IMPIANTI PER DEPOSIZIONE A FILM SOTTILE

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
P&P
Via Benaco 88, 25081
Bedizzole, Italy
Tel. +39.030. 687 45 35
info-pholding.com
www.p-pholding.com
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.