lavaggio
IL PLASMA NEL LAVAGGIO
Lavatrice al plasma installata presso la Lasme
Una tecnologia innovativa e interessante, anche se ancora poco
diffusa nel nostro paese. Gli utilizzatori devono prestare la massima
attenzione verso chi commercializza impianti cavia,
non testati ed erroneamente progettati.
MASSIMO TORSELLO
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ANNO XI – N.43 – SETTEMBRE 2005
lavaggio
INTRODUZIONE
L’interazione tra due o più sostanze
è regolata da una serie di fenomeni
che inizialmente avvengono negli
strati molecolari più esterni dei materiali interagenti. Le caratteristiche
chimico-fisiche di una superficie risultano quindi fondamentali in tutti
quei processi industriali che prevedono fasi di trattamento superficiale
(adesione, verniciatura, deposizione,
eccetera).
Un parametro in grado di fornire
indicazioni utili sulla reattività di una
superficie, è la tensione superficiale
(o energia libera superficiale). Essa ha
origine dal fatto che gli atomi e le
molecole presenti alla superficie, o in
prossimità di essa, si trovano in un
campo di forze non uniforme,
essendo soggetti ad una forte attrazione verso l’interno del materiale,
non controbilanciata da forze esterne
alla superficie. La tensione superficiale
può essere misurata utilizzando tecniche quali la goniometria di angolo
di contatto.
CONTAMINAZIONE
E SPORCO
Un’elevata energia superficiale indica
una forte reattività della superficie,
che può essere responsabile della formazione di strati superficiali di ossido
più o meno spessi. La superficie dell’ossido ha una energia superficiale
ancora elevata, che può provocare
l’adsorbimento di vapori presenti in
ambiente, come acqua ed idrocarburi, fino al raggiungimento della
saturazione. Ne consegue che alla
superficie di un materiale possono
essere presenti diversi strati molecolari di acqua adsorbita, acidi grassi,
olii e altri idrocarburi, il cui spessore
e le cui specie dipendono dal tipo di
superficie e dal tipo di vapori presenti
nell’ambiente.
Questi strati di adsorbati vengono
METAL CLEANING & FINISHING
chiamati “contaminazione” e possono influenzare negativamente le
caratteristiche del materiale e le sue
prestazioni, durante le eventuali successive fasi di lavorazione e/o di trattamento della superficie.
Al di sopra di questo strato, caratterizzato da un forte legame chimico
tra contaminazione e superficie, può
accrescersi un ulteriore strato di contaminanti, debolmente legati alla
superficie stessa, detto “sporco”.
La rimozione di quest’ultimo avviene
generalmente mediante processi di
lavaggio con detergenti o con solventi, in quanto lo sporco ha una
maggiore affinità per l’agente di lavaggio che per la superficie.
Al contrario, la rimozione della “contaminazione” adsorbita risulta più
difficile da parte di un agente di lavaggio, proprio a causa del forte legame
superficiale. Un processo in grado di
rimuovere tale strato viene denominato “lavaggio critico”.
Il lavaggio critico è un processo che
coinvolge una serie di reazioni chimiche; i legami chimici presenti tra
lo strato adsorbito ed il substrato,
devono essere rotti per poter rimuovere il contaminante. Ciò può avvenire solo quando l’energia del reagente
è sufficientemente elevata per rompere i legami chimici esistenti. Nel
caso, ad esempio, di un trattamento
a caldo in un forno, questa energia è
fornita al sistema direttamente sotto
forma di calore. Nel caso del lavaggio chimico, l’energia viene fornita
mediante l’uso di sostanze fortemente
reattive quali, ad esempio, gli acidi
inorganici. Ma i processi che si basano
su questi metodi, risultano spesso
troppo aggressivi e inadatti a molti
materiali. Inoltre essi risultano essere
processi costosi e spesso problematici
dal punto di vista ambientale e della
sicurezza.
Un metodo alternativo per l’asportazione della “contaminazione” organica chimicamente legata al substrato,
è il lavaggio al plasma.
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IL PROCESSO
AL PLASMA
Con il termine plasma si intende uno
stato della materia costituito da un
gas parzialmente o totalmente ionizzato, in cui sono presenti e/o si formano e coesistono numerose specie
attive (particelle cariche quali elettroni
liberi, ioni positivi e negativi; particelle neutre, chimicamente attive,
come i radicali liberi e atomi e/o
molecole nello stato eccitato).
L’elevata energia associata a questo
stato della materia è la caratteristica
principale che ne permette l’utilizzo
efficace nei processi di lavaggio e di
trattamento superficiale in genere;
infatti, oltre al lavaggio vero e proprio, il trattamento al plasma può
essere utilizzato, ad esempio, per
asportare meccanicamente del materiale da una superficie oppure per
“attivarla” chimicamente ed aumentarne la bagnabilità, cioè il valore di
tensione superficiale (con il fine, ad
esempio, di ottimizzare una successiva fase di verniciatura o di deposizione di adesivi o inchiostri), oppure
per alterarne le proprietà elettriche
(riduzione della carica statica ed
aumento della conducibilità), oppure
per incidere la superficie (etching - è
questo ad esempio il caso della produzione di microchip).
Al contrario però, la densità di
potenza utilizzabile non può essere
eccessiva, altrimenti si può correre il
rischio di danneggiare la superficie
-4
trattata (valori tipici vanno da 10 a
1 W/cm3).
Il plasma può essere prodotto sia
attraverso l’utilizzo di elevate temperature, sia attraverso l’applicazione
di forti campi elettromagnetici.
