IT201600115342A1 - Macchina per la deposizione di film sottili - Google Patents

Description

“MACCHINA PER LA DEPOSIZIONE DI FILM SOTTILI”

di CONSORZIO DI RICERCA HYPATIA

La presente invenzione è relativa a una macchina per la deposizione di film sottili.

Per impartire determinate caratteristiche chimicofisiche ad un oggetto, vi è da tempo la consuetudine di rivestire l’oggetto stesso con uno strato sottile di un materiale appropriato.

Gli strati depositati sono generalmente dello spessore di qualche micron e la tecnica generale prende il nome di deposizione di film sottili.

La deposizione di film sottili generalmente avviene mediante determinate macchine in grado di estrarre il materiale da un bulk e di depositarlo sotto forma di film sottile sulla superficie esterna dell’oggetto che si vuole ricoprire. Le tecniche più comunemente usate sono quelle di evaporazione e di sputtering.

I materiali che generalmente vengono depositati sono metalli, oppure composti binari quali ossidi o nitruri.

Gli scopi sono i più svariati: rendere funzionale un substrato, renderlo resistente agli agenti reattivi, renderlo conduttivo, formare strati antiriflettenti etc.

I problemi emergono quando il rivestimento che si vuole realizzare è costituito da un materiale complesso. Per materiale complesso di intende un materiale composto da tre o più elementi i quali hanno temperature di evaporazione diverse e pressioni di vapore anche molto diverse tra loro.

Un esempio è il CuInGaSe, che è un materiale con notevoli capacità di assorbimento della luce e pertanto è utilizzato nella fabbricazione di celle fotovoltaiche. La deposizione mediante evaporazione o sputtering di questo materiale produce uno strato di materiale con rapporti stechiometrici e, quindi, proprietà necessariamente differenti da quelli del bulk di partenza.

Per ovviare a questo inconveniente, vengono utilizzati come materiali di partenza dei precursori, ossia dei materiali che combinandosi per reazione chimica direttamente sul substrato formano il materiale desiderato.

Come può risultare immediato ad un tecnico del ramo, tale soluzione può risultare complessa e non sempre efficace.

Una tecnica innovativa che risolve la suddetta problematica senza l’utilizzo di precursori del materiale è quella relativa alla deposizione attraverso un fascio di elettroni impulsato conosciuto come PED (Pulsed Elecronic Deposition).

Secondo questa tecnica un flusso di elettroni generato da un catodo cavo, poi accelerato da un campo elettrico e canalizzato in un tubo dielettrico, viene sparato su di un bulk di materiale da depositare. L’impatto degli elettroni sul bulk provoca l’ablazione dello stesso sotto forma di una piuma di plasma che espandendosi si deposita sul substrato da ricoprire con il film sottile. Il vantaggio di questo metodo rispetto agli altri è che la densità di energia del raggio elettronico è così elevata che gli elementi del materiale del bulk passano tutti in forma di plasma mantenendo inalterato il loro rapporto stechiometrico. Sul substrato si troverà, quindi, il medesimo materiale del bulk.

In questa tecnica la sorgente del fascio di elettroni gioca un ruolo estremamente importante per l’efficacia della deposizione. Infatti, il raggio di elettroni prodotto deve avere una densità di energia tale da assicurare che tutti gli elementi del materiale costituente il bulk passano sotto forma di plasma.

Gli inventori della presente invenzione hanno realizzato una nuova tipologia di cannone elettronico, le cui caratteristiche tecniche sono tali da garantire che il raggio di elettroni prodotto abbia la richiesta elevata densità di energia.

Oggetto della presente invenzione è una macchina per la deposizione di film sottili comprendente un elemento portatarget atto a supportare un materiale di cui si vuole realizzare il film sottile, un elemento porta-substrato atto a supportare un oggetto su cui si vuole depositare detto film sottile e un cannone elettronico atto alla produzione di un fascio di elettroni che impatterà su detto porta target per provocare una ablazione del materiale di cui si vuole realizzare il film sottile; detto cannone elettronico comprendendo un catodo freddo primario atto alla generazione del fascio di elettroni, e un sistema di alimentazione di un gas inerte; detta macchina per la deposizione di film sottili essendo caratterizzata dal fatto che il detto cannone elettronico comprende un catodo freddo secondario atto a ionizzare detto gas inerte e mezzi per convogliare detto gas inerte ionizzato da detto catodo freddo secondario a detto catodo freddo primario; detto sistema di alimentazione del gas inerte essendo connesso a detto catodo freddo secondario.

Preferibilmente la macchina oggetto della presente invenzione comprende un primo tubo di materiale isolante atto a convogliare le cariche generate da detto catodo freddo primario fino a detto elemento porta-target.

Preferibilmente, detto primo tubo di materiale isolante è realizzato in vetro.

Preferibilmente, i mezzi per convogliare detto gas inerte ionizzato da detto catodo freddo secondario a detto catodo freddo primario comprendono un secondo tubo di materiale isolante.

Preferibilmente, il secondo tubo di materiale isolante è realizzato in vetro.

Preferibilmente, la macchina oggetto della presente invenzione comprende un ugello disposto ad una estremità del secondo tubo di materiale isolante ed atto a iniettare il gas inerte ionizzato al catodo primario.

