Spin coater e processo di spin coating

Prima di descrivere nel dettaglio la procedura di realizzazione dei prototipi che prevedono la stesura di un film di adesivo elettricamente conduttivo, è necessario spendere alcune parole per introdurre il processo di spin coating.

Il processo di spin coating (letteralmente: deposizione per rotazione) è impiegato intensivamente in varie applicazioni dell’elettronica industriale ed è una tecnica molto diffusa ed abbastanza affidabile, che permette di deporre substrati alquanto uniformi e planari. Questo tecnica produttiva è impiegata per molti scopi diversi tra loro, che sono ad esempio la deposizione del fotoresist sui wafer a semiconduttore, il rivestimento di dischi magnetici, di CD e di DVD, la deposizione di strati antiriflesso e la deposizione dei fosfori degli schermi CRT1

Nella pratica una certa quantità di un materiale allo stato liquido (con viscosità superiore a 0,1 Pa⋅s) viene deposta su una superficie sulla quale, in seguito ad una rotazione della stessa a velocità e tempo d’esposizione fissati, questo materiale si dispone uniformemente, generando un film, il cui spessore uniforme (o approssimativamente tale) dipende dalla velocità di rotazione e dal tempo di centrifugazione (o spinning time).

. Nonostante il largo utilizzo di questa procedura e, quindi, l’ampia disponibilità di dati inerenti il processo, non esiste un’unica interpretazione teorico- matematica del fenomeno fisico, che regola lo spin coating, bensì si hanno vari modelli empirici o semi-empirici, che sono molto spesso strettamente legati alla specifica applicazione per cui sono stati ideati. Lo spin coating, in sintesi, è quella procedura per la quale, mediante la centrifugazione di un fluido, si realizzano delle deposizioni di materiale in strati sottili: nel caso degli I.C.A. si possono ottenere film di spessore di alcuni µm.

Tralasciando la parte descrittiva da un punto di vista matematico-fisico, in cui è possibile correlare la forza centrifuga in funzione della viscosità del materiale, e tenendo conto che nella trattazione matematica occorre considerare fattori come la tensione superficiale, la forza di Coriolis, l’evaporazione del fluido [3.01], il processo di spin coating può essere compreso dal punto di vista intuitivo come quel processo in cui un fluido sopra un disco si deforma con la forza centrifuga (figura 3.3).

Figura 3.3: reologia dello spin coating

Se si suppone che tutta la superficie del disco sia bagnata (senza problemi connessi con la tensione superficiale del materiale depositato, che possono determinare onde, punti non bagnati, ecc…), quando il disco è accelerato alla specifica velocità di rotazione, la parte centrale del fluido è spinta per la forza centrifuga verso la periferia del disco stesso. Dopo i primi secondi di rotazione il flusso del liquido Q verso il bordo si stabilizza su un valore costante, per cui dQ/dt = 0, ed il profilo del fluido assume la forma di figura 3.3. Ogni corona circolare infinitesima di fluido, centrata sull’asse di rotazione, è in equilibrio tra spinta centrifuga e forza viscosa del materiale da cui si vuole il film. Prolungare questa fase del processo porta alla diminuzione dello spessore del fluido, che viene man mano espulso dalla periferia del disco in rotazione. Al fine di avere qualche indicazione sul grado di viscosità degli I.C.A. rispetto ad altri fluidi è possibile consultare la tabella 3.1 .

TIPO DI COLLA VISCOSITÀ [Pa⋅s]

HERAEUS PC3000 15 ÷ 25

EPOTEK EE129-4 2,0 ÷ 4,0

EPOTEK H20E 2,2 ÷ 3,2

Altri materiali per raffronto

miele 10

olio d’oliva 0,1

Acqua @20°C 1

Nonostante il profilo dello spessore presenti una dipendenza dalla distanza del centro di rotazione del sistema, una volta terminata la centrifugazione, la tensione superficiale spinge il fluido ad assumere uno spessore costante lungo tutto il raggio. Ciò naturalmente, avviene solo in fluidi per i quali non ci sia eccessiva viscosità, che impedisca questo livellamento. Nel caso in cui invece la tensione superficiale non sia in grado di opporsi alla viscosità insita nel materiale, si osserva un profilo di spessore decrescente dal centro verso la periferia del disco; questo purtroppo è il caso pratico che si è presentato durante il lavoro sperimentale degli I.C.A. . Di conseguenza lo spin coating produce degli strati il cui spessore è difficilmente stimabile a priori con i soli studi teorici, in quanto non si conosce esattamente il modello di viscosità, che caratterizza il materiale; pertanto la sperimentazione pratica darà informazioni esaustive, grazie a cui è possibile formulare una legge empirica che lega lo spessore di film da ottenere con la velocità di rotazione ed il tempo di applicazione. Con lo scopo di ottenere e di ottenere film di adesivo elettricamente conduttivo su substrati, come vetronite e materiale piezoelettrico, è stato messo a punto una specifica strumentazione orientata per la ricerca, ovvero uno spin coater (figura 3.4).

Figura 3.4: spin coater utilizzato

Lo spin coater è dunque uno strumento con cui è possibile ottenere film omogenei ed uniformi. In questo lavoro si è previsto di ancorare un trapano su una struttura portante, che gli conferisce rigidità e verticalità. Nella parte più alta è inserito un mandrino, che sarà utilizzato per alloggiare ed per avvitare una basetta in alluminio, usata come supporto e

come piano orizzontale per il sostegno del substrato su cui sarà realizzata la deposizione (figura 3.5a).

Figura 3.5: basetta in alluminio dello spin coater – a) parte superiore; b) parte posteriore

La parte posteriore della basetta in alluminio contiene un foro filettato (figura 3.5b) per poter essere avvitato alla vite della mola verticale. Le dimensioni sono di 25 mm in lunghezza, 7 mm in larghezza e 7 mm di spessore. In questo modo la parte interna del substrato, che sarà incollato sulla basetta in alluminio con un bi-adesivo, non sarà sporcato dal liquido depositato, in quanto la forza centrifuga spingerà verso l’esterno il materiale in esubero. Impostando opportunamente la velocità di rotazione del motore, che aziona lo spin coater, si ottengono film con spessori richiesti. Visto che il motore è in corrente continua, per ottenere diversi valori di giri al minuto è sufficiente cambiare la tensione d’alimentazione, avendo determinato sperimentalmente che valgono le equivalenze indicate nella tabella successiva (tabella 3.2).

TENSIONE DI