ITGE990020A1

ITGE990020A1 - Vaporizzatore a microplasma pulsato.

Info

Publication number: ITGE990020A1
Application number: IT1999GE000020A
Authority: IT
Inventors: Paolo Milani; Paolo Giuseppe Carlo Piseri; Emanuele Barborini
Original assignee: Istituto Naz Per La Fisica De; Paolo Milani; Paolo Giuseppe Carlo Piseri
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-08-26
Also published as: IT1310029B1; EP1031639A1; PT1031639E; EP1031639B1; DE60033458D1; US6392188B1; ES2282065T3; ATE354686T1; DE60033458T2; DK1031639T3

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “Vaporizzatore a microplasma pulsato”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un vaporizzatore a microplasma pulsato per processi di ablazione di materiali solidi mediante il quale sia possibile ottenere un fascio supersonico di nanoparticelle costituite dal materiale ablato.

L'ablazione, come noto, è la rimozione di atomi superficiali da un solido a seguito del trasferimento localizzato su una regione di esso di un impulso di energia ed ha come risultato la vaporizzazione locale di tale regione in condizioni adiabatiche, ossia senza che il materiale raggiunga la sua temperatura di ebollizione. Dal punto di vista applicativo la localizzazione del processo di ablazione consente trattamenti superficiali (litografia, taglio, foratura, incisione di pattern o altro) di elevata precisione; inoltre essendo i soli atomi di superficie soggetti ad ablazione, l'estrazione del materiale dal solido avviene senza correre il rischio di eventuali rifusioni del materiale soggetto ad ablazione. L'adiabaticità del processo consente inoltre di vaporizzare materiali altamente refrattari, quali grafite, molibdeno, tungsteno. Questo aspetto risulta particolarmente importante per la sintesi in fase gassosa di nanoparticelle appartenenti ad una vasta gamma di materiali: metalli, ossidi, carbonio, carburi, nitruri. Una sorgente o vaporizzatore per la produzione di nanoparticelle funziona causando la condensazione del vapore ottenuto per ablazione, entro un bagno termico costituito generalmente da gas inerte. La miscela di nanoparticelle e gas inerte può essere fatta espandere in uscita dalla sorgente, dando origine ad un fascio molecolare supersonico.

Nella tecnica nota i canali attraverso i quali l'impulso di energia che determina l'ablazione è trasferito al solido sono il bombardamento ionico e lirraggiamento laser. Le sorgenti note di nanoparticelle a vaporizzazione laser (LVS) sfruttano il fenomeno dell'ablazione: un impulso laser (ad esempio ad eccimeri) incide sul bersaglio e ne vaporizza una piccola porzione. Tuttavia questi tipi di laser per vaporizzazione possono funzionare solo virtualmente con qualsiasi tipo di materiale, inoltre l'intensità dell'energia trasferita è spesso non sufficiente per una qualsivoglia applicazione, a ciò si aggiunga che detti laser per vaporizzazione, di per sé, sono sistemi molto costosi, poco efficienti e difficilmente scalabili.

Per quanto riguarda il bombardamento ionico invece vengono utilizzate in maniera nota delle sorgenti di vaporizzazione ad arco elettrico pulsato (PACIS), nelle quali l'ablazione del materiale solido avviene a seguito di una scarica elettrica innescata tra gli elettrodi dell'arco. Tuttavia questo sistema non si presenta stabile e necessita inoltre di una frequente manutenzione.

Lo scopo della presente invenzione è pertanto la realizzazione di un vaporizzatore che superi gli inconvenienti dei sistemi noti citati precedentemente, possieda caratteristiche quali stabilità e intensità, cruciali in campo applicativo, ed inoltre sia costruttivamente semplice ed economico. Secondo la presente invenzione come canale di trasferimento di energia è possibile utilizzare un microplasma pulsato, grazie al quale l'estrazione del materiale dal bersaglio solido avviene a seguito dell'interazione tra un denso plasma localizzato e la superficie solida. La produzione di nanoparticelle come conseguenza dell'ablazione a microplasma pulsato è estremamente efficiente e garantisce al vaporizzatore che implementa tale processo, flussi con intensità di alcuni ordini di grandezza superiori alle note sorgenti LVS. Inoltre la stabilità, in termini di intervallo di tempo nel quale i parametri di lavoro sono garantiti, è comparabile alle sorgenti LVS più stabili, dunque risulta molto maggiore della stabilità delle sorgenti PACIS.