Di seguito è riportato un esempio realizzativo a puro titolo illustrativo e non limitativo con l’ausilio della figura allegata, la quale illustra, in forma schematizzata e con parti eliminate per chiarezza, un esempio realizzativo della macchina di deposizione oggetto della presente invenzione.

Nella figura allegata viene indicata nel suo complesso con 1 una forma di realizzazione della macchina di deposizione di film sottili secondo la presente invenzione.

La macchina di deposizione 1 è costituito essenzialmente da un elemento porta-target 2, da un elemento porta-substrato 3 e da un cannone elettronico 4.

Il cannone elettronico 4 comprende un catodo freddo primario 5 atto alla generazione del fascio di elettroni, un primo tubo in vetro 6 predisposto al trasporto del fascio di elettroni fino all’elemento porta target 2, un catodo freddo secondario 7 atto alla ionizzazione di un gas inerte, un secondo tubo 8 in vetro predisposto al trasporto del gas nobile ionizzato al catodo freddo primario 5, un ugello 9 posizionato ad una estremità del secondo tubo 8 e atto a iniettare il gas inerte ionizzato nel catodo freddo primario 5 e un sistema di immissione del gas inerte 10 nel catodo freddo secondario 7.

Di seguito è descritto il processo di funzionamento del cannone elettronico 4 secondo la presente invenzione.

Inizialmente, vi è una generazione di cariche all’interno del catodo freddo secondario 7 dovuto alla ionizzazione parziale del gas inerte, ad esempio argon. Le cariche così generate sono accelerate da un campo elettrico longitudinale e attraversano il tubo in vetro 8 per giungere all’ugello 9. In questo modo si può dire che il gas ionizzato è iniettato mediante l’ugello 9 nel catodo freddo primario 5. All’interno del catodo freddo primario 5 il gas inerte aumenta il suo livello di ionizzazione e gli elettroni del gas ionizzato, accelerati da un campo elettrico generato dalla tensione anodo catodo, vengono accelerati e sparati contro il target disposto sul porta-target 2. Gli elettroni nell’impatto col target cedono la loro energia cinetica accumulata durante il tragitto, ne aumentano localmente la temperatura ed in pochi nanosecondi provocano la formazione di un plasma. Questo plasma composto dal materiale del target viene iniettato da esso e raccolto sul substrato da ricoprire.

Di seguito viene descritto uno schema circuitale 11 di pilotaggio del cannone elettronico 4.

Lo schema 11 si compone di un primo stadio, formato da C1, Rt, Rt’ e D1, di adattamento al generato di Alta tensione (HV) che carica la capacità C2, quella preposta a fornire le cariche al catodo primario. La serie formata dal condensatore C3 e R1 danno invece la temporizzazione e la carica al catodo secondario attraverso uno scaricatore (spark gap) con un opportuno valore di scatto. Infine L1 ed L2 sono due core magnetici saturabili, che sono stati dimensionati in modo da evitare disturbi dovuti a fenomeni reattivi della sorgente.

Il cannone elettronico sopra descritto garantisce la produzione di un fascio di elettroni ad elevata densità in un tempo compreso tra 100 e 400 ns. In questo modo si ha la certezza che la temperatura sul target sia così elevata da provocare il fenomeno dell’ablazione e non quello di una semplice evaporazione. Come precedentemente detto sopra, il fenomeno dell’ablazione su un target assicura che lo strato depositato sia costituito da un materiale la cui stechiometria è la medesima di quella del materiale del target di partenza.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina per la deposizione (1) di film sottili comprendente un elemento porta-target (2) atto a supportare un materiale di cui si vuole realizzare il film sottile, un elemento porta-substrato (3) atto a supportare un oggetto su cui si vuole depositare detto film sottile e un cannone elettronico (4) atto alla produzione di un fascio di elettroni che impatterà su detto porta target per provocare una ablazione del materiale di cui si vuole realizzare il film sottile; detto cannone elettronico (4) comprendendo un catodo freddo primario (5) atto alla generazione del fascio di elettroni, e un sistema di alimentazione di un gas inerte (10); detta macchina per la deposizione di film sottili essendo caratterizzata dal fatto che il detto cannone elettronico (4) comprende un catodo freddo secondario (7) atto a ionizzare detto gas inerte e mezzi (8) per convogliare detto gas inerte ionizzato da detto catodo freddo secondario (7) a detto catodo freddo primario (5); detto sistema di alimentazione del gas inerte (10) essendo connesso a detto catodo freddo secondario (7).
2. 2. Macchina per la deposizione di film sottili secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un primo tubo (6) di materiale isolante atto a convogliare le cariche generate da detto catodo freddo primario (5) fino a detto elemento porta-target (2).
3. 3. Macchina per la deposizione di film sottili secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo tubo (6) di materiale isolante è realizzato in vetro.
4. 4. Macchina per la deposizione di film sottili secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per convogliare detto gas inerte ionizzato da detto catodo freddo secondario (7) a detto catodo freddo primario (5) comprendono un secondo tubo (8) di materiale isolante.
5. 5. Macchina per la deposizione di film sottili secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto secondo tubo (8) di materiale isolante è realizzato in vetro.
6. 6. Macchina per la deposizione di film sottili secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto di comprendere un ugello (9) disposto ad una estremità di detto secondo tubo di materiale isolante ed atto a iniettare detto gas inerte ionizzato al detto catodo primario.