ITLE20100001A1 - Sistema a palette per la raccolta-recupero di metalli in apparati per deposizione di film sottili. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell 'Invenzione avente per TITOLO:

“Sistema a palette per la raccolta/recupero di metalli ir apparati per deposizione di film<†>,

1) Stato del P' arte

Tecniche di deposizione.

La tecnologia di deposizione di film metallici sottili (dì seguito: li materiale target) su di substrato (dì seguito: superficie del campione) si differenzia essenzialmente in (cfr. [']): 1 -evaporazione termica. 2- evaporazione a fascio di elettroni, 3-deposizione per sputtering, 4-deposizione di vapore ad arco, 5 -placcatura ionica.

L’idea di base à ̈ sempre la stessa: le particelle dei materiale target da depositare sono rese in grado di sfuggire atomisticamente dalla superficie del materiale bulk, vengono trasportate atraverso la camera e raggiungono la superficie del campione. Una volta li, condensano formando il film desiderato.

L<’>evaporazione, termica ed a fascio elettronico, richiede la vaporizzazione del materiale di riscaldamento a temperature elevate. L'unica differenza fra le due tipologie à ̈ il sistema usato per riscaldare la maggior parte dei<L>crogiolo’, nel primo caso Γ Joule e nel secondo un fascio di elettroni ad alta energia. In queste tecniche, la presenza di una camera ad alto vuoto (10<'?>-10<†̃s>torr) à ̈ fondamentale al fine di ottenere una buona qualità del film depositato. Inoltre, ci sono tre fattori che suggeriscono di usare camere di dimensioni più grandi (altezza fi) del campione utilizzato nel processo di deposizione: 1. ci deve essere spazio sufficiente per contenere le caratteristiche essenziali, come uno shutter, l’ingresso del sistema di aspirazione, [†̃analizzatore di massa depositata, ecc, 2. il riscaldamento della zona del campione va evitato [<l>]; 3. 1 uniformità del film evaporato peggiora [<3>] aumentando la superficie del campione (dimensioni laterali /). Ne consegue che non à ̈ affato raro l 'utilizzo di elevati rapporti tra la superfìcie della camera da vuoto e quella del campione, il fenomeno fìsico che e alla base delF evaporazione termica à ̈ un processo intrinsecamente non- direzionale, in quanto la distribuzione nelle direzioni degli atomi emessi segue un andamento in coseno<11>, generalizzazione sperimentale della legge: dh'f, ìd.4iCOSÃŒJ? COS £9/,T7<j '>dove Ms/Asà ̈ la massa depositata per unità di superficie, q à ̈ l'angolo dì emissione e r la distanza dalla sorgente.Questo significa che abbiamo a che fare con percentuali importami del flusso evaporato totale che si depositano sulla superficie della camera lontano dal campione.

Anche nella deposizione per sputtering gli atomi espulsi a causa del f'impatto hanno ancora una distribuzione coseno a prescindere dall’angolo di incidenza dei †̃proiettili<7>f

Nella tecnica ad arco-vapore, invece, gli ioni prodotti dai materiale possono essere selettivamente guidati verso la zona dì interesse avvalendosi di superimi con voltaggi applicati (acceleratori), o dell'azione combinata di campi magnetici.

Infine, la placcatura ionica si differenzia dai casi precedentemente considerati solo a causa dell’ambiente al plasma in cui essa sì svolge.

Camere da vuoto

Le camere a vuoto sono in acciaio inossidabile e le più utilizzate hanno in genere strutture c forme molto semplici [<4>]: parallelepidica; a campana: a forma di D, cilindrica.

Un altro elemento che può variare à ̈ l’accesso alla camera. Le forme a D e a campane hanno un’apertura laterale, mentre le forme parallelepidica e cilindrica hanno la finestra di accesso posta sulla parte superiore della camera stessa.

Il campione à ̈ di solito montato sulla parte superiore della camera. Un sistema otturatore provvede, se necessario, a formare una barriera per impedire che il flusso del materiale da depositare entri in contatto con la zona del campione. Quando non in uso, questo schermo e di solito collocato in una zona separata vicino alla sommità.

Procedure di manutenzione e pulizia

Gli strumenti utilizzati per i processi illustrati sono molto robusti e richiedono poche procedure di manutenzione [<4>], In particolare la pulizia della camera à ̈ un processo raro e poco accurato se non necessario a causa di contaminazioni di sostanze pericolose/ indesiderate.

