Realizzazione dei film mediante Reactive MS‐PVD e studio dello sputter cleaning preliminare 

I  rivestimenti  di  AlN  sono  stati  realizzati  su  provini  in  lega  di  alluminio  ASTM  5083.  I  campioni sono stati  realizzati da sezioni di una barra rettangolare 25x25 mm, lo spessore  dei campioni e di circa 8 mm.  

Le superfici dei campioni di alluminio successivamente rivestiti sono stati preventivamente  preparati  mediante  lucidatura  attraverso  lappatrice  con  sospensioni  diamantate  fino  a  1  μm. 

Al  fine  di  valutare  i  corretti  parametri  per  le  condizioni  di  sputter  cleaning  ottimali  da  effettuare  sui  campioni  all’interno  della  camera  di  deposizione  è  stata  effettuata  una  campagna sperimentale simulando differenti condizioni di sputter cleaning. 

Si sono definite come variabili caratterizzanti del processo di sputter cleaning:   ‐ La potenza in RF erogata al substrato 

‐ il tempo di durata dell’etching. 

Sulla base dei queste due variabili e considerando i range di potenza e tempi di esposizioni  massimi,  tali  da  non  indurre  temperature  al  substrato  superiori  a  150°  C  (limite  scelto  al  fine  da  non  compromettere  le  proprietà  meccaniche  del  substrato  in  alluminio),  e  stata  fatta una programmazione fattoriale della campagna di test, con utilizzo del software DOE.  In ogni RUN ogni campione è stato sottoposto a una potenza e tempo di etching differente.    

Tabella 16: Parametri di Potenza RF e Tempo nei differenti RUN 

In  ogni  campione  e  stata  fatta  la  misura  della  rugosità  prima  e  dopo  dell’esposizione  al  processo di etching. 

Misurando  la  variazione  dei  parametri  di  rugosità  si  può  avere  una  indicazione  sul  danneggiamento  superficiale  indotto  durante  la  procedura  di  pulizia  in  camera  di  deposizione. 

Di seguito vengo mostrate due immagi, realizzate mediante profilometro 3D, della stessa  superficie prima e dopo l’esposizione al bombardamento  

Figura 178: Run3 prima dell’etching Figura 179:  Run3 dopo l’etching 

Considerando la l variazione indotta sul solo parametro di rugosità Ra, osserviamo che le  sole  condizioni  di  potenza  e  tempi  di  esposizione  capaci  di  indurre  una  significativa  variazione  sono  quelle  prossime  al  raggiungimento  delle  massime  temperature  al  substrato.  Ovvero  per  la  massima  potenza  applicata  (600  W)  e  massimo  tempo  di  esposizione (60 min.). 

Fig. 180: Variazioni di Ra indotte dal processo di etching per tempi esposizione e potenza 

Se  consideriamo  ora  l’energia  associata  al  processo  di  etching,  possiamo  dedurre  la  relazione tra variazione di rugosità e energia complessiva       Fig. 181: Variazioni di Ra indotte dal processo di etching in funzione dell’energia    Da queste analisi dei dati si può dedure che condizioni di etching sperimentate sui substrati  di  alluminio  non  producono  significative  variazioni  delle  caratteristiche  morfologiche  superficiali. 

Pertanto  è  possibile  effettuare  operazioni  di  sputter  cleaning,  fino  alla  soglia  di  massima  temperatura suggerita (150 °C), senza produrre significativi danneggiamenti superficiali del  substrato. 

Sulla  base  di  tali  considerazioni  per  la  produzione  dei  campioni  di  AlN  si  è  scelto  di  effettuare un processo di sputter cleaning con potenze di 350 W e durata complessiva di  30 min. 

La  realizzazione  dei  rivestimenti  di  AlN  è  stata  effettuata  mediante  l’impianto  MS‐PVD  realizzati all’interno del laboratorio del DIMI.    Sono stati realizzati quattro differenti tipologie di rivestimento, secondo quattro differenti  livelli di bias negativo al substrato:   • Sefl bias (20÷40V)  • 60V  • 100V  • 150V)  I rivestimenti sono stati realizzati con potenze di 180 W in DC al catodo, concentrazioni dei  gas di Ar di 25% e N2 di 75%, pressioni in camera di deposizione di 6.3E‐3 mbar. Il tempo di  durata deposizioni è stato per ogni campione di 90 min.  Lo spessore misurato dei film prodotti è compreso tra 300 nm e 400 nm. 

