasmonics. 13. 1-5. 10.1007/s11468-017-0585-2.
El filamento o la cubeta. Se da forma auna pieza de metal refractario —normalmente tungsteno, molibdeno o tantalio— para convertirla en un filamento (una bobina de alambre) o en una cubeta (una cavidad poco profunda). El material a evaporar se coloca sobre o dentro de este calentador.
Calentamiento. Se hace pasar una corriente elevada —normalmente de 50 a 500 amperios— a través del filamento. La resistencia del metal genera calor. La temperatura aumenta hasta que el material a evaporar se funde y, a continuación, se vaporiza.
Vacío. La cámara se bombea hasta alcanzar un alto vacío —normalmente entre 10⁻⁵ y 10⁻⁶ Torr—. El bajo o de presión garantiza que los átomos de vapor se desplacen hacia el sustrato sin chocar con las moléculas de gas.
Deposición. El vapor se condensa sobre el sustrato, que suele estar a temperatura ambiente o ligeramente calentado.
Todo el sistema puede ser tan sencillo como una campana de vidrio, una bomba de vacío y una fuente de alimentación.
Tipos de fuentes de evaporación térmica
Existen varios diseños de fuentes habituales, cada uno de ellos adecuado para distintos materiales.
Filamentos de alambre (bobinas)
Se enrolla un alambre de tungsteno formando una bobina, a modo de pequeño resorte, en cuyo interior se colocan pequeños trozos de material a evaporar. Al calentarse, el material a evaporar se funde y recubre el alambre de tungsteno, y la tensión superficial lo mantiene en su sitio. Esta configuración es muy adecuada para el aluminio, el oro, la plata y otros metales que recubren el tungsteno, aunque se limita a pequeñas cantidades y el filamento puede romperse si se sobrecalienta.
Barcos
Una cubeta poco profunda fabricada en tungsteno, molibdeno o tantalio sirve como fuente de evaporación, con el material a evaporar colocado directamente en la cubeta. Esta configuración proporciona un calentamiento más uniforme en comparación con un filamento, lo que la hace adecuada para el aluminio, el cromo, el oro, la plata y materiales que no humedecen bien el tungsteno. Sin embargo, la barquilla acaba desgastándose y, con el tiempo, es necesario sustituirla.
Crisoles (calentamiento indirecto)
Para materiales que reaccionan con el tungsteno o el molibdeno, o cuando se necesitan cargas más grandes, un método indirecto utiliza un crisol de cerámica o grafito calentado por un filamento externo. Este método evita el contacto directo entre el material a evaporar y el elemento calefactor, pero a costa de una respuesta térmica más lenta y una menor eficiencia general.
Evaporación instantánea
Se dejan caer pequeñas piezas del material a evaporar sobre un filamento muy caliente, donde se evaporan al instante. Este método resulta especialmente útil para aleaciones que se fraccionarían si se calentaran lentamente, ya que la rápida evaporación ayuda a preservar la composición original. Sin embargo, la técnica es relativamente compleja y no se emplea habitualmente en entornos de producción.
¿Qué materiales son aptos para la evaporación térmica?
La evaporación térmica se limita a materiales que se funden y se evaporan por debajo de unos 1 500 °C, el límite práctico de los calentadores de tungsteno y molibdeno.
|
Material |
Punto de fusión |
Temperatura de evaporación (a 10⁻⁵ Torr) |
Usos habituales |
|
660 °C |
~1 000 °C |
Interconexiones de semiconductores, espejos |
|
|
1 064 °C |
~1 400 °C |
Contactos eléctricos, protección contra la corrosión |
|
|
962 °C |
~1 050 °C |
Recubrimientos reflectantes, conductores |
|
|
1 085 °C |
~1 250 °C |
Cableado, capas de base |
|
|
1 907 °C |
~1 200 °C (se sublima) |
Capas de adhesión, decorativas |
|
|
1 455 °C |
~1 500 °C |
Capas de base, películas magnéticas |
|
|
157 °C |
~800 °C |
Soldaduras de baja temperatura, contactos |
|
|
232 °C |
~1 000 °C |
Soldaduras, conductores transparentes (con In) |
Los materiales que se funden por encima de los 1.500 °C —platino, tungsteno, tantalio, titanio— no pueden evaporarse mediante métodos térmicos simples. Para ellos, se necesita la evaporación por haz de electrones.
