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
TECNOLOGIE PER DEPOSIZIONE PVD 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
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. Figura 2: Funzionamento pompe rotative. 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). Figura 3: Funzionamento pompa roots. ALTO VUOTO
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. Figura 4: Funzionamento pompa turbo molecolare 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 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. Figura 6: Configurazione camera "Direct" IN-LINE SYSTEM: diverse camere di processo sono collegate in serie. Particolarmente indicata per alti volumi di produzione. Figura 7: Configurazione camere "In-line" 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.
La configurazione dei telai varia a seconda delle applicazioni, ad esempio: SINGLE PALLET: Tipico per deposizione su lastre (impianti in line) Figura 8: Single pallet HORIZONTAL o VERTICAL DRUM: quando il substrato è montato sulla superficie esterna o interna del telaio e fatto ruotare di fronte alla sorgente Figura 9: Horizontal o vertical drum HORIZONTAL OR VERTICAL 2-AXIS DRUM: Per deposizioni tridimensionali. Consente un deposito uniforme in tutte le sue parti 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.
Figura 13: Random arc source 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.
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 Figura 14: Magnetron planare - CYLINDRICAL MAGNETRON: produce un alta densità del plasma con un buon controllo del deposito. L erosione della sorgente è uniforme. 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. Figura 16: Plasma Beam source 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 17: Diagramma rivestimenti DLC di Robertson
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