L’obiettivo di questo breve tutorial è definire quali materiali siano trattabili mediante processi di deposizione in alto vuoto. Si tratta di un tema importante per chi si avvicina per la prima volta ai processi di deposizione, magari pensando di applicarli ai propri prodotti.
L’analisi di fattibilità di un processo di deposizione sottovuoto applicato a uno specifico prodotto presenta molti aspetti. Ad esempio: qual è l’obiettivo dal punto di vista tecnico? Il processo di deposizione sottovuoto è sostenibile dal punto di vista dei costi? È possibile raggiungere la produttività richiesta e, in caso affermativo, con quale tipo di sistema? È preferibile rivolgersi a un centro di rivestimento o è più conveniente considerare di portare il processo internamente?
Tra tutte queste domande, a cui l’ufficio tecnico aziendale, in collaborazione con un partner specializzato in processi di deposizione sottovuoto, è chiamato a rispondere, ce n’è una fondamentale che un’azienda dovrebbe porsi inizialmente: l’oggetto che voglio rivestire può essere effettivamente inserito in una camera a vuoto e sottoposto a un processo di deposizione?
La risposta a questa domanda è piuttosto complessa e comprende a sua volta diversi interrogativi: dimensioni dell’oggetto, posizione delle superfici da rivestire, compatibilità dei materiali che compongono l’oggetto stesso con l’ambiente di lavoro e i processi utilizzati: concentreremo la nostra attenzione su quest’ultimo aspetto.
Un approccio sistematico a questo problema può essere impostato partendo da una classificazione generale dei materiali che possono essere utilizzati per la realizzazione di un prodotto o di un componente che ne fa parte. In un caso abbastanza generale, possiamo quindi distinguere tali materiali in materiali metallici, materiali ceramici e materiali polimerici: analizziamo separatamente ciascuna di queste categorie.
Materiali metallici
Se il prodotto/componente da rivestire è costituito da un materiale metallico (metallo puro o lega), la situazione tende a essere favorevole rispetto ai processi di deposizione sottovuoto. In genere, infatti, questi materiali presentano una buona compatibilità con l’ambiente UHV (Ultra High Vacuum), presentando valori di outgassing – ovvero di rilascio di sostanze volatili – relativamente bassi. Naturalmente, le superfici metalliche devono essere preventivamente pulite, eliminando tracce di contaminanti – ad esempio oli e grassi – che potrebbero compromettere l’adesione del film depositato e creare problemi nel raggiungimento del vuoto di base e nel mantenimento della pressione di lavoro. Tuttavia, le tecniche di pulizia disponibili a livello industriale sono efficaci e consolidate, per cui il rischio tecnologico correlato è basso. Inoltre, se è richiesta la deposizione del film sottile direttamente sul substrato metallico, quasi tutti i materiali metallici devono essere trattati in camera a vuoto con processi preliminari (es. sabbiatura ionica), per eliminare lo strato di ossido superficiale presente.
Dal punto di vista dell’adesione del film sottile, un substrato metallico possiede caratteristiche potenzialmente eccellenti, avendo un’elevata energia superficiale – che è correlata alla forza di adesione – e essendoci la possibilità di riscaldare il substrato per favorire la ristrutturazione del materiale depositato senza che ciò comporti problemi per il substrato stesso, a condizione che si operi entro un intervallo di temperatura compatibile con le caratteristiche della lega in esame.
Inoltre, l’elevata conducibilità elettrica dei materiali metallici permette di evitare facilmente l’accumulo di cariche elettrostatiche, facilitando la gestione del processo di deposizione.
In generale, si può quindi affermare che i substrati metallici sono ottimi candidati per la deposizione di film sottili mediante quasi tutti i processi PVD (Physical Vapor Deposition) e CVD (Chemical Vapor Deposition), come – ad esempio – l’evaporazione termica, il magnetron sputtering, la deposizione ad arco catodico, MOCVD, ALD, ecc.
Tra le limitazioni da segnalare, ve ne sono alcune significative. Ad esempio: gli articoli realizzati con tecniche di fusione (es. pressofusione) possono presentare difetti come cricche e porosità che possono causare problemi di degassamento. Alcune leghe metalliche possono presentare uno strato di ossido superficiale la cui rimozione potrebbe risultare troppo lunga e complessa, se richiesta. È inoltre necessario tenere conto della differenza del coefficiente di espansione termica del substrato considerato rispetto al film depositato, possibile causa dell’insorgere di tensioni residue, ecc. Pertanto, sebbene la compatibilità di un substrato metallico con le tecniche di deposizione di film sottili sia tipicamente molto buona, ogni caso deve essere analizzato separatamente.
Materiali ceramici
Analogamente al caso dei materiali metallici, anche i materiali ceramici presentano generalmente un’ottima compatibilità con i processi di deposizione sottovuoto di film sottili. In particolare, l’elevata temperatura di fusione di questi materiali, la loro energia superficiale relativamente alta e il basso livello di degassamento li rendono materiali ideali per la maggior parte dei processi di deposizione PVD e CVD.