L'oggetto della presente invenzione è pertanto un vaporizzatore a microplasma pulsato comprendente:

• un corpo, preferibilmente in materiale ceramico, posizionato in una prima camera ad alto vuoto e nel quale è ricavata una cavità;

• dei mezzi di alimentazione di un flusso di gas all’ interno di detta cavità;

• almeno un anodo ed almeno un catodo parzialmente inseriti all’interno di detta cavità, essendo il catodo costituito dal materiale da vaporizzare e posizionato in modo da intercettare detto flusso di gas ed essendo detto flusso di gas ionizzato mediante l'applicazione di un'adeguata tensione a detti anodo e catodo; e

• un ugello di efflusso di un fascio di particelle costituite dal materiale vaporizzato dal catodo.

Secondo un aspetto della presente invenzione i mezzi di alimentazione del flusso di gas comprendono una valvola regolata da un controller mediante la quale è possibile alimentare il flusso di gas ad impulsi di tempo prestabilito all’ interno della cavità, ottenendo perciò al momento della scarica di tensione agli elettrodi una disomogeneità del gas la quale determina il confinamento della scarica elettrica e di conseguenza dell’erosione, alla porzione di catodo direttamente esposta al flusso di gas. La disomogeneità del gas essendo determinata appunto dall'iniezione pulsata del gas nella cavità del corpo, e producendo essa di conseguenza il confinamento del plasma prodotto dalla scarica alla porzione di gas più prossima all'ugello.

Questa limitazione della regione di catodo erosa o vaporizzata presenta anche l'importante vantaggio di impedire la formazione di depositi anodici che comprometterebbero il funzionamento della scarica nel tempo. Detta regione può essere infatti mantenuta rispetto all’anodo in posizione tale da impedire che quest’ultimo sia esposto al materiale vaporizzato.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del vaporizzatore a microplasma pulsato secondo la presente invenzione verranno meglio compresi nel corso della seguente descrizione di una sua forma esecutiva preferita, considerata a titolo esemplificativo e non limitativo e riferita ai disegni allegati, nei quali:

• la Fig. 1 è diagramma schematico che illustra il vaporizzatore a microplasma pulsato secondo l'invenzione e i mezzi atti al suo funzionamento;

• la Fig. 2 illustra una vista in prospettiva parzialmente in sezione di un forma esecutiva del vaporizzatore secondo l'invenzione; e

• la Fig. 3 illustra una vista in prospettiva parzialmente in sezione di una variante esecutiva del vaporizzatore secondo l'invenzione.

Nel diagramma di Fig. 1 è illustrato schematicamente un vaporizzatore 1 a microplasma pulsato secondo la presente invenzione costituito da: un corpo 2, preferibilmente in materiale ceramico, nella quale è ricavata longitudinalmente una cavità 3, al cui interno sono inseriti trasversalmente un anodo 4 ed un catodo 5 costituito dal materiale da evaporare mediante ablazione. L'anodo 4 e il catodo 5 sono inseriti nella cavità 3 mediante relativi fori 24 e 25 ricavati sulle pareti di detto corpo e collegati mediante opportuni fili elettrici 401 e 501 ad un alimentatore 6 ad alta tensione e ad alta corrente. Sulla parte sinistra del corpo 1 , guardando la figura, è previsto un ugello 7 di alimentazione di un flusso 8 di gas distribuito dalla valvola 9 e prelevato mediante il condotto 801 da una bombola 10 di stoccaggio. Mentre sulla parte destra si ha un ugello 1 1 di efflusso di un fascio 12 di nanoparticelle prodotte dalla vaporizzazione e gas (come si chiarirà meglio in seguito). La valvola 9, che preleva a monte il gas in condizioni stazionarie è collegata ad un controller 13 per la regolazione dell'erogazione del flusso 8 di gas all'ugello 7 mediante impulsi di durata prestabilita. Il vaporizzatore 1 è racchiuso all'interno di una prima camera 14 mantenuta in regime di alto vuoto grazie all'utilizzo di una pompa 15 per vuoto. Posizionata adiacentemente alla prima camera 14 vi è una seconda camera 16, anch'essa mantenuta in regime di alto vuoto grazie alla pompa 15, la quale è separata dalla prima camera 14 da una parete 17 nella quale è ricavata un'apertura 171 per il passaggio del fascio 12 dalia prima alla seconda di dette camere. Nella camera 16 è inserito un manipolatore 18 che può essere impugnato e mosso dall’esterno della camera 16 ed è provvisto di un supporto 181 per un substrato 182 sul quale si desidera far depositare il fascio 12 di materiale evaporato per applicazioni, ad esempio, deposizione di film nanostrutturati.