Ventajas de la evaporación térmica
Es sencilla y económica. Un sistema básico de evaporación térmica cuesta una fracción de lo que cuestan los sistemas de pulverización catódica o de haz de electrones. Las fuentes de alimentación son baratas. No se necesitan controles complejos.
Sin rayos X. A diferencia de la evaporación por haz de electrones, no se generan rayos X. Esto es fundamental para recubrir sustratos sensibles como los CCD, los sensores CMOS y algunos materiales orgánicos.
Velocidades de deposición muy elevadas. En el caso de materiales como el aluminio y el oro, es habitual alcanzar velocidades de deposición de cientos de nanómetros por minuto.
Escaso calentamiento del sustrato. El sustrato solo recibe el calor irradiado por el filamento caliente. Sin plasma. Sin bombardeo iónico. Se pueden recubrir sustratos sensibles a la temperatura.
Baja tensión en la película. Las películasevaporadas suelen tener una tensión intrínseca menor que las películas depositadas por pulverización catódica.
Fácil de manejar. Enciende la bomba. Calienta el filamento. Abre el obturador. Cierra el obturador. Apaga la calefacción. Cualquiera puede aprender a utilizarlo en un día.
Fácil cambio de materiales. Basta con cambiar el filamento o la barquilla. Cargar un material de evaporación diferente. Y ya está listo para empezar.
Limitaciones
Solo materiales con punto de fusión bajo. Cualquier temperatura superior a unos 1.500 °C es imposible. No se puede utilizar platino, tungsteno, tantalio ni titanio.
Riesgo de contaminación. El filamento o la barquilla están fabricados con tungsteno, molibdeno o tantalio. A altas temperaturas, estos materiales pueden evaporarse y contaminar la película. El propio evaporante también puede reaccionar con el filamento.
Pequeñas cantidades. Un filamento o una barquilla solo admiten una cantidad limitada de material a evaporar. Para películas gruesas o lotes grandes, es posible que tengas que recargar con frecuencia.
Vida útil del filamento. Los filamentos y las barquillas se desgastan. Cada ciclo de calentamiento provoca tensión térmica y un adelgazamiento gradual. Su sustitución forma parte del mantenimiento rutinario.
Fraccionamiento de la aleación. Si se intenta evaporar una aleación, el elemento con mayor presión de vapor se evapora más rápido. La composición de la película no coincidirá con la de la fuente. Esta es una limitación fundamental de todos los métodos de evaporación.
Cobertura deficiente de los escalones. Al igual que todos los métodos de evaporación, la evaporación térmica se produce en línea de visión. Las superficies verticales y los rasgos profundos reciben poco o ningún recubrimiento.
Evaporación térmica frente a evaporación por haz de electrones
|
Característica |
Evaporación térmica |
|
|
Punto de fusión máximo |
~1 500 °C |
Cualquiera |
|
Materiales típicos |
Al, Au, Ag, Cu, Cr, In |
Pt, W, Ta, Ti, óxidos, cerámicas |
|
Generación de rayos X |
No |
Sí |
|
Riesgo de contaminación |
Moderado (material del filamento) |
Muy bajo (crisol refrigerado por agua) |
|
Coste del equipo |
Bajo |
Alto |
|
Velocidad de deposición |
Muy alta |
Muy alta |
|
Facilidad de uso |
Muy sencilla |
Moderada (orientación del haz) |
|
Vida útil del filamento |
De corta a moderada |
Moderada (filamento del cañón de electrones) |
La elección depende totalmente del material. Si tu material se funde por debajo de los 1.500 °C, la evaporación térmica es más sencilla y económica. Si necesitas materiales con un punto de fusión elevado o la máxima pureza, utiliza el haz de electrones.
Evaporación térmica frente a pulverización catódica
|
Característica |
Evaporación térmica |
|
|
Densidad de la película |
Moderada (95-98 %) |
Alta (98-99+ %) |
|
Adhesión |
Buena |
Excelente |
|
Cobertura escalonada |
Deficiente |
Deficiente (pero mejor) |
|
Composición de la aleación |
Se fracciona |
Conserva la composición |
|
Materiales de alto punto de fusión |
No |
Sí |
|
Velocidad de deposición |
Muy alta |
De moderada a alta |
|
Coste del equipo |
Bajo |
De moderado a alto |
|
Daños en el sustrato |
Nulo (sin plasma) |
Bajo a moderado |
Elige la evaporación térmica cuando necesites simplicidad, bajo coste, alta velocidad y tu material sea un metal de bajo punto de fusión. Elige la pulverización catódica cuando necesites películas densas, buena adhesión o la capacidad de depositar aleaciones y materiales de alto punto de fusión.