In genere, i materiali ceramici possono essere riscaldati a temperature pari all’80-90% della loro temperatura di fusione senza subire trasformazioni strutturali irreversibili e la loro superficie può essere pulita meccanicamente o chimicamente in modo rapido ed efficace, garantendo – da questo punto di vista – elevati livelli di adesione dei film depositati.
Alcuni tipi di materiali ceramici fanno eccezione a quanto sopra, principalmente a causa della loro struttura, che può essere caratterizzata, ad esempio, da un elevato livello di porosità. In questi casi, potrebbero sorgere problemi di eccessivo degassamento, che potrebbero rendere il processo difficile o antieconomico.
Materiali polimerici
Sono materiali che figurano spesso tra i candidati per un processo di deposizione sottovuoto, ad esempio per applicazioni nel settore del packaging, per applicazioni ottiche (lenti per occhiali, ecc.), per applicazioni aerospaziali, ecc. Pertanto, è spesso richiesta una valutazione di compatibilità con l’ambiente UHV o con i processi di deposizione considerati. Da questo punto di vista, devono essere considerati diversi aspetti:
- la temperatura massima a cui il materiale può essere sottoposto durante il processo di deposizione. È noto che un materiale polimerico perde significativamente le sue proprietà meccaniche al di sopra della cosiddetta temperatura di transizione vetrosa. È quindi necessario operare al di sotto di questa temperatura, il che può portare a problemi per quanto riguarda l’adesione del film sottile depositato con il substrato e la sua coesione. Va inoltre considerato che, in alcuni processi di deposizione, la temperatura superficiale del substrato può aumentare significativamente a causa del calore latente di condensazione rilasciato dal materiale in fase di deposizione. Ciò può potenzialmente portare a deformazioni o addirittura alla degradazione termica del substrato stesso.
- L’energia superficiale del materiale polimerico. L’energia superficiale di un polimero è generalmente bassa, se confrontata con quella di un materiale metallico o ceramico. Ciò rende difficile innescare i processi di deposizione per nucleazione e crescita in modo uniforme sulla superficie stessa: pertanto è spesso richiesto un pre-trattamento del materiale (es. trattamento corona o con plasma atmosferico), chiamato attivazione, con l’obiettivo di aumentare l’energia superficiale.
- Un materiale polimerico può contenere, nella sua formulazione, anche sostanze a basso peso molecolare (es. plastificanti, assorbitori UV, pigmenti organici, ecc.) che possono evaporare se posti in ambiente UHV, contaminando la camera di lavoro e modificando le proprietà fisico-chimiche del substrato. Di questo fatto si deve tenere conto quando si tratta di verificare la compatibilità del materiale considerato con un processo di deposizione di film sottili.
- La rugosità superficiale del materiale polimerico considerato deve essere compatibile con lo spessore del film da depositare, per evitare discontinuità geometriche del film stesso. Va notato che la rugosità superficiale di un materiale polimerico può variare considerevolmente a seguito dei trattamenti di pulizia/attivazione effettuati, che devono quindi essere definiti con cura.
Per queste (e altre) ragioni, la compatibilità di un materiale polimerico con un processo di deposizione di un film sottile in ambiente UHV è di problematica definizione, richiedendo spesso una serie di studi preliminari. Questo serve anche a mettere a punto i parametri di processo e ottenere i migliori risultati possibili.
Naturalmente, oltre alla classificazione presentata, esistono anche altri tipi di materiali che non rientrano tra quelli descritti. Ad esempio, alcuni materiali composti da più fasi sono di notevole interesse per quanto riguarda la deposizione di film sottili: un esempio è il widia, composto da una matrice di cobalto (materiale metallico) in cui sono disperse particelle di carburo di tungsteno (materiale ceramico), un materiale tipicamente utilizzato per la produzione di utensili da taglio. In questi casi, l’analisi di compatibilità può certamente essere effettuata considerando le caratteristiche delle singole fasi, ma – in generale – è prudente considerare anche le possibili interazioni tra le fasi stesse.
Un’altra categoria di materiali che non rientrano nella classificazione proposta sono i vetri. Si tratta di materiali ampiamente utilizzati come substrati nella deposizione di film sottili, sia ovviamente perché sono materiali otticamente trasparenti, sia per la loro eccellente compatibilità con l’ambiente UHV e con praticamente tutte le tecniche di deposizione. Ciò è dovuto all’elevata temperatura che sono in grado di tollerare, al basso valore di rugosità superficiale con cui il vetro può essere prodotto, alla facilità con cui si può ottenere una superficie priva di contaminazioni e al favorevole valore di energia superficiale.
Conclusioni
Analizzare la possibilità di applicare un trattamento di deposizione di film sottili sulla superficie di un prodotto è un processo di analisi complesso. Uno dei primi passi è definire la compatibilità dei materiali con cui il prodotto è realizzato con l’ambiente UHV e con i possibili processi di deposizione. In questo breve tutorial sono state riportate alcune considerazioni generali che possono permetterti di impostare un’analisi basata su una semplice classificazione dei materiali.