2) Descrizione del progetti).

L'idea concettuale che conduce alla formulazione di questo brevetto à ̈ semplice Pensando alla geometria della camera a VUOLO, alla dimensione ridotta cd al posizionamento del campione e alla difficoltà di affrontare la proiezione di atomi del bersaglio solo verso il campione. à ̈ evidente che la maggior parte del materiale evaporato si diffonderà nella camera e si depositerà su superfici interne, in zone dove à ̈ dei tutto inutile, in generale, le interfacce metallo-metallo hanno una buona adesione [Q. Ciò significa che, in particolare, i metalli accidentalmente depositati sulle pareti della camera di acciaio in vari processi per tutta la vita utile della macchina saranno sprecati formando diversi strati ad alta adesione, ciascuno con uno spessore abitualmente di 0,1-5 pm. La nostra proposta c r'inserimento di uri semplice sistema elettro-meccanico all' interno della camera da vuoto della struttura di deposizione: questo consentirebbe di recuperare alte percentuali del materiale sprecato (in particolare nelle tecniche di evaporazione- sputtering) c selezionarlo fra due diversi tipi rendendo piu semplice rimuoverne gli strati depositati dalla camera da vuoto. Questo sistema secondo la nostra proposta si compone di un modulo di base (fig. 1), suddiviso in un modulo- motore die attiva un sotto -modulo (di seguito 'semplice<'>- nella fig.1 ne à ̈ mostrato solo uno, ma possono essere diversi a seconda delle loro dimensioni e pertanto della potenza richiesta all’unità motrice); all<:>interno di questa prima differenziazione si distinguono inoltre:

1.Sotto-modulo rotante Λ costituito da palete in materiale composito (Al), n.2 ruote (Λ2 e A3) e due supporti a carrello (A4/A5, inferiore e superiore) nella tavola 1 ,

2.Sistema elettromotore, composto a sua volta da un motore elettrico (C 1 ), una puleggia (C2) e una carena di trasmissione (D) collegata alle ruote dei singoli moduli (fig.2);

3. Ruote di collegamento per trasmetere il moto ai sottomoduli non semoventi (E) (fig.3); 4. Telaio snodato per sostenere e collegare i moduli insieme, con elementi sia verticali (Bl), sia orizzontali (.62) come in fig.4a;

5. Interfaccia con il sistema di controllo elettronico che sovrintende le fasi del processo. Tn una soluzione alternativa (fig. 3), si possono impiegare solo le ruote A2 (le A3 vengono rimosse.)e le ruote di collegamento (E) vengono spostate nei pressi della base di ciascun modulo. In questo modo viene sfruttato più spazio per recuperare metalli, e l'unico svantaggio à ̈ un movimento meno fluido delle palette stesse ( maggiore probabilità di blocchi meccanici). Il progetto e modulare in modo che sia adattabile alle diverse tipologie di camere a vuoto attualmente in commercio e descritte in precedenza. E per questo che tutte le figg. sono intese in dimensioni arbitrarie: modelli diversi potrebbero essere prodotti in modo da migliorare la compatibilità con alcuni tipi di sistemi. In fig. 4a à ̈ raffigurata una disposizione tipo con le palete installate (le catene di trasmissione non sono visualizzate) di quatro elementi modulari in configurazione a singola catena, su due file.

L'idea à ̈ che parte del metallo evaporato andrà a depositami sulle palette. Un calcolo approssimativo delle percentuali di copertura che possono essere raggiunte può essere fato a partire dal prospeto in fig 4b: Rapporto superfìcie coperta/ totale: 1323 2012 — 66% Se i giunti non sono necessari in quanto la forma della camera à ̈ dritta, le finestre lasciate libere tra i diversi 'piani' della struttura possono essere ridotte per raggiungere percentuali di copertura più elevate.

Il telaio con le palette sarà collocato tra il crogiolo e le pareti della camera, evitando tre zone: * la zona in cui à ̈ posto il campione, di solito nella parte superiore.

* le zone laddove siano collocati ulteriori strumenti di analisi -modifica del film (ad es., l’analizzatore di massa) generalmente posti nella parte superiore della camera, salvo casi particolari [<4>],

* Le aperture che consentono l'accesso alla camera da vuoto poste in cima alla struttura o sulle sue superfici laterali .

