Unicosphere plus

A cura di Paolo Mosaner

Laboratorio IdEA

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRENTO

DIPARTIMENTO DI FISICA

UNI.CO.SPHERE plus

l’ultimo apparato IBAD progettato e realizzato al Lab. IdEA

UNI.CO.SPHERE plus è un prototipo industriale ideato, progettato, realizzato e collaudato internamente al Laboratorio IdEA, con la collaborazione del servizio meccanico e del servizio elettronico del dipartimento. Il committente è IAE S.p.A.

Nasce come applicazione di una tecnica sperimentale per risolvere un problema concreto sorto da esigenze industriali.

Nella sua versione attuale l’apparato serve per rivestire componenti meccanici mediante processi fisici, in particolare di deposizione assistita da fascio ionico (IBAD è in realtà l’acronimo di Ion Beam Assisted Deposition).

Lo stesso sistema di movimentazione dei campioni è un prodotto ideato e realizzato internamente, nella sua versione prototipale.

Per la componentistica standard da vuoto e di deposizione ci si è avvalsi della fornitura da parte di aziende di alto livello tecnologico specializzate nel settore.

Descrizione della macchina Descrizione del processo

Partner industriali Scheda del progetto Staff del progetto

DESCRIZIONE DELLA MACCHINA

Questo apparato è un sistema per il rivestimento di oggetti di vario tipo con film solidi mediante tecnica fisica (Ion Beam Assisted Deposition). Esso è pensato e realizzato, nella presente configurazione, per rivestire sferette di acciaio con film di argento. Tale rivestimento viene eseguito di fatto nella camera da vuoto dell’apparato opportunamente evacuata. La versatilità con la quale è stata progettata permetterebbe l’utilizzo di materiali diversi (come oro e piombo) o l’uso di oggetti diversi quali substrati.

I componenti fondamentali del apparato sono:

i) un evaporatore ad effetto Joule che, per effetto di riscaldamento da corrente elettrica, fa evaporare il materiale contenuto in un crogiolo;

ii) un cannone ionico che genera un fascio di ioni (nella presente configurazione Ar⁺);

iii) un cilindro rotante dotato di opportune sedi per l’alloggiamento delle sferette da rivestire.

Tale apparato è dotato di un sistema di automazione dei processi che ne consente l’uso sicuro e ripetibile anche da parte di personale non specializzato o dedicato.

I substrati (le sfere) vengono alloggiati all’interno di un portacampioni mobile (un cilindro rotante) che ne permette il rivestimento completo ed uniforme.

Tutto il processo è eseguito in un’apposita camera di trattamento ed è comandato esternamente da un rack specifico, che è parte integrante dell’apparato.

L’operazione di deposizione è assistita costantemente da un fascio di ioni Ar⁺, generato da una apposita sorgente ionica (cannone ionico). L’energia degli ioni del fascio può arrivare fino a 2keV, mentre la corrente ionica totale di questo apparato può superare i 10 mA.

DESCRIZIONE DEL PROCESSO

La tecnica di Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) rappresenta una combinazione di una normale tecnica Physical Vapor Depsosition e di una impiantazione ionica con un fascio di energia e corrente variabile (tra 100 eV e 30.000 eV) in funzione dell’applicazione. Il fascio ionico viene indirizzato sul substrato che deve essere ricoperto dal film. L’utilità degli ioni nasce da una considerazione sull’interfaccia substrato‑film, che nel caso delle convenzionali PVD può risultare non particolarmente resistente, giacché manca di strato interdiffuso. Nel caso di impiantazione ionica l’energia degli ioni permette ad essi di penetrare all’interno della superficie del substrato creando un effetto di mescolamento tra gli atomi del substrato e quelli del film in corso di deposizione: così facendo si crea un’interfase di diffusione dove i legami substrato‑film sono più stabili e l’adesione è più alta. In generale gli spessori che possono essere interessati dall’effetto di mixing sono quelli di impiantazione, ossia non più di alcune centinaia di nanometri (in funzione dell’energia). L’assistenza del fascio ionico ad una deposizione in fase vapore può essere alternata (deposizione-impiantazione‑deposizione) oppure simultanea. Esistono anche forme di IBAD reattive, dove si utilizza un’atmosfera reattiva per dare luogo a composti particolari. La tecnica IBAD può essere condotta senza sorgenti di riscaldamento aggiuntive (che devono favorire reazioni chimiche), giacché lo stesso fascio ionico garantisce un consistente apporto di calore.