التبخر (الترسيب)

التبخير طريقة شائعة لترسيب الأغشية الرقيقة . يتم تبخير المادة الأولية في فراغ . يسمح الفراغ لجزيئات البخار بالانتقال مباشرةً إلى الجسم المستهدف (الركيزة)، حيث تتكثف عائدةً إلى الحالة الصلبة. يُستخدم التبخير في التصنيع الدقيق ، وفي إنتاج منتجات واسعة النطاق مثل الأغشية البلاستيكية المطلية بالمعدن .

لوحظ ترسيب التبخر لأول مرة في المصابيح المتوهجة خلال أواخر القرن التاسع عشر. وكانت مشكلة اسوداد المصابيح من أبرز العقبات التي واجهت صناعة مصابيح طويلة العمر، وقد حظيت باهتمام كبير من توماس إديسون وشركته جنرال إلكتريك ، بالإضافة إلى العديد من الباحثين الآخرين الذين عملوا على تطوير مصابيحهم. وقد طُبقت هذه الظاهرة لأول مرة في عملية الترسيب الفراغي على يد بول وبرينغشيم عام ١٩١٢. إلا أنها لم تُستخدم على نطاق واسع حتى ثلاثينيات القرن العشرين، عندما بدأ الباحثون بتجربة طرق لصنع مرايا مطلية بالألمنيوم لاستخدامها في التلسكوبات . وكان الألمنيوم شديد التفاعل لدرجة حالت دون استخدامه في طرق الترسيب الكيميائي الرطب أو الطلاء الكهربائي . وقد نجح جون د. سترونغ في صنع أول مرايا تلسكوبية من الألمنيوم في ثلاثينيات القرن العشرين باستخدام ترسيب التبخر. ولأنها تنتج طبقة غير متبلورة (زجاجية) بدلاً من طبقة بلورية، مع تجانس عالٍ وتحكم دقيق في السماكة، فقد أصبحت فيما بعد عملية شائعة لإنتاج طبقات رقيقة بصرية من مجموعة متنوعة من المواد، سواء كانت معدنية أو غير معدنية (عازلة)، وتم اعتمادها للعديد من الاستخدامات الأخرى، مثل طلاء الألعاب البلاستيكية وقطع غيار السيارات، وإنتاج أشباه الموصلات والرقائق الدقيقة ، وأغشية المايلر التي تتراوح استخداماتها من المكثفات إلى التحكم الحراري للمركبات الفضائية . ^{[ 1 ]}

تتضمن عملية التبخر عمليتين أساسيتين: الأولى هي تبخير مادة بفعل مصدر ساخن، والثانية هي تكثفها على سطح بارد أقل من درجة انصهارها. تشبه هذه العملية ظهور الماء السائل على غطاء قدر يغلي. إلا أن البيئة الغازية ومصدر الحرارة (انظر "المعدات" أدناه) مختلفان. لا يمكن للسوائل، كالماء، أن توجد في الفراغ، لأنها تحتاج إلى مستوى معين من الضغط الخارجي للحفاظ على تماسك ذراتها وجزيئاتها. في الفراغ، تتسامى المواد (تتبخر)، وتتمدد للخارج، وعند ملامستها لسطح ما، تتكثف عائدة إلى حالتها الصلبة ( تترسب ) دون المرور بالحالة السائلة. لذا، بالمقارنة مع الماء، تُشبه هذه العملية تكوّن الصقيع على النافذة.

يحدث التبخر في فراغ، أي تُزال الأبخرة الأخرى غير المادة المصدرية بالكامل تقريبًا قبل بدء العملية. في الفراغ العالي (مع مسار حر متوسط ​​طويل )، يمكن للجسيمات المتبخرة أن تنتقل مباشرةً إلى هدف الترسيب دون الاصطدام بالغاز المحيط. (على النقيض من ذلك، في مثال وعاء الغليان، يدفع بخار الماء الهواء خارج الوعاء قبل أن يصل إلى الغطاء). عند ضغط نموذجي يبلغ 10⁻⁴ ^باسكال ، يبلغ متوسط ​​المسار الحر لجسيم قطره 0.4 نانومتر 60 مترًا. تُنتج الأجسام الساخنة في حجرة التبخر، مثل أسلاك التسخين، أبخرة غير مرغوب فيها تحد من جودة الفراغ.