Come risulta dalle fìgg. indicate in precedenza., il sistema non à ̈ installato nella partesuperiore, questa viene esclusa perché la superficie non interessata dalla deposizione di solito e molto piccola. Eventuali finestre sui lati possono essere lasciate libere facendo uso dello scheletro di supporto ed evitando il montaggio delle palette nelle zone interessate.

Le palette possono essere installate nelle scanalature dei carrelli presenti sulle parti orizzontali del telaio snodato per semplice scorrimento. Il carrello superiore (À5) può scorrere lungo la paletta o esserne parte. Nel primo caso à ̈ necessario un sistema di sospensione, come quello mostrato nella fig.Sa, altrimenti una semplice scanalatura di inserimento può essere ricavata all'interno dell'elemento orizzontale B2 (fìg. 5b), combinata con un sistema a molla nel carrello inferiore per assicurare la tenuta del supporto.

Le palette sono pensate in una lastra metallica per applicazioni di alto vuoto (dr. [1]), ricoperta su entrambi i lati con materiali polimerici adatti allo stesso campo di applicazione, la scelta particolare può essere effettuata, caso per caso, attraverso considerazioni di adesione |f] col materiale target utilizzato prevalentemente.

Abbiamo adottato un sistema a palette, perche gli strumenti utilizzati in strutture di ricerca hanno di solito pesanti vincoli sullo spazio disponibile all'interno e la rotazione delle palette dovrebbe avvenire entro la quantità minima di spazio possibile, Le due fasi di rotazione delle palette, ottenute attraverso il sistema elettromotore, permettono il recupero dì un materiale target (scelto in base alla facilità/comodità di separazione e di riutilizzo) che sì andrà a depositare in forma di lastra uniforme su un lato (definito †̃a<1>) e degli altri materiali in forma di film sovrapposti sul lato opposto (V). L'interfaccia elettronica dovrebbe essere in grado dì identificare, durante i processi di deposizione, quando il materiale target viene utilizzato: allora la faccia della palette rivolta verso il flusso di atomi espulsi sarà la 'a’. Ogni volta che un altro materiale sarà depositato, una rotazione di ISO<1,>esporrà il lato †̃b<1>.

Per non rovinare il vuoto, tutte le meccaniche non possono essere lubrificate, ma dato che non sono necessari movimenti rapidi; à ̈ sufficiente che il comando di rotazione venga dato in anticipo rispetto all’eventuale cambio di materiale evaporato.

Una trasmissione a catena, anche se più complessa di un treno d'ingranaggi, à ̈ stata preferita al fine di ridurre il rapporto r / 1 e quindi evitare effetti d’ombra ohe possono divenire importanti nella parte superiore delia struttura.

Alla fine del ciclo di vita delle palette, queste possono essere smontate e sottoposte a un semplice processo di etching in modo che il materiale target possa essere immediatamente ottenuto, seguiranno procedure di separazione chimica più raffinate al fine di recuperare gli altri scarti metallici.

Vantaggi.

Ài momento non c'à ̈ alcuna particolare procedura di manutenzione di routine su camere di evaporatori per recuperare i metalli depositati all’interno, Ci sono varie ragioni per esitare una tale pratica; 1) allo stato dell<3>arte, si tratta di un’azione difficile e richiede tempi lunghi, 2) durante queste procedure le macchine non possono essere utilizzate, 3) il 'grattare’ le pareti potrebbe rendere necessario un ricondizionamento della camera per garantirne il funzionamento. 4) il risultato delle operazioni di pulizia sarebbe una polvere di materiali diversi intimamente mescolati, che si recuperano con procedimenti chimici molto accurati. Al momento, ì proprietari dì tali macchinari aspettano la fine del ciclo di vita di tali attrezzature (anche piu di 10 anni) per poi venderla come scarto ad aziende specializzate nel recupero dei metalli.

Con l'adozione del sistema sopra descritto, il recupero di almeno un materiale target diviene una semplice operazione di routine. Il che à ̈ conveniente e remunerativo per il recupero di Au, Ag ed altri metalli preziosi anche in piccole scale, senza tener conto dell<1>Al che da solo copre il 90% dei processi di deposizione [<4>j ed ha buona adesione col Fe della camera.

