P&P – Thin Film Advanced Technologies

IMPIANTI PER

DEPOSIZIONE A FILM

SOTTILE Breve introduzione delle principali parti

di un impianto per deposizione sotto

vuoto e delle tecnologie più utilizzate

Sommario

INTRODUZIONE ............................................................................................................ 3

1. PARTI DI UN IMPIANTO PER DEPOSIZIONE SOTTO VUOTO ........................................... 4

1.1 IL SISTEMA VUOTO ........................................................................................... 4

1.2 CAMERA DI DEPOSIZIONE, TELAI E COMPONENTISTICA ........................................ 7

1.3 SISTEMA IMMISSIONE GAS ................................................................................ 9

1.4 SISTEMA DI CONTROLLO ................................................................................. 10

2. LE TECNOLOGIE .................................................................................................... 11

2.1 LA TECNOLOGIA AD ARCO ................................................................................ 11

2.2 SPUTTERING .................................................................................................. 13

TECNOLOGIE PER DEPOSIZIONE PVD

INTRODUZIONE

L’acronimo PVD – Physical Vapor Deposition - indica la tecnologia di deposizione che

prevede l’evaporazione di un metallo solido, in una camera a vuoto, tipicamente in ambito

plasma.

Gli ioni, a causa dell’energia cinetica posseduta e dalla differenza di potenziale applicata al

pezzo da rivestire, sono attratti sulla superficie degli oggetto, dove condensano e formano il

rivestimento desiderato.

Generalmente, un impianto per deposizione PVD può essere semplificato in 4 macroaree:

Il sistema vuoto

La camera di deposizione, telai e componentistica

Sistema di immissione gas

Il sistema di controllo

Di seguito una breve descrizione di ogni singola parte.

Figura 1: Schema generale di un impianti PVD

1. PARTI DI UN IMPIANTO PER DEPOSIZIONE SOTTO VUOTO

1.1 IL SISTEMA VUOTO

Il vuoto è prodotto attraverso una combinazione di pompe. Generalmente le pompe per la

creazione del vuoto lavorano su 2 step:

A) Basso-Medio vuoto che raggiunge valori di 10-2 mbar (pompe meccaniche)

B) Alto vuoto che raggiunge valori di 10-5 mbar (pompe a diffusione, turbomolecolari,

pompe criogeniche).

In alcuni casi, in aggiunta possono essere utilizzare anche trappole criogeniche.

Il numero di pompe installate dipende dal volume della camera.

BASSO E MEDIO VUOTO

Il vuoto, con valori che arrivano fino ai 10-2 mbar, è raggiunto attraverso due tipologie di

pompe:

POMPE ROTATIVE (Figura 2): gas viene aspirato dalla prima camera (a), compresso

nella seconda camera (b) ed, infine, espulso tramite una valvola (c). Queste tipologie di

pompe sono dotate di un olio che garantisce una perfetta tenuta.

POMPE ROOTS (Figura 3): All’interno di una camera ovale una coppia di lobi, comandati

da un dispositivo esterno, ruotano in maniera sincrona e con senso di rotazione opposto

senza mai venire in contatto tra loro né con la parete (1 mm di tolleranza).

ALTO VUOTO

Figura 2: Funzionamento pompe rotative.

Figura 3: Funzionamento pompa roots.

Il vuoto, con valori che arrivano fino ai 10-5 mbar, è raggiunto attraverso due tipologie di

pompe:

POMPE TURBOMOLECOLARI (Figura 4): Il sistema è costituito da diversi dischi

contenenti alette inclinate in senso opposto. L’alta velocità di rotazione fa’ in modo che

le molecole d’aria vengano colpite dalle alette e spinte, grazie all’inclinazione alterna,

nel rotore sottostante successivo fino all’eliminazione delle stesse.

Con tale sistema è possibile raggiungere una pressione pari a 10-10 mbar.

POMPE A DIFFUSIONE (Figura 5): l’utilizzo di questa tipologia di pompe è quasi

abbandonato a causa delle scarse prestazioni a confronto con le pompo turbo

molecolari. L’olio contenuto all’interno del recipiente inferiore (1) viene riscaldato e

fatto risalire all’interno del condotto centrale della pompa (2). L’olio fuoriuscendo dagli

ugelli (3)cattura le molecole di gas e le porta verso il basso dove vengono eliminate.

La presenza di un sistema di raffreddamento (4) sui lati permette la non

contaminazione da parte dell’olio dell’aria all’interno della camera.

Con tale sistema è possibile raggiungere una pressione pari a 10-8 mbar

Figura 4: Funzionamento pompa turbo molecolare

Figura 5: Funzionamento pompa a diffusione

1.2 CAMERA DI DEPOSIZIONE, TELAI E COMPONENTISTICA

CAMERA DI DEPOSIZIONE

La camera di deposizione rappresenta la struttura metallica all’interno della quale vengono

posizionati i pezzi da rivestire. A seconda delle applicazione può assumere diverse

configurazioni, anche studiate ad hoc per le singole esigenze. Di seguito due delle

configurazioni più utilizzate:

DIRECT – LOAD SYSTEM o BATCH-TYPE SYSTEM: la camera è aperta con

l’ambiente esterno per poter caricare / scaricare le parti da trattare.

