वाष्पीकरण (निक्षेपण)

प्रतिरोधक गर्म नाव में थर्मल वाष्पीकरण

वाष्पीकरण पतली-फिल्म जमाव की सामान्य विधि है। स्रोत सामग्री निर्वात में वाष्पीकरण है। खालीपन वाष्प कणों को सीधे लक्ष्य वस्तु (सब्सट्रेट) तक जाने की अनुमति देता है, जहां वे संघनित होकर वापस ठोस अवस्था में आ जाते हैं। वाष्पीकरण का उपयोग सूक्ष्म निर्माण में और मेटलाइजिंग प्लास्टिक फिल्म जैसे मैक्रो-स्केल उत्पाद बनाने में किया जाता है।

भौतिक सिद्धांत

थर्मल वाष्पीकरण द्वारा पैलेडियम की (111) सतह पर चांदी के एक-परमाणु-मोटे द्वीप जमा हो गए। सब्सट्रेट, भले ही इसे दर्पण पॉलिश और वैक्यूम एनीलिंग प्राप्त हुआ, छतों की श्रृंखला के रूप में दिखाई देता है। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) का उपयोग करके पूर्ण मोनोलेयर को पूरा करने के लिए आवश्यक समय को ट्रैक करके और क्वांटम अच्छी तरह से के उद्भव से कवरेज का अंशांकन प्राप्त किया गया था। छवि का आकार 250 एनएम गुणा 250 एनएम है।

वाष्पीकरण में दो मूलभूत प्रक्रियाएँ सम्मिलित होती हैं: गर्म स्रोत सामग्री वाष्पित हो जाती है और सब्सट्रेट पर संघनित हो जाती है। यह उस परिचित प्रक्रिया से मिलता-जुलता है जिसके द्वारा उबलते बर्तन के ढक्कन पर तरल पानी दिखाई देता है। चूंकि, गैसीय वातावरण और ताप स्रोत (नीचे उपकरण देखें) अलग-अलग हैं।

वाष्पीकरण निर्वात में होता है, अर्थात्

प्रक्रिया प्रारंभ होने से पहले स्रोत सामग्री के अतिरिक्त अन्य वाष्प लगभग पूरी तरह से हटा दिए जाते हैं। उच्च निर्वात में (लंबे औसत मुक्त पथ के साथ), वाष्पित कण पृष्ठभूमि गैस से टकराए बिना सीधे जमाव लक्ष्य तक यात्रा कर सकते हैं। (इसके विपरीत, उबलते बर्तन के उदाहरण में, जल वाष्प ढक्कन तक पहुंचने से पहले हवा को बर्तन से बाहर धकेल देता है।) सामान्य दबाव पर 10⁻⁴ Pa, a 0.4-एनएम कण का औसत मुक्त पथ 60 मीटर है। वाष्पीकरण कक्ष में गर्म वस्तुएं, जैसे हीटिंग फिलामेंट्स, अवांछित वाष्प उत्पन्न करती हैं जो वैक्यूम की गुणवत्ता को सीमित करती हैं।

वाष्पीकृत परमाणु जो बाहरी कणों से टकराते हैं, उनके साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं; उदाहरण के लिए, यदि एल्युमीनियम को ऑक्सीजन की उपस्थिति में जमा किया जाए, तो यह एल्युमीनियम ऑक्साइड बनाएगा। वे सब्सट्रेट तक पहुंचने वाले वाष्प की मात्रा को भी कम कर देते हैं, जिससे मोटाई को नियंत्रित करना कठिन हो जाता है।

यदि सब्सट्रेट की सतह खुरदरी है तो वाष्पित सामग्री असमान रूप से जमा होती है (जैसा कि एकीकृत सर्किट अधिकांशतः करते हैं।) क्योंकि वाष्पीकृत सामग्री सब्सट्रेट पर अधिकांशतः एक ही दिशा से प्रभावित करती है, उभरी हुई विशेषताएं कुछ क्षेत्रों से वाष्पित सामग्री को रोकती हैं। इस घटना को शैडोइंग या स्टेप कवरेज कहा जाता है।

