Bell-Jar Thermal Evaporation & Sputtering System
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Bell-Jar Thermal Evaporation and Sputtering System: ToronEva™ BJT
System Overview
ToronEva™ BJT is a fully automated bell-jar system built for research-grade PVD thin film deposition, combining thermal evaporation and sputtering in a single chamber. One 2-inch DC sputter gun and two thermal evaporation sources share the chamber, so users can run deposition steps in sequence or at the same time without breaking vacuum. DC and RF sputtering options, three-channel MFC gas control, and a 1-hour cycle time support both standard and reactive deposition processes. The system reaches a base pressure of 10⁻⁷ Torr, and a working pressure of 10⁻⁶ Torr is achieved in under 30 minutes.
Sputtering and Gas Control
Sputtering power can be selected as 600 VDC at 3 A DC or 300 W at 13.56 MHz RF, which accommodates both conductive and insulating target materials. A three-channel MFC system regulates Ar, N₂, and O₂ inputs with 0.1 sccm sensitivity and real-time digital mixing, enabling both inert and reactive gas sputtering. Throttle, vent, and isolation valves give operators precise manual control of pressure across the 1 to 100 mTorr sputter working range. Automatic venting and N₂ back-fill streamline chamber cycling between depositions.
Thermal Evaporation and Substrate Handling
The thermal evaporation side is powered by a 2000 W supply (8 V to 300 A) and features a proprietary box-source design that keeps evaporants from cross-contacting and prevents chamber contamination. Sample holders accommodate 2", 3", and 4" wafers, 1×3" lamellae, and small samples secured with spring clips, covering a broad range of substrate geometries. The source-to-substrate distance is adjustable, allowing users to tune deposition rate and uniformity. An optional stainless steel (SS) bell jar with hoist extends the system to larger substrates or batch loads.
Bell-Jar Thermal Evaporation and Sputtering System: ToronEva™ BJT Applications
Combined PVD for Research Workflows
The ToronEva™ BJT meets the rising demand for multi-method PVD capability in research laboratories where several deposition techniques must fit into a single workflow. Its hybrid thermal evaporation and sputtering configuration saves equipment floor space and removes the cross-contamination risk that comes from moving substrates between separate systems.
Typical Applications
- Academic and University Research Laboratories: Deposit metallic, oxide, and compound thin films for materials science and device physics studies that call for both evaporated and sputter-deposited layers within a single vacuum cycle.
- Semiconductor Device Prototyping: Fabricate metal contacts, gate oxides, and dielectric layers on silicon wafers by combining sequential evaporation with reactive sputter deposition, all without breaking vacuum.
- Organic Electronics and OLED Research: Thermally evaporate organic emitter layers and pair them with sputter-deposited transparent conductive oxide contacts for OLED and organic photovoltaic device development.
- Optical Coating Research: Produce metallic mirrors, anti-reflective stacks, and optical filters by RF sputtering oxide layers and thermally evaporating metal overlayers.
- MEMS and NEMS Fabrication: Deposit metallization and functional films by combining sputter-deposited adhesion layers with thermally evaporated overlayers for microdevice prototype development.
- Solar Cell and Photovoltaic Research: Deposit contact, absorber, and buffer layers through both evaporation and reactive sputtering to prototype thin-film photovoltaic cell structures.
- Materials Science and Surface Engineering: Study thin film composition and properties across co-deposited or sequentially deposited material systems in a controlled reactive gas environment.
Bell-Jar Thermal Evaporation and Sputtering System: ToronEva™ BJT Key Features
The ToronEva™ BJT brings thermal evaporation and DC/RF magnetron sputtering together on a single bell-jar platform. Two deposition methods share one vacuum system, which adds flexibility without adding equipment.
Vacuum and Chamber Design
- Fully Automated Vacuum Management with 1-Hour Cycle Time: Panel-controlled operation completes a full vent-to-deposition cycle in about one hour, keeping downtime between runs to a minimum.