Aplicaciones habituales
Contactos metálicos para semiconductores. Las interconexionesde aluminio en la fabricación de chips se depositaban históricamente mediante evaporación térmica. (Actualmente, el pulverizado catódico es más habitual para nodos avanzados, pero la evaporación sigue utilizándose en algunas aplicaciones).
Contactos metálicos para LED y células solares. Contactos de oro, plata y aluminio en semiconductores compuestos y células solares.
Recubrimientos decorativos. Recubrimientosde cromo y aluminio sobre plásticos y vidrio.
Investigación. La evaporacióntérmica es muy habitual en los laboratorios universitarios e industriales debido a su sencillez y bajo coste.
Electrónica orgánica. Algunos materiales orgánicos se depositan mediante evaporación térmica en alto vacío.
Protección contra la corrosión. Recubrimientosde aluminio y oro para la resistencia a la corrosión.
Sensores de película fina. Películas metálicas para galgas extensométricas, sensores de temperatura y otros dispositivos.
Consejos prácticos
Utiliza el material adecuado para el filamento. El tungsteno tiene el punto de fusión más alto, pero es frágil. El molibdeno es más dúctil, pero se funde a una temperatura más baja. El tantalio es una buena opción intermedia para muchos materiales.
Realiza una prefundición lenta. Aumenta la corriente gradualmente para expulsar los gases atrapados antes de abrir la compuerta del sustrato. Esto reduce las salpicaduras.
Presta atención a la humectación. Algunos materiales (como el aluminio) humectan bien el tungsteno y permanecen en la bobina. Otros (como el oro) no humectan el tungsteno y se deslizan hacia abajo. Utiliza una barquilla para los materiales que no humectan.
Lleve un registro. Anote la corriente, la velocidad de deposición y el espesor de la película en cada ciclo. La evaporación es sensible a pequeños cambios en el estado del filamento.
Sustituya los filamentos con regularidad. Un filamento desgastado fallará en mitad de una serie. Cámbielos según un calendario, no después de que fallen.
Conclusión
La evaporación térmica es el método de PVD más sencillo, económico y directo. Para metales de bajo punto de fusión como el aluminio, el oro, la plata y el cobre, suele ser la mejor opción: rápida, limpia y fiable.
Las limitaciones son reales: no admite materiales de alto punto de fusión, no permite aleaciones sin fraccionamiento y ofrece una cobertura deficiente de los escalones. Pero para las aplicaciones a las que se adapta, nada supera a la evaporación térmica en cuanto a simplicidad y relación calidad-precio.
Si estás poniendo en marcha un nuevo laboratorio o un nuevo proyecto, y tus materiales son metales blandos, empieza con la evaporación térmica. Funcionará. Será fácil. Y siempre podrás añadir la pulverización catódica o el haz de electrones más adelante si los necesitas.
Presentado por Stanford Advanced Materials, proveedor de blancos de pulverización catódica y materiales de evaporación.
Referencias
- D. M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, 2.ª ed. Oxford, Reino Unido: Elsevier, 2010.
- M. Ohring, «Materials Science of Thin Films: Deposition and Structure», 2.ª ed. San Diego, California, EE. UU.: Academic Press, 2002.
- A. Najim, M. Muhi, K. Gbashi y A. Salih, «Síntesis de una célula solar γ-MnO₂/α-Bi₂O₃/a-Si eficiente y eficaz mediante la técnica de evaporación térmica al vacío», Plasmonics, vol. 13, pp. 1-5, 2018. doi: 10.1007/s11468-017-0585-2.
- S. A. Campbell, La ciencia y la ingeniería de la fabricación microelectrónica, 2.ª ed. Nueva York, NY, EE. UU.: Oxford University Press, 2001.
- J. E. Mahan, «Physical Vapor Deposition of Thin Films». Nueva York, NY, EE. UU.: Wiley-Interscience, 2000.
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