जब वाष्पीकरण खराब वैक्यूम में या वायुमंडलीय दबाव के समीप किया जाता है, तो परिणामी जमाव सामान्यतः गैर-समान होता है और सतत या चिकनी फिल्म नहीं बनती है। किंतु, कथन अस्पष्ट दिखाई देगा।

उपकरण

मोलिब्डेनम नाव के साथ थर्मल बाष्पीकरणकर्ता जो पानी से ठंडा किए गए दो विशाल तांबे के फीडथ्रू के बीच तय किया गया है।

किसी भी वाष्पीकरण प्रणाली में वैक्यूम पंप सम्मिलित होता है। इसमें ऊर्जा स्रोत भी सम्मिलित है जो जमा की जाने वाली सामग्री को वाष्पित कर देता है। कई अलग-अलग ऊर्जा स्रोत उपस्थित हैं:

• थर्मल विधि में, धातु सामग्री (तार, छर्रों, शॉट के रूप में) को गर्म अर्धधातु (सिरेमिक) बाष्पीकरणकर्ताओं पर डाला जाता है जिन्हें उनके आकार के कारण नावों के रूप में जाना जाता है। नाव की गुहा में पिघली हुई धातु का पूल बनता है और स्रोत के ऊपर बादल में वाष्पित हो जाता है। वैकल्पिक रूप से स्रोत सामग्री को क्रूसिबल में रखा जाता है, जिसे विद्युत फिलामेंट द्वारा विकिरणात्मक रूप से गर्म किया जाता है, या स्रोत सामग्री को फिलामेंट से ही लटकाया जा सकता है। (फिलामेंट वाष्पीकरण)
  • आणविक किरण एपिटैक्सी थर्मल वाष्पीकरण का उन्नत रूप है।
• इलेक्ट्रॉन-बीम विधि में, स्रोत को 15 कीव तक की ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा गर्म किया जाता है।
• फ्लैश वाष्पीकरण में, स्रोत सामग्री का महीन तार या पाउडर गर्म सिरेमिक या धातु की पट्टी पर लगातार डाला जाता है, और संपर्क में आने पर वाष्पित हो जाता है।
• प्रतिरोधक वाष्पीकरण प्रतिरोधक तार या पन्नी के माध्यम से बड़ी धारा प्रवाहित करके पूरा किया जाता है जिसमें जमा की जाने वाली सामग्री होती है। हीटिंग तत्व को अधिकांशतः वाष्पीकरण स्रोत के रूप में जाना जाता है। तार प्रकार के वाष्पीकरण स्रोत टंगस्टन तार से बनाए जाते हैं और इन्हें फिलामेंट्स, बास्केट, हीटर या लूप आकार के बिंदु स्रोतों में बनाया जा सकता है। नाव प्रकार के वाष्पीकरण स्रोत टंगस्टन, टैंटलम, मोलिब्डेनम या सिरेमिक प्रकार की सामग्रियों से बने होते हैं जो उच्च तापमान को सहन करने में सक्षम होते हैं।

कुछ प्रणालियाँ सब्सट्रेट को आउट-ऑफ़-प्लेन ग्रहीय तंत्र पर स्थापित करती हैं। तंत्र छाया को कम करने के लिए सब्सट्रेट को दो अक्षों के चारों ओर एक साथ घुमाता है।