قد تتفاعل الذرات المتبخرة التي تصطدم بجزيئات غريبة معها؛ فعلى سبيل المثال، إذا ترسب الألومنيوم في وجود الأكسجين، فإنه سيشكل أكسيد الألومنيوم. كما أنها تقلل من كمية البخار التي تصل إلى الركيزة، مما يجعل التحكم في سمكها صعباً.

تترسب المواد المتبخرة بشكل غير منتظم إذا كان سطح الركيزة خشنًا (كما هو الحال غالبًا في الدوائر المتكاملة). ولأن المادة المتبخرة تهاجم الركيزة في الغالب من اتجاه واحد، فإن النتوءات تحجب المادة المتبخرة عن بعض المناطق. تُعرف هذه الظاهرة باسم "التظليل" أو "تغطية الحواف".

عند إجراء عملية التبخير في ظروف فراغ ضعيفة أو بالقرب من الضغط الجوي، يكون الترسيب الناتج غير منتظم بشكل عام، ولا يميل إلى أن يكون طبقة متصلة أو ناعمة. بل يبدو الترسيب ضبابيًا.

أي نظام تبخير يتضمن مضخة تفريغ . كما يتضمن مصدر طاقة لتبخير المادة المراد ترسيبها. وتوجد مصادر طاقة متنوعة:

• في الطريقة الحرارية ، تُغذى مادة معدنية (على شكل أسلاك أو كريات أو حبيبات) إلى مبخرات شبه معدنية (خزفية) ساخنة تُعرف باسم "القوارب" نسبةً إلى شكلها. تتشكل بركة من المعدن المنصهر في تجويف القارب وتتبخر لتشكل سحابة فوق المصدر. بدلاً من ذلك، توضع المادة المصدرية في بوتقة تُسخن إشعاعيًا بواسطة سلك كهربائي، أو قد تُعلق المادة المصدرية من السلك نفسه ( التبخير بالسلك ).
  • الترسيب الجزيئي الشعاعي هو شكل متطور من أشكال التبخير الحراري.
• في طريقة شعاع الإلكترون ، يتم تسخين المصدر بواسطة شعاع إلكتروني بطاقة تصل إلى 15 كيلو إلكترون فولت .
• في عملية التبخير الوميضي ، يتم تغذية سلك دقيق أو مسحوق من المادة المصدرية بشكل مستمر على قضيب خزفي أو معدني ساخن، ويتبخر عند التلامس.
• يتم التبخير المقاوم بتمرير تيار كهربائي عالٍ عبر سلك أو رقاقة مقاومة تحتوي على المادة المراد ترسيبها. يُشار إلى عنصر التسخين عادةً باسم "مصدر التبخير". تُصنع مصادر التبخير السلكية من سلك التنجستن، ويمكن تشكيلها على هيئة خيوط أو سلال أو سخانات أو مصادر نقطية حلقية الشكل. أما مصادر التبخير القاربية، فتُصنع من التنجستن أو التنتالوم أو الموليبدينوم أو مواد خزفية قادرة على تحمل درجات حرارة عالية.
• تتضمن عملية التبخير بالتسخين الحثي تسخين مادة المصدر باستخدام سخان حثي . ^{[ 3 ]}

تقوم بعض الأنظمة بتركيب الركيزة على آلية كوكبية خارج المستوى . تقوم هذه الآلية بتدوير الركيزة في وقت واحد حول محورين، لتقليل التظليل.

