Quando un impianto industriale di deposizione in ultra alto vuoto (UHV) raggiunge la sua pressione di base, generalmente dell’ordine di 10-6 mbar (cioè un miliardesimo della pressione atmosferica), nell’ambiente di lavoro è ancora presente un’enorme quantità di particelle: più di 26 miliardi per centimetro cubo. Di cosa è costituito questo residuo? Generalmente dalle stesse specie gassose che sono normalmente presenti nell’aria: azoto, ossigeno, vapore acqueo e tracce di altre sostanze. La composizione esatta della miscela presente dipende naturalmente dalle condizioni dell’ambiente in cui si trova il sistema, dal tipo e dal grado di pulizia dei substrati da trattare, dal livello di contaminazione delle superfici interne della camera, dal tipo e dall’efficienza del sistema di pompaggio e da una serie di altri fattori spesso difficili da controllare. Se necessario, è sempre possibile misurare la composizione utilizzando uno strumento chiamato RGA (Residual Gas Analyzer), che non è altro che uno spettrometro di massa.
Molti processi industriali di deposizione sotto vuoto richiedono un ambiente con una composizione controllata: una certa quantità di gas tecnici ad alta purezza viene quindi alimentata continuamente nelle camere, utilizzando valvole a flusso controllato chiamate MFC (Mass Flow Controller). In questo modo, stabilendo un equilibrio tra il flusso in entrata e quello in uscita, generato dal sistema di pompaggio, è possibile stabilire una condizione di equilibrio che corrisponde a quella che viene definita “pressione di lavoro” del sistema. Il valore di questa pressione varia a seconda del processo considerato: nella tecnica chiamata magnetron sputtering (MS), ad esempio, è dell’ordine di 10-2 mbar, quindi diecimila volte maggiore del valore di pressione di base menzionato sopra. Possiamo quindi dire che i gas residui presenti saranno fortemente diluiti dal flusso di gas introdotto nella camera, chiamato anche gas di lavoro: il loro effetto sul processo sarà quindi generalmente trascurabile.
Oltre a questo, ci sono molte altre applicazioni dei gas tecnici nella tecnologia del vuoto: ad esempio, rilevamento perdite, ventilazione in atmosfera controllata, utilizzo come gas reattivi nei processi PVD e CVD, ecc.
Ma quali sono i gas più utilizzati? L’elenco completo sarebbe molto lungo, quindi ci limiteremo ai più comuni.
La prima categoria che deve necessariamente essere menzionata è quella dei cosiddetti gas nobili: sono quelli che non danno facilmente reazioni chimiche, si trovano nell’ultima colonna (gruppo) della tavola periodica. Vengono utilizzati per vari motivi: il primo è che sono, di fatto, gas inerti, che permettono di gestire la pressione nella camera senza dare reazioni di alcun tipo con i substrati. Pertanto, vengono spesso utilizzati come diluenti, nel caso in cui un’altra specie chimica debba essere introdotta nell’ambiente di lavoro, in piccole quantità. Un altro motivo per cui i gas nobili vengono utilizzati deriva dal fatto che alcuni di essi hanno un potenziale di prima ionizzazione particolarmente basso, cioè sono in grado di perdere facilmente un elettrone diventando ioni. Sono, quindi, particolarmente apprezzati nel caso in cui sia necessario generare un plasma, come nel caso della tecnica di magnetron sputtering menzionata sopra.
Il gas nobile più utilizzato nel settore del vuoto è certamente l’argon (simbolo chimico Ar, il nome deriva dalla parola greca per “pigro”), un elemento molto poco reattivo, facilmente ionizzabile e di basso costo. L’Ar si ottiene facilmente per distillazione dell’aria liquida, costituendo quasi l’1% in volume dell’aria che respiriamo. Inoltre, è disponibile commercialmente in qualsiasi località del mondo poiché viene utilizzato in molti processi, che vanno dalla metallurgia alla saldatura, alla tecnica subacquea, alla chirurgia, ecc.
Un altro gas nobile molto utilizzato è l’elio (simbolo chimico He, dal termine greco per “sole”), che è anche il gas più leggero esistente e il secondo elemento più leggero, dopo l’idrogeno. È un elemento molto abbondante nell’universo, ma è quasi assente nell’atmosfera terrestre: solo 5 parti per milione. Si ottiene quindi principalmente separandolo dal gas naturale, in cui è presente come conseguenza della sua origine: il decadimento radioattivo naturale di elementi come il torio e l’uranio, che avviene spontaneamente nel sottosuolo. Una curiosità: l’elio, una volta utilizzato e rilasciato nell’atmosfera, sfugge facilmente nello spazio, costituendo quindi una risorsa non rinnovabile. Nella tecnologia del vuoto, l’elio viene utilizzato come gas diluente, e anche come tracciante per la ricerca di perdite, poiché ha la caratteristica di diffondersi facilmente e rapidamente anche attraverso le fessure più sottili.
L’elenco continua con l’azoto (simbolo chimico N, dal termine greco per “senza vita”), un gas che costituisce il 78% dell’aria che respiriamo, in cui N2 è presente nella sua forma diatomica stabile. Si ottiene per distillazione dell’aria liquida, è economico e relativamente inerte. È quindi un gas “tuttofare”, che può essere utilizzato in grandi volumi come diluente in alcuni processi di deposizione (ad es. ALD), ma anche come gas reattivo (ad esempio nello sputtering reattivo del nitruro di titanio) e per la ventilazione di una camera riducendo la contaminazione delle superfici interne, essendo venduto in forma praticamente anidra.
Il gas successivo è l’ossigeno (simbolo chimico O), un altro gas diatomico presente in quantità abbondanti nell’aria, di cui costituisce più del 20% in volume come O2. Questo gas viene spesso utilizzato, solitamente in piccole concentrazioni, diluito da un gas inerte e sotto forma di plasma, per pulire i substrati, poiché è in grado di eliminare completamente qualsiasi contaminazione organica presente, ossidandola ad acqua e anidride carbonica. Inoltre, viene utilizzato come gas reattivo nei processi PVD e CVD.
Conclusioni
L’ultimo gas appartenente all’élite di quelli utilizzati nelle applicazioni in ultra alto vuoto è il metano (formula chimica CH4). Questo composto viene spesso utilizzato come fonte di carbonio nella produzione di rivestimenti DLC (Diamond-Like Carbon), che hanno assunto una notevole importanza industriale, soprattutto nel mondo degli utensili. Parlando di metano, vale la pena ricordare che è un composto che può formare miscele esplosive se miscelato con l’aria, quindi è necessario che l’impianto in cui viene utilizzato sia dotato di un sistema di pompaggio certificato Atex.