अनुकूलन

• जमा की गई फिल्म की शुद्धता वैक्यूम की गुणवत्ता और स्रोत सामग्री की शुद्धता पर निर्भर करती है।
• किसी दिए गए वैक्यूम दबाव पर फिल्म की शुद्धता उच्च जमाव दर पर अधिक होगी क्योंकि इससे गैसीय अशुद्धता समावेशन की सापेक्ष दर कम हो जाती है।
• वाष्पीकरण कक्ष की ज्यामिति के कारण फिल्म की मोटाई अलग-अलग होगी। अवशिष्ट गैसों के साथ टकराव से मोटाई की गैर-एकरूपता बढ़ जाती है।
• वाष्पीकरण के लिए तार के फिलामेंट्स मोटी फिल्में जमा नहीं कर सकते, क्योंकि फिलामेंट का आकार जमा की जा सकने वाली सामग्री की मात्रा को सीमित करता है। वाष्पीकरण नावें और क्रूसिबल मोटी कोटिंग के लिए अधिक मात्रा प्रदान करते हैं। थर्मल वाष्पीकरण स्पंदन की तुलना में तेज़ वाष्पीकरण दर प्रदान करता है। फ्लैश वाष्पीकरण और क्रूसिबल का उपयोग करने वाली अन्य विधियां मोटी फिल्में जमा कर सकती हैं।
• किसी सामग्री को जमा करने के लिए, वाष्पीकरण प्रणाली को इसे वाष्पीकृत करने में सक्षम होना चाहिए। इससे टंगस्टन जैसी दुर्दम्य सामग्री को उन विधियों से जमा करना कठिन हो जाता है जो इलेक्ट्रॉन-बीम हीटिंग का उपयोग नहीं करते हैं।
• इलेक्ट्रॉन-बीम वाष्पीकरण वाष्पीकरण दर पर सख्त नियंत्रण की अनुमति देता है। इस प्रकार, कई बीम और कई स्रोतों वाला इलेक्ट्रॉन-बीम प्रणाली ज्ञात संरचना का रासायनिक यौगिक या मिश्रित सामग्री जमा कर सकता है।
• चरण कवरेज

अनुप्रयोग

टूलूज़, फ़्रांस में सिस्टम तकनीकी सुविधा के विश्लेषण और वास्तुकला के लिए प्रयोगशाला में धातुकरण के लिए वाष्पीकरण मशीन का उपयोग किया जाता है।

बाष्पीकरणीय प्रक्रिया का महत्वपूर्ण उदाहरण रोल-टू-रोल प्रसंस्करण प्रणाली में एल्यूमीनियम पीईटी फिल्म (द्विअक्षीय रूप से उन्मुख) पैकेजिंग फिल्म का उत्पादन है। अधिकांशतः, इस सामग्री में एल्यूमीनियम की परत त्वचा की गहराई तक नहीं होती है और पूरी तरह से अपारदर्शी होती है क्योंकि मोटी परत की तुलना में पतली परत को अधिक सस्ते में जमा किया जा सकता है। एल्युमीनियम का मुख्य उद्देश्य प्रकाश, ऑक्सीजन या जल वाष्प के मार्ग में अवरोध पैदा करके उत्पाद को बाहरी वातावरण से अलग करना है।

धातु की फिल्मों को जमा करने के लिए वाष्पीकरण का उपयोग सामान्यतः माइक्रोफैब्रिकेशन में किया जाता है।

अन्य निक्षेपण विधियों की तुलना

• वाष्पीकरण के विकल्प, जैसे स्पटर जमाव और रासायनिक वाष्प जमाव, में अच्छे चरण कवरेज होता है। वांछित परिणाम के आधार पर यह लाभ या हानि हो सकता है।
• वाष्पीकरण की तुलना में स्पटरिंग से सामग्री का जमाव अधिक धीमी गति से होता है।
• स्पटरिंग प्लाज्मा (भौतिकी) का उपयोग करता है, जो कई उच्च गति वाले परमाणुओं का उत्पादन करता है जो सब्सट्रेट पर बमबारी करते हैं और इसे हानि पहुंचा सकते हैं। वाष्पीकृत परमाणुओं में मैक्सवेलियन वितरण ऊर्जा वितरण होता है, जो स्रोत के तापमान से निर्धारित होता है, जिससे उच्च गति वाले परमाणुओं की संख्या कम हो जाती है। चूंकि, इलेक्ट्रॉन किरणें एक्स-रे (ब्रेम्सरेडिएशन) और भटके हुए इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करती हैं, जिनमें से प्रत्येक सब्सट्रेट को भी हानि पहुंचा सकता है।

संदर्भ

• Jaeger, Richard C. (2002). "Film Deposition". Introduction to Microelectronic Fabrication (2nd ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.
• Semiconductor Devices: Physics and Technology, by S.M. Sze, ISBN 0-471-33372-7, has an especially detailed discussion of film deposition by evaporation.
• R. D. Mathis Company Evaporation Sources Catalog, by R. D. Mathis Company, pages 1 through 7 and page 12, 1992.

बाहरी संबंध

• Thin film evaporation reference - properties of common materials
• Web-page of Society of Vacuum Coaters (Society of Vacuum Coaters)
• Examples of evaporation sources