• تعتمد نقاوة الطبقة المترسبة على جودة الفراغ، وعلى نقاوة المادة المصدرية.
• عند ضغط فراغ معين، ستكون نقاوة الفيلم أعلى عند معدلات الترسيب الأعلى لأن هذا يقلل من المعدل النسبي لإدراج الشوائب الغازية.
• يختلف سمك الطبقة الرقيقة تبعاً لشكل حجرة التبخير. وتؤدي الاصطدامات مع الغازات المتبقية إلى تفاقم عدم انتظام سمكها.
• لا يمكن استخدام خيوط الأسلاك في التبخير لترسيب طبقات سميكة، لأن حجم الخيط يحد من كمية المادة التي يمكن ترسيبها. توفر أحواض التبخير والبواتق أحجامًا أكبر لطلاءات أكثر سمكًا. يوفر التبخير الحراري معدلات تبخير أسرع من الترسيب بالرش . يمكن للتبخير الوميضي وغيره من الطرق التي تستخدم البواتق ترسيب طبقات سميكة.
• لكي يتم ترسيب مادة ما، يجب أن يكون نظام التبخير قادراً على تبخيرها. وهذا ما يجعل ترسيب المواد المقاومة للحرارة مثل التنجستن صعباً باستخدام الطرق التي لا تعتمد على التسخين بشعاع الإلكترون.
• يُتيح التبخير باستخدام حزمة الإلكترونات تحكمًا دقيقًا في معدل التبخر. وبالتالي، يمكن لنظام حزمة الإلكترونات المزود بحزم ومصادر متعددة ترسيب مركب كيميائي أو مادة مركبة ذات تركيب معروف.
• تغطية الخطوات

من الأمثلة المهمة على عملية التبخير إنتاج أغشية التغليف المصنوعة من البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) المطلية بالألومنيوم في نظام اللفائف . غالبًا ما تكون طبقة الألومنيوم في هذه المادة غير سميكة بما يكفي لتكون معتمة تمامًا، إذ يمكن ترسيب طبقة رقيقة بتكلفة أقل من طبقة سميكة. يتمثل الغرض الرئيسي من الألومنيوم في عزل المنتج عن البيئة الخارجية من خلال إنشاء حاجز يمنع مرور الضوء والأكسجين وبخار الماء.

يُستخدم التبخير بشكل شائع في التصنيع الدقيق لترسيب الأغشية المعدنية .

• توفر بدائل التبخير، مثل الترسيب بالرش والترسيب الكيميائي للبخار ، تغطية أفضل للسطح. وقد يكون هذا ميزة أو عيباً، بحسب النتيجة المرجوة.
• يميل التذرية إلى ترسيب المواد بشكل أبطأ من التبخر.
• تستخدم عملية التذرية البلازما ، التي تُنتج العديد من الذرات عالية السرعة التي تقصف الركيزة وقد تُلحق بها الضرر. تتميز الذرات المتبخرة بتوزيع طاقة ماكسويلي ، يتحدد بدرجة حرارة المصدر، مما يقلل من عدد الذرات عالية السرعة. مع ذلك، تميل حزم الإلكترونات إلى إنتاج أشعة سينية ( إشعاع الكبح ) وإلكترونات شاردة، وكل منها قادر على إلحاق الضرر بالركيزة.

• جايجر، ريتشارد سي. (2002). "ترسيب الأغشية الرقيقة". مقدمة في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة (  الطبعة الثانية). أبر سادل ريفر: برنتيس هول. ISBN 0-201-44494-1.
• أجهزة أشباه الموصلات: الفيزياء والتكنولوجيا، بقلم إس إم سزي، رقم ISBN 0-471-33372-7، ويتضمن مناقشة مفصلة بشكل خاص لترسيب الأغشية عن طريق التبخر.
• كتالوج مصادر التبخر لشركة آر دي ماثيس، من تأليف شركة آر دي ماثيس، الصفحات من 1 إلى 7 والصفحة 12، 1992.

• مرجع تبخر الأغشية الرقيقة - خصائص المواد الشائعة
• صفحة الويب الخاصة بجمعية طلاء الفراغ (جمعية طلاء الفراغ)
• أمثلة على مصادر التبخر