Fundamentos de la Evaporación por cañón de electrones.

Cuando se diseñó la cámara de deposición se consideró la posibilidad de incorporar el mayor número de técnicas disponibles en el área de recubrimiento y preparación de películas delgadas a nivel mundial, de tal manera que este fuera un equipo multifuncional, aparte de la fabricación de dispositivos optoelectrónicos que era el uso principal de este equipamiento tecnológico.

El sistema de evaporación por cañón de electrones, técnica conocida como "electron beam evaporation" (EB), requiere de un alto vacío dinámico, una fuente de corriente y voltaje que circula por el filamento que actúa como cañón de electrones que es dirigido sobre un crisol que contiene al material que se desea evaporar (blanco), un campo magnético que controla la curvatura del haz de electrones para que incidan sobre el blanco.

Normalmente se controla la intensidad de corriente para ir calentando la superficie del material blanco hasta que comienza el proceso de evaporación hacia el sustrato de vidrio que se coloca a una distancia de trabajo entre 40 cm y 70 cm.

Diagrama del proceso de evaporación EB. CC-Jatosado

Como es de esperar, esta técnica requiere condiciones especiales para su funcionamiento y uno de ellos es el ultra alto vacío que debe existir dentro de la cámara de deposición, además de un control muy preciso de los valores de voltaje y corriente que producirán el haz de electrones, esto lo describiré a continuación.

Algunos detalles técnicos-experimentales.

Ya he mencionado que los valores de vacío para la evaporación térmica convencional es del orden de 10^-4 Torr, para la evaporación catódica es cercana a 10^-6 Torr y para la evaporación por cañón de electrones debe ser alrededor de10^-7 Torr.

Fuente de imagen: @iamphysical.

El vacío dinámico debe mantenerse en alto vacío, ya que cuando es mayor de 7x10^-6 Torr la fuente del cañón de electrones se desconecta automáticamente para proteger la vida útil del filamento!. Normalmente se controla el flujo de corriente para que no ocurran cambios bruscos de temperatura en el interior de la cámara de deposición, ya que esto provocaría un aumento en la presión y se apagaría el sistema.

Fuente de imagen: @iamphysical.

En esta imagen se observa el centro de control y las perillas para variar el alto voltaje y pequeñas corrientes en el filamento. Se va calentando lentamente la superficie del material que se desea evaporar hasta que se funde. El campo magnético se va controlando para que el haz de electrones tenga la curvatura adecuada para incidir sobre el material. Se requiere una habilidad manual y experiencia para determinar los valores de corriente-voltaje para cada elemento de la tabla periódica o material usado como blanco. En la siguiente fotografía, coloco dentro de un círculo el sistema de cañón de electrones y dibujé una curva en rojo para simular la curvatura del haz de electrones que incide sobre el crisol del contenedor o "pocket".

Fuente de imagen: @iamphysical.

En nuestro equipo de deposición se incorporó un contenedor lineal de 5 pockets para tener a disposición 5 materiales diferentes y evitar romper el vacío para cambiar de blanco. Por último, ajustamos la distancia de trabajo desde la posición del blanco hasta el portasustrato ubicado en la parte superior, el cual se mantuvo a una temperatura de 300 ºC para facilitar la adherencia del material evaporado y formar la capa delgada cuyo espesor es controlado con un cristal de cuarzo.

Fuente de imagen: @iamphysical.

Dentro de los ensayos que realizamos para poner a punto el equipo de deposición estuvo la sublimación de capas delgadas de: molibdeno, cobre, indio, zinc, aluminio y óxido de zinc. También fuimos algo ambiciosos y depositamos sobre un sustrato de vidrio una capa de molibdeno como contacto trasero, una capa de material absorbente de CuIn_0.75Ga_0.25Se₂ y una capa de ZnO como material ventana para formar una celda solar!. Espero tratar este tema en una futura publicación.

Aportes de esta publicación.

La deposición de películas delgadas usando la técnica de evaporación por cañón de electrones es una de las más precisas que existen, pero es la más costosa y requiere que el operador tenga amplios conocimientos de Física sobre electricidad y magnetismo para comprender el funcionamiento de esta técnica. Si me preguntaran, me quedaría con esta técnica de evaporación por cañón de electrones, ya que las muestras obtenidas son las de mayor calidad cristalina, las de menor variación en la rugosidad y medidas de espesor.

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Gracias por la lectura de este artículo!

:::::::::: Serie de publicaciones: Physical Vapour Deposition ::::::::::

Algunas técnicas de deposición de capas mediante un proceso físico llamado Deposición Física en Fase de Vapor o conocida por sus siglas en inglés como "PVD" Physical Vapour Deposition, que es una técnica para evaporar un material sólido, llevarlo a la fase gaseosa y por diferencias de temperaturas se deposita sobre un sustrato. Aquí les dejo algunos enlaces de mis publicaciones:

Capas delgadas de materiales semiconductores: Introducción.
Fundamentos y equipos de la evaporación térmica de semiconductores.
Técnica de evaporación catódica de materiales.
Sistema de Sputtering Directo para depositar capas delgadas.

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Lecturas recomendadas:

○ Recubrimientos ópticos.
○ E-Beam Evaporator Video.
○ AJA International, Inc. Evaporación EB.
○ Electron Beam Sources.
○ How does electron beam evaporation work?.