Bibliografia.

[’ J Mattox, D.M. - "Handbook of PVD processes<7>(1998) Noyes Publ.

[<2>] Holland, L. - †̃Vacuum deposition of thin films<5>(1956) Chapman Hall

V] Ohring. M. - †̃Materials Science of Thin films : Deposition and Strutture’ (2002) Elsevier [<4>j Bunshah (ed.) - †̃Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings’ (1994) [<">] Lee, LJT. - †̃Fundamentals of adhesion<3>(1991) Plenum

f Chatterjee, S. - †̃Analysis of surface preparation treatments<?>, J. Mat Sci. 3Ξ (1997) 2827

Claims (2)

1. Rivendicazioni Si ritengono innovativi ed allo stato attuale mai implementati i seguenti punti salienti dell'invenzione proposta: 1. Sistema modulare di raccolta per schermatura di materiale di scarto composto da strutture assemblabili e mutuamente orientabili per favorire l’adattamento a qualsiasi forma interna delie diverse camere di evaporazione/sputtering per processi di deposizioni di film-sottile. Il sistema à ̈ composto da due diverse tipologie di sottomoduli: il sottomodulo semplice e il sottomodulo motore [fig.l]. 2. Il sottomodulo semplice à ̈ composto da elementi standard: (a) placca fissa di supporto orizzontale [fig.2, B2J provvista di due diversi alloggiamenti, uno nella parte superiore, per Γ intrusione tubolare a cui imperniare (b) ruote dentate [fig.3, A2] e uno nella parte inferiore per ospitare il (c) sistema di sospensione [fig.5a]; (d) palette rettangolari [Tavola 1], inseribili per scorrimento lungo i lati corti in (e) carrelli o guide a U, con (f) inserti tubolari collocati sul lato opposto rispetto a quello di scorrimento della paletta. L’inserto della guida inferiore à ̈ connesso rigidamente alle ruote dentate imperniate nelle placche, quello superiore à ̈ connesso rigidamente ad un (g) disco o molla (in funzione del tipo di sistema di sospensione), collegati solidalmente alle guide ed alloggiati, ma liberi di ruotare, alT delle placche (il loro inserimento in vani d’alloggio corrispondentemente discoidali o tubolari sarà agevolato da una guida apposita[fig.5a]). 3. Il sottomodulo motore à ̈ caratterizzato dall’inserimento di un organo motore in uno degli alloggiamenti (o slot) che ospitano le palette di raccolta di un sottomodulo semplice. L’organo motore permette la rotazione delle palette di raccolta attraverso un meccanismo di trasmissione della forza motrice a) a catena agli altri slot del medesimo modulo [fig.2, D] ; b) a ruota dentata agli altri sottomoduli semplici [fig.
2. 2. E], 4. Struttura di supporto e di collegamento verticale dei diversi sottomoduli (riv. 2,3) costituita da un telaio tubolare che connette le diverse placche orizzontali [fìg.4a, Bl] e da una serie di giunti che permettono un adattamento direzionale preferenziale dei sottomoduli [fig.4a, Giunti], ed evitano l’occultamento di eventuali sensori preesistenti nella camera 5. Adozione di palette asportabili inseribile nelle guide a U (riv. 2, punto e) e attivate in due diverse configurazioni dagli organi motori (riv. 3). Le diverse configurazioni permettono la raccolta di un materiale, considerato di recupero prioritario, su un unico lato ( configurazione A), e la raccolta di un insieme di altri materiali di utilizzo comune alTintemo della camera, sull’altro lato della paletta ( configurazione B). Il materiale raccolto, in assenza dello schermo costituito dalle palette, sarebbe da considerarsi di scarto nell’economia del processo. 6. Utilizzo di materiale composito per le palette (riv. 5), caratterizzato da un nucleo di materiale metallico o allumina (adatti a condizioni di Ultra Alto Vuoto), e da due layers superficiali di polimero (PoliVinilAlcool, PoliMetilMetAcrilato) facilmente asportabile (con bassa adesione al metallo prescelto) ma resistente alle condizioni di temperatura-pressione della camera 7. Interfaccia elettronica tra l’organo motore e il sistema informatico di controllo dell’evaporazione al fine, di automatizzare la rotazione delle palette in base al materiale da evaporare.