IN-LINE SYSTEM: diverse camere di processo sono collegate in serie. Particolarmente

indicata per alti volumi di produzione.

TELAI

I telai sono le strutture portanti dei prodotti all’interno della camera. La giusta progettazione in

funzione dell’applicazione è un aspetto fondamentale, in quanto influisce sulla qualità ed

uniformità del rivestimento, ma anche sulla produttività del sistema.

I telai possono essere fissi o – per la maggior parte delle volte – ruotano all’interno della

camera, un alto voltaggio è applicato direttamente al telaio.

All’interno della camera di deposizione vengono posizionati su una tavola che può essere

situata in basso o in alto.

Figura 6: Configurazione camera "Direct"

Figura 7: Configurazione camere "In-line"

La configurazione dei telai varia a seconda delle applicazioni, ad esempio:

SINGLE PALLET:

Tipico per deposizione su lastre (impianti in line)

HORIZONTAL o VERTICAL DRUM:

quando il substrato è montato sulla superficie

esterna o interna del telaio e fatto ruotare di

fronte alla sorgente

HORIZONTAL OR VERTICAL 2-AXIS DRUM:

Per deposizioni tridimensionali.

Consente un deposito uniforme in tutte le sue parti

Figura 8: Single pallet

Figura 9: Horizontal o vertical drum

Figura 10: Horizontal or vertical 2-axis drum

ALTRA COMPONENTISTICA

Numerosi sono gli accessori che compongono l’intero impianto. Da ricordare sicuramente sono

il sistema di riscaldamento e quello di raffreddamento.

SISTEMA DI RISCALDAMENTO: la camera di deposizione viene riscaldata nelle fasi iniziali

del processo tramite l’utilizzo di resistenze (centrali o posizionate sulle pareti) oppure con il

metodo del bombardamento ionico attraverso l’immissione di un gas.

SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO: Tutta la struttura – camera di deposizione, struttura

portante delle sorgenti, pompa a diffusione – è collegata ad un sistema di raffreddamento,

costantemente monitorato dal sistema di controllo.

1.3 SISTEMA IMMISSIONE GAS

L’immissione gas può avvenire durante diverse fasi di processo con diversi obiettivi.

1) Durante la fase di creazione del vuoto l’immissione gas ha lo scopo di stabilizzare la

pressione all’interno della camera;

2) Una volta creato il vuoto - nel caso di tecnologia Sputtering - il gas viene immesso per

la produzione di ioni necessari per il bombardamento del target;

3) Una terza fase di immissione gas può avvenire prima della fase di coating per

ottenere, attraverso una reazione chimica con gli ioni evaporati, la formazione del

composto che si vuole depositare (colori reattivi)

Generalmente i gas introdotti in camera sono Argon, Acetilene, Metano, Azoto e Ossigeno.

Le proporzioni tra i diversi gas e le quantità sono di estrema importanza per la realizzazione

dei diversi depositi.

Figura 11: Sistema d'immissione gas

La figura soprastante rappresenta lo schema generale per l’immissione dei gas all’interno della

camera di deposizione.

Ciascun gas è contenuto nell’apposito contenitore ad una pressione di 2 bar.

La fuoriuscita delle diverse tipologie di gas è controllata da vari FLUSSIMETRI che ne

regolano la quantità.

1.4 SISTEMA DI CONTROLLO

Durante il processo diversi sono i parametri da controllare, quelli fondamentali sono:

1) LA TEMPERATURA: utilizzando una termocoppia o un sistema a raggi infrarossi. I

valori di temperatura durante il processo variano a seconda del materiale trattato (30 ÷

250°C in campo decorativo, 200 ÷ 550 °C in campo tecnico).

2) LA PRESSIONE: attraverso vacuometri si controlla sia il basso-medio vuoto che l’alto

vuoto.

3) IL FLUSSO DI GAS: diversi flussimetri controllano le quantità di gas immessi nell’unità

di tempo.

4) BIAS: la differenza di potenziale tra il substrato e la camera di deposizione.

5) EVAPORAZIONE DEI METALLI.

Tutti i parametri possono essere controllati attraverso un sistema completamente

automatizzato user-friendly.

Ciascun processo è definito da apposite “ricette”, all’interno delle quali sono impostati tutti i

parametri fondamentali.

Un data base, inoltre, grazie all’analisi degli storici permette di ottimizzare il sistema di

qualità.

Figura 12: Esempio di interfaccia macchina / utente

2. LE TECNOLOGIE

L’acronimo PVD indica la tecnologia di deposizione che prevede l’evaporazione di un metallo

solido, in una camera a vuoto. Le diverse tecnologie definiscono come si creano gli ioni metalli.