- Pyrex Glass or SS304 Bell Jar: Operators can choose the chamber material that suits their process chemistry. Standard 1-inch ports on the base plate allow flexible feedthrough integration.
- SS304 Internal Protection Jacket: This liner shields the chamber interior from direct evaporant exposure, which limits contamination buildup and extends service intervals.
- 10⁻⁷ Torr Base Pressure with Rapid Pump-Down: The system reaches a 10⁻⁶ Torr working pressure in under 30 minutes, supporting fast cycle times for both evaporation and sputtering runs.
- Turbomolecular and Mechanical Pump Stack: The paired pumps, together with an SS316 flex hose and dust filter, deliver clean, low-contamination vacuum down to UHV levels.
- Wide-Range Vacuum Control (1000 to 10⁻⁹ Torr): An integrated control and measurement system with automatic vent and N₂ back-fill removes the need for manual valve sequencing.
- Integrated Closed-Cycle Water Cooler: Automatic thermal management switches cooling on and off to protect system components during continuous operation.
- Power-Failure Auto Shut-Off with Vacuum Hold: If power is lost, the system shuts down safely and holds chamber vacuum, which protects samples and prevents exposure to atmosphere.
- One-Touch Vent Control: A single button starts the automatic vacuum sequence for chamber access, replacing step-by-step manual valve procedures.
Thermal Evaporation Capabilities
- 2000 W Thermal Evaporation Power Supply: An output of 8 V to 300 A, across a wide current range, drives resistive evaporation of metals, organics, and alloys.
- Proprietary Box-Source Evaporation Design: Two thermal sources sit inside a box enclosure that prevents cross-source and chamber contamination, preserving material purity across consecutive depositions.
- Servo-Controlled Dual-Source Shutter: One shared, servo-actuated shutter controls deposition start and stop timing for both thermal sources at once.
Sputtering Capabilities
- 2-Inch DC Sputter Gun: Mounted on the base plate, the gun provides direct line-of-sight deposition onto substrates loaded above the source.
- DC or RF Sputtering Power Supply: A 600 VDC, 3 A switching supply handles conductive targets, while the 300 W, 13.56 MHz RF option extends capability to dielectrics and insulators.
- Three-Channel MFC Gas Control: Real-time digital management of Ar, N₂, and O₂ flows at 0.1 sccm sensitivity produces stable gas compositions for inert and reactive sputtering.
- Precision Sputter Pressure Control (1 to 100 mTorr): Throttle, vent, and isolation valves permit fine manual adjustment of working pressure across the full sputter operating range.
- Argon and Reactive Gas Sputtering: Oxide and nitride thin films can be deposited directly with N₂ or O₂ reactive gas, so compound targets are not required.
- Combined DC-RF Sputtering and Thermal Evaporation Options: Thermal evaporation and sputter sources can run within the same cycle, enabling heterogeneous multi-layer film stacks in a single vacuum cycle.
Substrate Handling and Geometry
- Multi-Format Sample Holder Selection: Holders accommodate 2", 3", and 4" wafers, 1×3" lamellae, and small samples secured with spring clips, covering a broad range of substrate geometries.
- Adjustable Source-Substrate Distance: Deposition geometry can be optimized for both evaporation and sputtering processes without modifying the chamber.
- Optional SS Bell Jar with Hoist: This stainless steel bell-jar upgrade includes an integrated hoist mechanism that simplifies chamber access for systems handling larger substrate loads.
Footprint, Installation, and Warranty
- Compact Mobile Platform with Intuitive Interface: The 75×120 cm footprint sits on lockable wheels, and a clear, operator-friendly control layout suits daily laboratory use.
- Standard Doorway Clearance: The system fits through a standard 85 cm doorway, removing installation barriers in buildings with conventional corridor widths.
- One-Year Full Warranty: Coverage for design, materials, and workmanship gives buyers confidence in long-term system reliability.