Il funzionamento del vaporizzatore 1 è il seguente: mediante la valvola ad impulsi 9 il flusso 8 di gas viene iniettato nella cavità 3, essendo la durata di tali impulsi dell'ordine, ad esempio, del centinaio di microsecondi. Prima che il gas in espansione abbia raggiunto l'equilibrio all'interno della cavità 3 viene applicata una tensione ai due elettrodi, l'anodo 4 e il catodo 5, tra i quali la differenza di potenziale tipica è nel dominio da 500 a 2000 V. Il plasma generato dalla scarica elettrica prodotta in seguito all'applicazione di detta tensione vaporizza il catodo 5, erodendolo in una porzione ristretta e precisamente, come si può osservare dalla figura, dove il flusso 8 di gas incontra detto catodo 5. Tale vaporizzazione è ottenuta mediante ablazione, cioè senza che il materiale di cui detto catodo è costituito raggiunga la sua temperatura di ebollizione. Il materiale del catodo 5 così vaporizzato si raffredda a contatto con il gas ionizzato o plasma e condensa in particelle di dimensioni nanometriche, dando origine ad un fascio 12 di aggregati di nanoparticelle e gas. A questo punto la cavità 3 del corpo 2 si svuota della miscela di nanoparticelle e gas attraverso l'ugello 1 1 di uscita ed è quindi pronta per un ciclo successivo di iniezione di gas attraverso la valvola 9. Il volume esterno al vaporizzatore 1 , rappresentato dalla camera 14, è mantenuto in regime di alto vuoto mediante la pompa 15, pertanto il fascio 12 di nanoparticelle che fuoriesce dall'ugello 1 1 costituisce un getto molecolare e può essere utilizzato in fase gassosa oppure è possibile deporre dette nanoparticelle a strati direttamente sul substrato 182 posizionato nella camera 16, mediante il passaggio del fascio 12 attraverso l'apertura 171.

In Fig. 2 è illustrata una vista in scala maggiore del vaporizzatore 1 della presente invenzione, nella quale si può meglio apprezzare la posizione relativa del catodo 5 rispetto all'anodo 4 e l’incidenza del flusso 8 di gas direttamente su una porzione del catodo 5 che viene erosa a seguito dell'applicazione di una tensione tra detti anodo e catodo. Per funzionamenti prolungati nel tempo del vaporizzatore l’ablazione di materiale comporta la formazione di un cratere, a causa dell'evaporazione del materiale, nel punto in cui il flusso 8 intercetta il catodo 5, quindi secondo l'invenzione è previsto un sistema meccanico che permetta di ruotare il catodo 5 attorno al suo asse; tale sistema comprende un alberino 19 di supporto del catodo 5, rotante nella direzione della freccia A in un verso prestabilito grazie all'azionamento di un motore 20 elettrico, il cui albero 201 si accoppia mediante opportuni giunti 21 con detto alberino 19 di supporto. Grazie a tale sistema, quindi, è possibile prolungare il funzionamento del vaporizzatore 1 ed aumentare la quantità di materiale eroso, evitando la formazione di un cratere localizzato.

