Tecnologie PVD

Mi occupo professionalmente di tecnologie PVD da oltre trent’anni, sia nella messa a punto di processi di deposizione, sia nella integrazione di tecnologie PVD in macchinari di nuova progettazione.

Posso pertanto fornire approfondite consulenze in questi ambiti provvedendo anche, su richiesta, ad assistere nelle pertinenti integrazioni della Valutazione dei Rischi e del Manuale di Istruzioni.

Non si forniscono consulenze di progettazione strutturale o elettrica dei macchinari.

La variante più diffusa della tecnica sputtering consiste nell’accendere una scarica in corrente continua (DC) tra un catodo costituito del materiale da evaporare e un anodo, costituito usualmente dalla camera di deposizione stessa.
Nella camera viene iniettato argon in modo controllato in modo da mantenere la pressione intorno a 10-3 mbar.

Gli ioni Ar generati dalla scarica vengono accelerati verso il catodo e, collidendo con esso, ne estraggono atomi o molecole. Questo fenomeno è simile a quello che si verifica lanciando una palla da bigliardo contro una schiera di altre palle appoggiate alla sponda del bigliardo stesso: alcune delle palle appoggiate alla sponda verranno proiettate verso il centro del tavolo, cioè nella direzione da cui la palla proiettile è stata lanciata.

Gli atomi e le molecole estratti dal catodo si comportano come vapori e diffondono quindi nella camera di deposizione, condensando sui particolari da rivestire e realizzando quindi il deposito.
Una importante evoluzione della tecnica sputtering impiega catodi provvisti di magneti che confinano la scarica vicino alla superficie dei catodi stessi, aumentando così la frequenza delle collisioni che provocano l’estrazione del materiale dal catodo.

Questa variante, detta magnetron sputtering, aumenta molto sensibilmente la velocità di deposizione e quindi la produttività. Oggi la quasi totalità delle applicazioni industriali della tecnica sputtering impiega catodi magnetron.

Le tensioni tipiche necessarie ad innescare la scarica sono dell’ordine delle migliaia di Volt con catodi convenzionali e inferiori a 1000 Volt con catodi magnetron.
Una delle varianti più significative della tecnica sputtering, detta deposizione reattiva, consiste nell’iniettare nella camera, insieme con l’argon, un gas col quale il materiale del catodo reagisce chimicamente.

È questo il caso della deposizione di nitruro di titanio (TiN), un rivestimento molto apprezzato per le sue eccellenti proprietà meccaniche e per il suo colore oro brillante, che viene ottenuto iniettando, insieme con l’argon, quantità controllate di azoto. Nella deposizione reattiva la messa a punto dei parametri di processo è in genere più delicata che nella deposizione convenzionale.

Ulteriori varianti che meritano menzione sono la tecnica RF, in cui la scarica viene accesa usando alimentatori a radiofrequenza (13,56 MHz), e la tecnica DC pulsata, nella quale si impiegano alimentatori ad onda quadra.

Questa tecnica consiste nell’innescare una scarica ad arco a bassa pressione tra un catodo (che costituirà la sorgente di vapori) e le pareti della camera (anodo).
Sul catodo la corrente di scarica, tipicamente dell’ordine di 50-100 A, si localizza su una regione di pochi micron quadrati detta “spot catodico”, nella quale si instaurano pertanto densità di corrente elevatissime (dell’ordine del milione di Ampère al millimetro quadrato).

La penetrazione degli ioni nel catodo è modestissima e quindi tutta la loro energia viene ceduta al catodo in un volume estremamente ridotto intorno allo spot.
L’elevatissima densità di potenza in questo piccolo volume causa una intensa evaporazione, unita a ionizzazione, del materiale in esso contenuto. La temperatura dello spot è stata stimata dell’ordine di 7000 K. La ionizzazione media dei vapori è molto elevata (circa 1,8 per il Ti).

Una conseguenza di questa localizzazione della scarica è che il catodo nel suo complesso rimane ben al di sotto della propria temperatura di fusione; è pertanto possibile disporre sorgenti di vapori ad arco su tutti i lati della camera di deposizione, compreso quello superiore.
Lo spot si muove molto rapidamente sulla superficie del catodo, erodendolo in maniera abbastanza uniforme e consentendo un adeguato sfruttamento del materiale che lo costituisce.

I substrati da rivestire vengono mantenuti a tensione negativa ed attirano pertanto i vapori ionizzati, accelerandoli e realizzando così condizioni di intenso bombardamento ionico.
Questa caratteristica, unita alla possibilità di disporre sorgenti su tutti i lati della camera di deposizione, rende l’evaporazione ad arco una delle tecniche di deposizione sotto vuoto meno sensibili alla geometria dei substrati.

Anche nell’evaporazione ad arco si può far reagire chimicamente i vapori condensanti sui substrati con opportuni gas di processo introdotti in modo controllato nella camera di deposizione. Ad esempio i rivestimenti in nitruro di titanio (TiN) di largo impiego nell’industria meccanica vengono ottenuti operando catodi di titanio in atmosfera di azoto.

Questa tecnica non consente l’impiego di catodi dielettrici e non si presta alla deposizione di strati dielettrici (p.es. ossidi) nemmeno in modo reattivo in quanto la polarizzazione applicata ai substrati è DC.