Apparato Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PE-CVD)

L’impianto PECVD (Sistec-Angelantoni) è in dotazione all’Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN) del CNR – Area della ricerca di Roma 1. Tale apparato, utilizzato in questo lavoro di ricerca, è mostrato in figura 10. Esso consiste in una camera di deposizione e in una camera di caricamento, entrambe in acciaio inossidabile, ed è corredato da un sistema di movimentazione manuale per il trasferimento del porta-campioni da una camera all’altra.

Figura 10: Foto dell'apparato PECVD (Sistec-Angelantoni) utilizzato per le deposizioni dei rivestimenti a base di Ti-DLC

La camera di deposizione, accessibile direttamente dall’alto con movimentazione pneumatica del coperchio, è corredata di due elettrodi paralleli di diametro 150 mm, posti ad una distanza di 6 cm.

L’elettrodo inferiore, porta-substrati, è elettricamente collegato a massa (anodo) e alloggia un sistema di riscaldamento con lampade radianti che permettono un riscaldamento ausiliario del substrato fino a temperature di 600°C. Il porta- campioni, che consiste in un disco di acciaio spesso 1 cm e del diametro di 15 cm, può essere appoggiato sull’elettrodo a massa mediante dei perni pneumatici che ne permettono lo spostamento, garantendo il contatto elettrico.

L’elettrodo superiore (catodo) è costituito da un sistema a doccia in acciaio per l’erogazione dei gas e dei vapori e, mediante un contatto elettrico, è polarizzato a radio-frequenza e raffreddato ad acqua.

La camera di deposizione è collegata attraverso una valvola di load lock ad una precamera laterale, che consente il caricamento del porta-campioni e dei substrati senza inquinare il vuoto in camera. La camera di trattamento è evacuabile fino ad un vuoto di rotativa in maniera autonoma con una valvola di bypass e un sistema di sicurezza impedisce l’accidentale apertura di comunicazione se il vuoto il precamera è superiore a 5x10-2 _mbarr.

Figura 11 : Rappresentazione schematica dell'impianto PE-CVD

Il sistema di creazione e mantenimento del vuoto è costituito da una pompa rotativa chimica a due stadi, con velocità di pompaggio di 35 m3_{/h e portata fino}

a 10 –3 mbarr e una pompa turbo-molecolare, con velocità di pompaggio di 300 l/s, e portata fino a 10-8 mbarr, raffreddata ad aria e lubrificata con olio fomblin, in modo tale da preservarla da eventuali gas corrosivi, sottoprodotti di reazione. Il sistema è quindi adatto a gestire lo sviluppo di gas corrosivi. Valvole on/off manuali sulle linee di pompaggio consentono di evacuare alternativamente camera di caricamento e camera di deposizione.

La portata del sistema di pompaggio può, entro certi limiti, essere regolata da centralina elettronica, che agisce sulla velocità di rotazione della turbo (throttle). Questo schema consente di regolare la pressione in camera e i flussi gassosi in modo (parzialmente) indipendente.

Il generatore RF, 13.56 MHz con 300 W potenza, è a stato solido, con display a cristalli liquidi per l’indicazione della potenza erogata e per la lettura della potenza trasmessa e riflessa.

Una rete di adattamento di impedenza automatica (matching network) è integrata nel generatore e può lavorare sia in modalità manuale che in automatico. E’ formata da due condensatori in serie di modo tale da avere una capacità elettrica variabile. In tal modo è possibile controllare la potenza generata in entrata e in uscita senza rischiare di danneggiare il generatore RF a causa di sbalzi di corrente riflessa.

La linea di distribuzione dei gas è installata in un cabinet laterale all’impianto e consiste in due linee con distinte entrate in camera: la prima comprende i gas reattivi (main gas line) e la seconda riguarda la linea del precursore metallorganico (mix evaporator gas-liquid) e del gas carrier.

L’impianto PECVD ha attualmente in utilizzo le linee dell’ argon, dell’idrogeno, del metano e dell’azoto, con la predisposizione per l’ossigeno. I gas fluiscono attraverso le linee passando attraverso dei mass flow controller (flussimetri) e ogni linea è provvista anche di valvole manuali di by-pass. I gas reattivi vengono miscelati all’interno della linea principale e successivamente introdotti nella camera di reazione attraverso l’apertura di una valvola ( main gas)

Il trasporto in camera del precursore metallorganico avviene invece attraverso un sistema ‘CEM’ (Central Evaporation Mixer) adatto per l’erogazione di liquidi alto-bollenti in forma vapore. Lo schema di funzionamento del CEM è illustrato in figura 12.

Figura 12 : Schema completo del funzionamento del CEM

Il sistema consiste in un dispositivo che riscalda, miscela e inietta in camera in forma di vapore il precursore liquido e il gas di trasporto provenienti da linee separate; di un controllore di flussi per il gas di trasporto; di un controllore di flussi per il liquido e di una centralina elettronica che regola flussi di gas e di liquido e la temperatura del CEM.

Tradizionalmente per depositare film sottili contenenti metalli si usano precursori gassosi a temperatura ambiente (ad esempio un precursore classico per la deposizione di film a base di titanio è il tetracloruro di titanio, TiCl4),

oppure si utilizzano precursori metallorganici in bubbler riscaldati ad alte temperature e sistemi di trascinamento in camera dei vapori del precursore liquido. Rispetto a questi metodi, il sistema CEM presenta alcuni vantaggi, primo tra tutti quello di poter lavorare direttamente con precursori liquidi come

il TIPOT, economico e poco tossico, a temperature di poco superiori a quella ambiente.

In un sistema ad evaporazione classica (figura 13a), il precursore metallorganico viene portato scaldato e successivamente piccole quantità dei suoi vapori vengono trasportate via con l'ausilio di un flusso di un gas inerte. Questo metodo richiede un preciso controllo della pressione e della temperatura del sistema bubbler e una conoscenza delle equazioni per quel precursore relative alla sua pressione parziale alla variazione delle temperature. Inoltre, il tempo di reazione è molto lento, la precisione assoluta è bassa ed il sistema bubbler non presenta alta stabilità alla lunga durata. Il sistema scelto (figura 13b) si basa su una tecnologia più diretta, cioè permette di controllare la quantità richiesta di liquido per raggiungere la concentrazione voluta, a temperatura ambiente, con un LIQUI-FLOW® integrato con un sistema CEM, in cui la quantità precisa di liquido è mescolata con il gas inerte ed è vaporizzata successivamente.

Figura 13 : Confronto tra un sistema classico di evaporazione di precursori liquidi (a) e un sistema CEM (b)

Il metodo è diretto e virtualmente tutto il liquido prelevato può concorrere a fornire la concentrazione esatta richiesta in pochi secondi e con alti valori di esattezza e ripetibilità.

Il liquido, trasportato da un gas inerte, passa attraverso una valvola a spillo che lo nebulizza in goccioline microscopiche all’interno di un mixer, da cui, miscelato con un gas di trasporto arriva direttamente in camera. Questo metodo offre il doppio controllo sul flusso di liquido e su quello del gas in entrata, minimizzando anche le perdite di materiale.

La linea di entrata in camera di deposizione del precursore è completamente coibentata, e vi è stata applicata una resistenza a basso voltaggio isolata per mantenere la linea riscaldata ad una temperatura costane di circa 50-70°C.