Evaporación por E-Beam y Evaporación Térmica por Resistencia

Proceso de depósito de materiales por e-beam

Evaporación por e-beam, una visión general.

Durante el proceso de evaporación por haz de electrones “e-beam”, una corriente pasa a través de un filamento de tungsteno, que por efecto de calentamiento Joule se obtiene una emisión de electrones. Posteriormente, el equipo aplica un alto voltaje entre el filamento y el contenedor del crisol para acelerar los electrones liberados hacia el crisol con el material a evaporar. Finalmente, un fuerte campo magnético se encarga de enfocar estos electrones en un haz que transfiere la energía de estos electrones al material que se quiere depositar, lo que ocasiona que este se evapore y por consecuencia, se deposite una película en un sustrato. Ver figura 1.

Fig. 1. Depósito de materiales por e-beam. En la imagen de la derecha, Andrea Conzatti Cantú, estudiante del Instituto Tecnnológico de Orizaba, que realiza su tesis en el desarrollo de sensores de pH, hace uso del sistema e-beam del cuarto limpio de CIDESI Querétaro.

Depósitos contínuos y simultáneos de materiales

En el cuarto limpio de CIDESI en Querétaro, contamos con un sistema e-beam, “es uno de los consentidos”, porque además, se encuentra equipado con dos sistemas de evaporación térmica, lo que permite realizar desde un depósito o hasta múltiples depósitos, o si lo requiere la fabricación, depositar más de un material consecutivamente antes de abrir la cámara de depósito y por consecuencia, sin romper el vacío, lo que nos da increíbles ventajas y posibilidades en la fabricación de dispositivos.

Este sistema está dedicado para el depósito de metales y de algunos dieléctricos. Los materiales que tenemos disponibles en el cuarto limpio son: Oro, Platino, Plata, Aluminio, Cromo, Níquel, Tungsteno, Óxido de Aluminio, Óxido de Silicio y Óxido de Cromo, principalmente.
Esta capacidad de depositar diferentes materiales nos permite trabajar en el desarrollo de sensores que van desde la detección de glucosa hasta la detección de contaminantes en el aire, entre varios más. Ver Figura 2.

Fig. 2. En la imagen de la izquierda se observa el crisol con pastillas de oro, en la imagen de la derecha se observa el sistema e-beam con el crisol con Oro después de realizar un depósito.

¿Qué características para depósito de materiales tienen estos equipos?

A parte de las opciones de co-depósito y depósito continuo de materiales antes de romper vacío, gracias a los seis compartimientos que tiene el carrusel que contiene los materiales en el ebeam, ver Figura 3, y las dos fuentes de evaporación térmica, el equipo también cuenta con las siguientes capacidades:

  • Rotación y calefacción del porta muestras de hasta 50 rpm. y 650 °C, respectivamente
  • Depósito simultaneo de hasta tres obleas de cuatro pulgadas
  • El depósito es controlado por  software (control PID), además de que el barrido del haz de electrones es programable de acuerdo al material depositado
  • El espesor de las películas depositadas es monitoreado por un sensor inficon
  • Finalmente, el equipo es respaldado por una bomba criogénica que permite alcanzar presiones de hasta E-8 Torr que garantiza integridad en la pureza del material depositado

Fig. 3. El sistema de depósito con el que cuenta el cuarto limpio de CIDESI Querétaro permite realizar depósitos y co-depósitos con temperatura en el sustrato.

Evaporación térmica, una visión general.

Como lo hemos mencionado antes, el sistema ebeam cuenta con dos fuentes de evaporación térmica. La evaporación térmica de materiales es ampliamente utilizada en los procesos de micro y nano fabricación de sistemas electrónicos que involucran un proceso de “lift off”, debido a que es un depósito considerado unidireccional entre la fuente y el sustrato. En el proceso de evaporación térmica, Ver Fig. 4., la evacuación de los gases dentro de la cámara principal para alcanzar un alto vacío es crítico y fundamental, debido a que las moléculas de vapor del material evaporado dentro de la cámara pueden viajar grandes distancias antes de que colisionen con moléculas de gas, las colisiones con moléculas de gas dentro de la cámara principal no son deseadas, porque estas pueden cambiar la dirección del vapor del material y por consecuencia afectar la homogeneidad del depósito. Depósitos con presiones en el orden de E-6 Torr, garantizan los depósitos unidireccionales.

Fig. 4. Evaporación térmica de aluminio. Este proceso es altamente direccional entre la fuente de evaporación y el sustrato donde se depositara el material.

Finalmente…

Los depositos de materiales por e-beam y evaporación térmica son ideales cuando se desarrollan aplicaciones como diodos o sistemas fotovoltaicos base orgánicos, debido a que la evaporación de materiales se realiza a presiones por debajo del orden de la -5 Torr, originando que disminuya la presencia de remanentes de oxígeno y humedad en la cámara principal.

Fig. 5. En la imagen de la izquierda, se observan pastillas de Níquel que serían depositadas por e-beam (metalización). En la imagen de la derecha, se observa una oblea con sensores de conductividad y temperatura, en los que parte de la película de Níquel fue removida mediante el proceso llamado “lift off”. Estos sensores fueron diseñados y fabricados en el cuarto limpio de CIDESI Querétaro.

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