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Le tecniche di rivestimento PVD utilizzano processi fisici per depositare film sottili sulle superfici.

Le tecniche di rivestimento PVD utilizzano processi fisici per depositare film sottili sulle superfici. Questi film offrono un modo estremamente comodo per ottenere le caratteristiche superficiali desiderate senza dover cambiare completamente il materiale di un prodotto. Gli strati possono essere sottili anche solo millesimi di nanometro e possono trasformare ogni tipo di superficie per resistere alla corrosione, ridurre l’attrito, aumentare la durezza e molto altro.

In questo articolo esploreremo i due metodi più comuni di deposizione fisica da fase vapore utilizzati per applicare i rivestimenti PVD: l’evaporazione termica e la deposizione per sputtering.

Metodo PVD 1: evaporazione termica

L’energia termica viene utilizzata per vaporizzare il materiale bersaglio, in modo che possa essere usato per depositare il film sottile sul substrato. I materiali depositati possono comprendere metalli puri, non metalli, ossidi e nitruri. Questo processo offre un alto livello di controllo sulle proprietà del film, come spessore, adesione, tensione e struttura dei grani. Rispetto ad altre tecniche PVD e CVD, l’evaporazione termica ha una delle velocità di deposizione più elevate.

Un tipico sistema di evaporazione termica è composto dai seguenti componenti:

- Substrato/i e bersaglio

- Sorgente di calore

- Pompa per vuoto

- Regolatore di pressione / valvola a saracinesca

- Monitor della velocità di deposizione

- RGA (opzionale)

L’evaporazione termica richiede un vuoto molto spinto, di circa (1×10-6 a 1×10-9 Torr). Il livello di vuoto richiesto dipende dalle esigenze di purezza e dal cammino libero medio richiesto. Pur differendo in alcuni aspetti specifici, come il livello di vuoto, i tre passaggi seguenti sono comuni a tutte le configurazioni di evaporazione termica:

- Vaporizzazione: il materiale bersaglio viene prima collocato in un crogiolo sul fondo della camera a vuoto. Una sorgente di calore (filamento di tungsteno o fascio di elettroni) viene poi usata per far sublimare o bollire il materiale bersaglio fino a ottenere un vapore.

- Trasporto dal bersaglio al substrato: il materiale bersaglio vaporizzato forma un pennacchio di vapore che viaggia verso il substrato, installato direttamente sopra il bersaglio. Mantenere un livello di vuoto stabile e spinto garantisce che l’ambiente sia privo di contaminazione, e un cammino libero medio assicura un viaggio dei vapori dal bersaglio al substrato praticamente privo di collisioni.

- Deposizione e nucleazione: poiché la superficie del substrato è a una temperatura relativamente bassa, i vapori condensano quando vengono a contatto con essa. La condensazione è seguita dalla nucleazione, che crea il primo strato di film sottile. Questo processo prosegue fino al raggiungimento dello spessore di film desiderato.

Metodi di evaporazione termica

L’evaporazione termica ha anche dei sottotipi, che si distinguono per il metodo di vaporizzazione del materiale bersaglio. I metodi comprendono l’epitassia a fasci molecolari (MBE), la deposizione a fascio di elettroni, l’evaporazione flash e l’evaporazione resistiva.

Applicazioni comuni

L’evaporazione termica è usata più spesso per depositare strati metallici elettricamente conduttivi su celle solari, display OLED e transistor a film sottile. Viene utilizzata anche nel processo di fabbricazione delle pellicole di PET alluminizzato.

Metodo PVD 2: deposizione per sputtering

La deposizione per sputtering è un processo a linea di vista come l’evaporazione termica; tuttavia utilizza molecole di gas energizzate per depositare film sottili sul substrato e offre una migliore copertura dei gradini. Questo metodo può essere usato per depositare metalli, non metalli, leghe e ossidi.

Un tipico sistema di sputtering è composto dai seguenti componenti:

- Substrato/i e bersaglio

- Catodo e anodo

- Regolatori di portata massica

- Regolatore di pressione / valvola a saracinesca

- Pompa per vuoto

- Cristallo di quarzo

Lo sputtering viene eseguito a vuoti relativamente bassi, di 0 – 0,03 Torr, e l’argon è il gas più comunemente usato per il suo elevato peso molecolare. I tre passaggi di base della deposizione per sputtering sono i seguenti:

- Vaporizzazione: il bersaglio è collegato al catodo, il che fa accelerare gli elettroni liberi allontanandoli da esso. Questi elettroni collidono poi con le molecole di argon, strappando elettroni dagli orbitali più esterni e lasciando ioni argon carichi positivamente (responsabili del bagliore del plasma). Quando gli ioni argon accelerano verso il catodo e collidono con il bersaglio, strappano via (sputtering) molecole del bersaglio.

- Trasporto dal bersaglio al substrato: le molecole del bersaglio assorbono una parte dell’energia cinetica degli ioni argon, che le spinge verso il substrato formando un flusso di vapore. In questa fase è fondamentale un livello di vuoto stabile per garantire un film sottile di alta qualità.

- Crescita del film: le molecole del bersaglio spruzzate aderiscono al substrato e formano il rivestimento a film sottile. La velocità di deposizione può essere ottimizzata controllando la portata del gas inerte.

Metodi di sputtering

Diversi processi di sputtering, come a radiofrequenza, in corrente continua, in corrente continua pulsata e magnetron, sono classificati in base al tipo di alimentatore utilizzato. Una tecnica speciale chiamata sputtering reattivo viene usata per depositare composti chimici.

Applicazioni comuni

La prima applicazione dello sputtering è la produzione di dischi rigidi per computer. Lo sputtering è ora ampiamente utilizzato nella lavorazione dei circuiti integrati, nella produzione di vetro rivestito con film antiriflesso o ad alta emissività, nei rivestimenti per utensili da taglio e nel rivestimento di CD e DVD.

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