Bell-Jar Thermal Evaporation and Sputtering System: ToronEva™ BJT Theory and Method
Two Complementary PVD Mechanisms
The ToronEva™ BJT runs two complementary PVD mechanisms, thermal evaporation and magnetron sputtering, inside a shared bell-jar chamber. Each method suits different film requirements, and having both in one vacuum system lets researchers match the deposition technique to the material.
Thermal Evaporation
In thermal evaporation, the 2000 W power supply heats a resistive boat, coil, or basket until the source material vaporizes. The resulting atoms travel in a line-of-sight path through the high vacuum and condense on the substrate positioned above. This approach is preferred for high-purity metallic and organic films, particularly where substrate heating and ion bombardment need to be kept to a minimum.
DC and RF Magnetron Sputtering
Sputtering bombards a solid target with energetic ions drawn from a low-pressure argon plasma. In the DC magnetron configuration, a magnetic field holds the plasma close to the target surface, which raises sputter yield and deposition rate. Sputtered atoms reach the substrate with higher kinetic energy than thermally evaporated atoms, resulting in denser films with stronger adhesion and better step coverage. The 13.56 MHz RF supply extends the process to insulating targets, such as oxides and nitrides, that cannot sustain a DC plasma.
Reactive Sputtering and Multi-Material Structures
Reactive sputtering introduces N₂ or O₂ through MFC-controlled gas lines, forming nitride or oxide films directly at the substrate and removing the need for compound targets. The three-channel MFC system sets each gas flow independently at 0.1 sccm resolution, while throttle valve control holds working pressure steady across the 1 to 100 mTorr range. Pairing reactive sputter-deposited layers with thermally evaporated metal overlayers produces multi-material structures without breaking vacuum, which keeps interfaces clean. A servo-controlled shutter times deposition across both thermal sources at once.
Bell-Jar Thermal Evaporation & Sputtering System - ToronEva™ BJT Technical Specifications
| Parameter | Specification |
|---|---|
| Thermal Evaporation Power Supply | 2000 W (8 V – 300 A) |
| Sputtering Power Supply | 600 VDC, 3 A (DC) or 300 W, 13.56 MHz (RF) |
| Base Pressure | 10⁻⁷ Torr |
| Working Vacuum Level (Pump-Down Time) | 10⁻⁶ Torr in ≤30 minutes |
| Cycle Time | ~1 hour (vent to deposition) |
| Vacuum Control Range | 1000 to 10⁻⁹ Torr |
| Sputter Working Pressure Range | 1 to 100 mTorr (manual via throttle valve) |
| Pump Configuration | Turbomolecular + Mechanical |
| Pump Hose | SS316 flex hose with dust filter |
| Bell-Jar Material | Pyrex glass or SS304 cylinder |
| Bell-Jar Ports | Standard 1-inch, on base plate |
| Internal Protection Jacket | SS304 cylindrical |
| Sputter Gun | 1 × 2-inch DC sputter gun (base plate mounted) |
| Thermal Evaporation Sources | 2 (proprietary box-source design) |
| Sample Holder Options | 2", 3", 4" wafers; 1×3" lamellae; small sample spring holder |
| Source-to-Substrate Distance | Adjustable |
| Gas Inputs | Ar, N₂, O₂; MFC-controlled, 3-channel, 0.1 sccm sensitivity |
| Gas Control | Real-time digital; independent channel mixing |
| Valve Configuration | Throttle, vent, and isolation valves |
| Sputtering Modes | DC Argon; reactive (N₂ or O₂) |
| Shutter | Servo-controlled, common to two thermal sources |
| Cooling System | Closed-cycle water cooler (automatic on/off) |
| Vacuum Management Functions | Automatic vent; N₂ back-fill |
| Footprint | 75 × 120 cm |
| Door Clearance | Passes through standard 85 cm doorway |
| Mobility | Lockable wheels |
| Optional Configurations | DC-RF combined sputtering; SS bell jar with hoist |
| Warranty | 1 year (design, materials, and workmanship) |
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