In Fig. 3 è illustrata una variante esecutiva del vaporizzatore 1 nella quale il catodo 5 attraversa tutto il corpo 1 e l'anodo 4 è posto lateralmente rispetto ad esso. In questa variante il catodo 5 viene rifornito in maniera continua mediante un sistema meccanico che ne consente la rotazione in direzione della freccia A e la traslazione in direzione della freccia B in due versi prestabiliti. Tale sistema comprende, una vite senza fine 22 che supporta il catodo 5 ed è azionata mediante il suo accoppiamento con una madrevite 23 messa in rotazione dall'alberino 19 attraverso una cinghia 24 di trasmissione. Il moto all'alberino 19 viene trasmesso mediante il motore 20 e i relativi mezzi di trasmissione descritti precedentemente. Con una configurazione di questo tipo, vantaggiosamente, l'ablazione di materiale avviene da una porzione del catodo 5 rinnovata in maniera continua, non si ha quindi la produzione di crateri o solchi profondi garantendo al vaporizzatore una maggiore stabilità e durata di funzionamento nel tempo.

Dalla descrizione precedente considerata a scopo esemplificativo e non limitativo emerge che il vaporizzatore a microplasma pulsato secondo la presente invenzione ben si adatta a tutte le applicazioni in cui sia necessario definire con precisione la regione dalla quale viene ablato il materiale. Tale vaporizzatore è inoltre caratterizzato da alta intensità, buona stabilità da impulso ad impulso di gas e si presta a configurazioni, come visto, in cui l'elettrodo negativo che viene vaporizzato viene rifornito in maniera continua. Il presente vaporizzatore permette inoltre di risolvere un tipico problema di altri tipi di sistemi noti quali il PACIS, vale a dire là formazione di un deposito nello spazio che separa i due elettrodi; tale deposito risulterebbe infatti dannoso dal momento che la sua dimensione crescerebbe fino a formare un corto circuito in seguito al quale il vaporizzatore smetterebbe di funzionare.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Vaporizzatore (1) a microplasma pulsato caratterizzato dal fatto che comprende: • un corpo (2) posizionato in una prima camera (14) ad alto vuoto e nel quale è ricavata una cavità (3); • dei mezzi (7, 9) di alimentazione di un flusso (8) di gas all'interno di detta cavità (3); • almeno un anodo (4) ed almeno un catodo (5) parzialmente inseriti al'interno di detta cavità (3), essendo il catodo (5) costituito dal materiale da vaporizzare e posizionato in modo da intercettare detto flusso (8) di gas ed essendo detto flusso (8) di gas ionizzato mediante l'applicazione di un'adeguata tensione a detti anodo e catodo; e • un ugello (1 1) di efflusso di un fascio (12) di particelle costituite dal materiale vaporizzato dal catodo (5).
2. Vaporizzatore (1 ) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che i mezzi (7, 9) di alimentazione del flusso di gas comprendono almeno una valvola (9) collegata ad almeno un controller (13) mediante la quale il flusso (8) di gas è rifornito ad impulsi di durata prestabilita ad un ugello (7) di alimentazione.
3. Vaporizzatore (1 ) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la durata di detti impulsi è dell'ordine dei microsecondi.
4. Vaporizzatore (1 ) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il catodo (5) è affacciato al flusso (8) di gas.
5. Vaporizzatore (1 ) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che comprende dei mezzi (19, 20, 21 201) per il supporto e la rotazione (A) del catodo attorno al suo asse.
6. Vaporizzatore ( 1) secondo la rivendicazione I , caratterizzato dal fatto che il catodo (5) attraversa tutta la cavità del corpo e l'anodo (4) si affaccia lateralmente in prossimità della superficie esterna del catodo (5).
7. Vaporizzatore (1 ) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che comprende dei mezzi (20, 22, 23, 24) per il supporto, la rotazione (A) e la traslazione (B) del catodo (5).
8. Vaporizzatore ( 1 ) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta prima camera ( 14) ad alto vuoto comprende un manipolatore ( 18) impugnabile dall'esterno di detta camera (14) e provvisto di un substrato (182) sul quale si deposita il fascio (12) di materiale evaporato uscente dall'ugello (1 1 ) di efflusso.
9. Vaporizzatore (1 ) secondo la rivendicazione l , caratterizzato dal fatto che detto manipolatore (1 8) è posizionato in una seconda camera (16) ad alto vuoto adiacente alia prima camera ( 14) e separata da essa da una parete (17) nella quale è ricavata un'apertura (171) di uscita per detto fascio (12) di materiale evaporato.
10. Vaporizzatore (I ) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta tensione applicata all'anodo (4) e al catodo (5) è fornita da un alimentatore (6) ad alta tensione ed alta corrente.