Ya había realizado algunos ensayos de evaporación térmica con un sistema rudimentario que consistía en un desecador, una resistencia eléctrica, un tubo de cuarzo, Selenio elemental y un sistema de vacío, para depositar una capa delgada de Selenio. Adquirida la experiencia e incrementando las ganas de trabajar con nuevos materiales semiconductores se planteó el proyecto de diseñar y construir un sistema de ultra alto vacío para trabajar con diferentes técnicas de deposición multicapas y obtener prototipos de dispositivos optoelectrónicos. Uno de los procesos físicos de deposición que se instaló fue el de Evaporación Térmica Convencional que es la de menor costo y sencilla de implementar, siempre y cuando cumpla los requerimientos básicos de la técnica.

Cámara de vacío

Actúa como pared aislante del medio externo y está diseñada para resistir altas temperaturas (1200 ºC) y bajas presiones (10^-7 Torr), así que es una cámara de acero inoxidable que se sella herméticamente para iniciar el proceso de alto vacío.

Fuente de la imagen: @iamphysical

Este modelo de cámara de vacío se diseñó con varias ventanas para observar los procesos de deposición y otras adicionales para incorporar sistemas de medición al instante mientras se deposita capa a capa.

Sistema de ultra alto vacío

En la mayoría de los procesos de deposición de capas delgadas se requiere una atmósfera de baja presión para que los átomos puedan viajar desde la fuente de calor hasta el sustrato con el camino libre medio despejado de partículas que se encuentran en el aire dentro de la cámara de vacío.

Fuente de la imagen: @iamphysical

En otras palabras, se requiere extraer todo el aire dentro de la campana, partículas adheridas en las paredes de la misma y dejarlas sin humedad que es el gran problema que presenta el proceso de ultra alto vacío, que puede llegar a ser aproximadamente 1x10^-7 Torr con una bomba turbomolecular. Los procesos de evaporación térmica pueden realizarse a partir de un vacío de 5x10^-3 Torr en una cámara de pequeñas dimensiones.

Fuente de la imagen: @iamphysical

Es una etapa clave para cualquier técnica de deposición y se requiere tener un control absoluto de la medida de la presión dentro de la cámara de vacío, lo voy a explicar en detalle cuando les hable de las técnicas de cañón de electrones y pulverización catódica, mejor conocida como sputtering.

Material resistivo

Por supuesto, para que algo se evapore debe haber un soporte, crisol o bote que contenga el material o elemento químico a evaporar y se requiere que éste se caliente lo suficiente para que el material comience su viaje hacia el sustrato. Normalmente el material que hace la función de soporte o contenedor también actúa como fuente de calor y está hecho de un material resistivo como wolframio o tungsteno, molibdeno y tántalo por el que se hace pasar una corriente eléctrica controlada.

Fuente de la imagen: @iamphysical

Ya comenzamos a enlazar varios parámetros para tener éxito en la deposición de una capa delgada: i) cámara que pueda sellarse herméticamente, ii) sistema de bombas de alto vacío y medidores de presión, iii) fuente de calor para realizar la evaporación de materiales, y ¿dónde se va a depositar este material evaporado?

Porta Sustrato y Calentador

Cuando el material a evaporar alcanza una temperatura óptima para comenzar sus transformaciones de estado: sólido a líquido, líquido a gas, gas a sólido sucede cuando se establece una relación entre la temperatura del material resistivo (TMR) y la presión interna de la cámara (PIC), por ejemplo cuando se evapora Cobre, que funde a 1083 ºC: a) PIC = 10^-4 Torr la TMR = 1027 ºC, b) PIC = 10^-6 Torr la TMR = 852 ºC y c) PIC = 10^-8 Torr la TMR = 722 ºC, a mayor vacío se requiere menor temperatura para lograr la evaporación del Cobre [R1].

Fuente de la imagen: @iamphysical

A mayor vacío, los átomos de Cobre tendrán el camino despejado antes de colisionar con otros átomos de cobre o de cualquier partícula que esté dentro de la cámara, incluyendo sus paredes. Por supuesto, debo colocar el sustrato a una distancia media considerando el valor de la presión interna, si tengo alto vacío puedo colocar el porta sustrato hasta 100 cm del material resistivo y si el vacío es bajo (10^-4 Torr) la distancia debe ser menor de 20 cm.

Como les expliqué en la publicación anterior, recalqué el detalle de tener una temperatura adecuada en el sustrato para evitar el desprendimiento del material depositado por los cambios bruscos de temperatura entre el sustrato y la fuente de evaporación, así que este sistema se diseñó con un "calentador de sustrato" que puede alcanzar hasta 800 ºC. Como se usan sustratos de vidrio de borosilicato, entonces podemos calentar máximo hasta 500 ºC para controlar la adherencia y algunas propiedades físicas y químicas del material depositado.

Este es el equipamiento y los fundamentos básicos para la Técnica de Evaporación Térmica Convencional que utilizamos para fabricar películas delgadas de semiconductores, se realizan las caracterizaciones de rutina: estructura cristalina, absorción óptica y resistividad eléctrica, para ajustarlas a las aplicaciones en la fabricación de prototipos de dispositivos optoelectrónicos.

:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

---

Referencias y lecturas recomendadas:

[R1] Evaporation Guide for the Elements.

○ Técnicas de deposición
○ AJA International, Inc. Evaporación Térmica
○ Tesis: Técnicas de depósito
○ Kurt J. Lesker Company. Técnicas de deposición de películas delgadas
○ Thermal evaporation in vacuum

Estoy casi seguro que me faltaron algunos detalles técnicos, que yo les recalco a mis estudiantes como "TIPs", pero se los mencionaré en la siguiente publicación relacionada con otro proceso de Physical Vapour Deposition como lo es la Evaporación Catódica o Sputtering.