Le tecniche più utilizzate sono:

- EROSIONE AD ARCO CATODICO: - CAE:

l’evaporazione del metallo solido è data

dall’innesco di un arco elettrico sulla superficie

del metallo che si vuole evaporare, tale arco

“fonde” il materiale, che sublima.

- MAGNETRON SPUTTERING- MS:

il bombardamento del metallo tramite

ioni di gas (plasma) genera la rimozione

“meccanica” e conseguente “evaporazione”

degli atomi metallici.

- PLASMA BEAM SOURCE – PBS:

Sorgente aggiuntiva per rivestimenti PECVD.

A seconda delle specifiche esigenze di coating è possibile sviluppare impianti ibridi che

contengono alcune o tutte e tre le tecnologie sopra citate.

2.1 LA TECNOLOGIA AD ARCO

L’arco catodico può avere diverse configurazioni al’interno della camera:

- RANDOM ARC SOURCES: generalmente sorgenti ad arco sono di forma rotonda e

circondate da una protezione carica positivamente. La presenza di un campo magnetico

posizionato sotto il target controlla la sua erosione.

La figura soprastante mostra il funzionamento della sorgente “Random Arc Source”. Il trigger

inizia l’evaporazione del catodo carico negativamente. Poiché il target è circondato da una

protezione carica positivamente, gli elettroni negativi si avvicinano a questo confinamento della

sorgente; mentre gli ioni positivi vengono spinti sulla superficie da rivestire carica

negativamente.

- STEERED ARC SOURCES: l’arco è confinato su una superficie tramite un campo

magnetico causando un preciso percorso all’interno del target. Generalmente sono di

forma rettangolare o circolare ed anch’essi azionati dalla presenza di un trigger insito

nel target.

Figura 13: Random arc source

2.2 SPUTTERING

Molto spesso vi è una connotazione errata nel significato di PVD e di Sputtering. Sempre più

frequentemente, infatti, PVD e Sputtering vengono considerati come due rivestimenti completamente

diversi. In realtà con Magnetron Sputtering si intende una tecnologia utilizzata per l’evaporazione del

metallo solido – plasma - necessaria per il coating.

Non esiste, pertanto, alcuna differenza tra “rivestimento PVD” e “rivestimento Sputtering”, ma

semplicemente la realizzazione di rivestimenti PVD può avvenire mediante tecnica Sputtering.

A seconda della configurazione si possono avere diverse tecnologie per la deposizione del

rivestimento PVD tramite tecnologia Sputtering:

- MAGNETRON SPUTTERING

- BALANCED MAGNETRON SPUTTERING

- DUAL MAGNETRON SPUTTERING

- DUAL PULSED MAGNETRON SPUTTERING

- UNBALANCED MAGNETRON SPUTTERING

- RF SPUTTERING,

- HPPMS etc.

La sorgente da cui vengono evaporati gli ioni può essere costituita da metallo puro, oppure da

un composto.

MAGNETRON SPUTTERING

Per aumentare l’efficienza degli elettroni emessi dalla sorgente, è possibile utilizzare un campo

magnetico.

Le sorgenti Sputtering possono avere diverse configurazioni:

- PLANAR MAGNETRON:

è la più comune configurazione di forma

planare nella quale l’erosione avviene in

forma circolare

- CYLINDRICAL MAGNETRON:

produce un’alta densità del plasma

con un buon controllo del deposito.

L’erosione della sorgente è uniforme.

Figura 14: Magnetron planare

Figura 15: Magnetron cilindrico

2.3 PLASMA BEAM SOURCE - PBS

La sorgente “Plasma Beam Source” è utilizzata per rivestimenti PECVD. Grazie a questa

tecnologia è possibile creare un plasma più denso ed energetico per ottenere rivestimenti di

qualità superiore.

La sorgente PBS è utilizzata su impianti ibridi PVD – PECVD. Tra i più comuni rivestimenti

ottenibili con tali tecnologie è sicuramente la famiglia dei rivestimenti DLC (Diamond Like

Carbon).

Il DLC è un rivestimento innovativo a base di carbonio con un’elevata presenza di legami sp3

(diamante) utilizzato in diverse applicazioni con l’obiettivo di aumentare la resistenza

all’abrasione ed allo scorrimento. Inoltre, altre caratteristiche fondamentali sono la durezza, il

basso coefficiente d’attrito e la capacità di avere ottime prestazioni anche in ambienti

aggressivi.

Figura 16: Plasma Beam source

Figura 17: Diagramma rivestimenti DLC di Robertson

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REFERENZE:

- “HANDBOOK OF PHYSICAL VAPOR DEPOSITION (PVD) PROCESSING. Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control”, 1998, Donald M. Mattox,USA

- “Material Science and Engineering”, R 37 (2002) 129-281, Diamond – like amorphous carbon, J. Robertson.