Nella  tabella  sottostante  vengono  riassunti  i  principali  parametri  di  processo  per  la  produzione dei quattro campioni in questione.    Tabella 17: Parametri di processo utilizzati per i rivestimenti di AlN su Al    6.2.3 Caratterizzazione microstrutturale, morfologica e compositiva  Per l’analisi della microstruttura e composizione dei film prodotti si sono adoperati:  Parametri di processo ID  SAMPLE ID  RUN  N2  % Ar  % Dep. Pressure [mBar] DC Power [W] Bias Voltage  [V] 1729 42 75 25 6,30E‐03 180 Self Bias 1732 45 75 25 6,30E‐03 180 60 1733 46 75 25 6,30E‐03 180 100 1740 47 75 25 6,30E‐03 180 150 Codici Identificazione

‐ Un  microscopio  elettronico SEM  FEI  XL30,  per  le  acquisizioni  delle  immagini  ad  alta  risoluzione della superficie del campione e le analisi EDS; 

‐ Un  microscopio  elettronico  a  doppio  fascio  FIB  FEI  Helios  NanoLab  600,  per  l’acquisizione di immagini ad alta risoluzione e la preparazione delle lamelle TEM;  ‐ Un microscopio TEM FEI CL120 per le immagini ad alta risoluzione delle lamelle TEM e 

le analisi Selected Area Diffraction (SAD) per l’individuazione delle strutture cristalline;  ‐ Un  diffrattometro  a  raggi  x  Brucker  Discover  B8  XRD  per  l’analisi  delle  strutture 

cristalline.   

Dalle  analisi  effettuate  mediante  estrazione  di  lamelle  TEM  e  osservazione  ad  alti  ingrandimenti  si  può  notare  che  tutti  e  quattro  i  film  prodotti  hanno  una  struttura  cristallina colonnare (Fig. 182, Fig. 183, Fig. 184 e Fig. 185). 

Osservando  le  immagini  SAD  associate  ai  quattro  campioni,  si  può  notare  che  i  punti  vengono  pian  piano  sostituiti  da  anelli  all’aumentare  del  bias,  ciò  è  sintomo  che  le  strutture realizzate ad elevato bias sono composte da cristalli più piccoli rispetto a quelle  realizzate a bias bassi o self bias. 

Si  può  pertanto  asserire  che  la  presenza  di  bias  induce  la  formazione  di  strutture  nano  cristalline. 

  Fig. 182: Microstruttura ed analisi SAD – Sample 1729 (75% N2 e Self Bias)      Fig. 183: Microstruttura ed analisi SAD – Sample 1732 (75% N2 e 60V Bias)   

  Fig. 184: Microstruttura ed analisi SAD – Sample 1733 (75% N2 e 100V Bias)      Fig. 185: Microstruttura ed analisi SAD – Sample 1740 (75% N2 e 150V Bias)    Per il solo campione 1729 (realizzato in condizioni di self bias), è stato condotto uno studio  mediante microscopio elettronico TEM, acquisendo immagini SAD in differenti punti della  lamella, partendo dal substrato fino a giungere nel cuore del rivestimento (Fig. 186). 

Fig. 186: analisi di linea SAD – Sample 1729 (75% N2 e Self Bias) 

Da  questa  analisi  si  può  notare  come  le  strutture  cristalline  all’interfaccia  abbiano  una  dimensione molto minore a quelle che si trovano nel cuore del rivestimento. 

Tali  risultati  sono  perfettamente  in  linea  con  le  condizioni  di  crescita  colonnare  dei  rivestimenti prodotti mediante tecniche PVD descritti in letteratura.  

Analizzando  ora  le  immagini  realizzate  sulla  superficie  mediante  microscopio  elettronico  SEM, possiamo ottenere importanti informazioni sulla morfologia superficiale dei quattro  campioni e sul livello di danneggiamento superficiale. 

(a) Self Bias  (b) 60 V Bias  (c) 100 V Bias  (d) 150V Bias  Fig. 187: Analisi delle superfici per i campioni realizzati a quattro livelli di bias    Analizzando le superfici dei quattro rivestimenti si nota la presenza di crack superficiali nei  campioni prodotti con bias a 100V e 150V.  

La  presenza  di  questo  danneggiamento  superficiale  e  presumibilmente  da  imputare  alla  presenza  di  stress  residui  indotti  ad  elevati  bias.  Al  fine  di  ottenere  un  film  non  danneggiato in partenza si può assumere 100V come limite massimo.