Inoltre, esso può essere prodotto sia
ad alta pressione (>1 bar) che a bassa
pressione: nel primo caso si parla
anche di “plasma caldo”, mentre nel
secondo caso si parla anche di “plasma freddo”. La differenza consiste
nel fatto che, mentre nel “plasma
lavaggio
Operazioni di carico dei tappi in PP
caldo” la temperatura degli elettroni
e quella degli ioni è comparabile, nel
“plasma freddo” gli ioni hanno energie (e quindi temperature) molto
minori rispetto agli elettroni e quindi
la temperatura media del plasma
risulta sufficientemente bassa (inferiore a 80°C).
E’ possibile ottenere un plasma caldo
mediante una scarica a scintilla, ad
arco o a corona. In questo caso le
molecole del gas sono abbastanza
calde da sciogliere o bruciare il metallo
e questo è il principio alla base della
saldatura ad arco e del taglio al plasma.
Nel campo del trattamento superficiale, il plasma utilizzato è quello
freddo (a bassa pressione) prodotto
mediante applicazione di forti campi
elettromagnetici.
Il plasma freddo viene generato semplicemente applicando un campo
elettrico continuo (DC) o ad elevata
frequenza (RF a 13,56 MHz o
microonde a 2,45 GHz) tra due elettrodi posizionati all’interno di un
volume (camera di processo o “reattore”) sotto vuoto parziale, con valori
di vuoto tipicamente compresi nell’intervallo tra 0,1 e 1 mbar.
All’interno di questo intervallo si
possono distinguere due ulteriori sottoinsiemi: per pressioni inferiori a
0,5 mbar si parla di plasma fisico
(non termico); al di sopra dei 0,5
mbar si parla di plasma chimico (o
termico). La differenza tra i due consiste nel fatto che nel plasma termico
sono presenti un numero maggiore
di particelle e quindi il libero cammino medio che esse percorrono
all’interno del volume è inferiore ed
è maggiore il numero di collisioni e
quindi il trasferimento di energia,
con conseguente innalzamento della
temperatura.
Infatti, quando un campo elettrico
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viene applicato ad un gas, tutti gli elettroni liberi e gli ioni presenti nel gas
vengono accelerati: gli elettroni liberi
e gli ioni negativi verso l’anodo e gli
ioni positivi verso il catodo. In queste condizioni, quando le particelle
subiscono delle collisioni, trasferiscono una elevata quantità di energia che può essere sufficiente a permettere l’emissione di un altro
elettrone da parte dell’atomo che
subisce la collisione e di radiazione
elettromagnetica. Si ha cioè la generazione di una nuova coppia elettrone-ione in grado di muoversi sotto
l’azione del campo elettrico, aumentare la propria velocità, acquistare
energia e collidere a sua volta. Si produce quindi un effetto a cascata che
genera un “brodo” di ioni, elettroni
liberi e altre molecole in uno stato attivato (come i radicali liberi).
Il plasma è quindi un sistema dinamico in cui è presente una continua
ANNO XI – N.43 – SETTEMBRE 2005
lavaggio
scissione e ricombinazione di particelle con un continuo scambio energetico tra di esse. La radiazione elettromagnetica emessa dipende dal tipo
di gas utilizzato ed è individuabile
soprattutto nel campo del visibile e
degli UV (qualcosa anche nell’IR ma
è trascurabile). La luce visibile emessa
è caratteristica del tipo di gas usato:
l’idrogeno diffonde una luce viola;
l’ossigeno un bianco grigio spento;
l’argon un arancione, l’elio un bianco
brillante.
Gli elettroni sono i veri portatori di
energia: provocano l’innesco per la
formazione del plasma vero e proprio
(mediante la loro collisione con le
altre particelle) e lo sostengono. Essi
partecipano anche al processo di pulizia, ma con minore intensità rispetto
alle altre particelle più pesanti. Sono
i responsabili della produzione dei
radicali liberi i quali, a loro volta,
provocano quelle reazioni chimiche,
sulla superficie del materiale, indispensabili per la riuscita del trattamento desiderato. Anche la radiazione UV emessa ha un effetto
parziale sul trattamento superficiale,
essendo una radiazione sufficientemente energetica (al fine di proteggere gli operatori dai possibili danni
provocati dall’esposizione a radiazione UV, gli oblò di ispezione presenti sullo sportello della camera di
processo devono essere costituiti da
un materiale particolare in grado di
filtrare gli UV; tipicamente viene
usato il plexiglass).
Si è visto che le collisioni giocano un
ruolo fondamentale all’interno di un
plasma, in quanto protagoniste indispensabili per l’effetto a cascata e
quindi per il sostentamento del plasma stesso.
Dal punto di vista energetico, quando
due particelle aventi massa differente
collidono tra loro, l’energia viene trasferita dalla particella più pesante a
quella più leggera; in un plasma, le
collisioni tra gli ioni (più pesanti,
massa circa 10-23g) e gli elettroni liberi
METAL CLEANING & FINISHING
(più leggeri - massa circa 10-27g) portano questi ultimi ad acquisire una
velocità più elevata degli ioni e poichè la temperatura di un gas è la
misura della velocità delle particelle
che lo compongono, si può affermare che in questo tipo di plasma gli
elettroni sono più “caldi” degli ioni.
La differenza di temperatura tra gli
elettroni e gli ioni è maggiore se il
campo elettrico utilizzato è oscillante
(AC) invece che continuo (DC);
infatti, la risposta degli elettroni all’oscillazione del campo elettrico è praticamente istantanea mentre gli ioni,
più pesanti, accelerano più lentamente. Aumentando la frequenza di
oscillazione del campo, questo effetto
viene amplificato: alle frequenze delle
microonde, il plasma può essere visto
come un gas di elettroni che si muove
avanti e indietro in un mare di ioni
praticamente fermi. In questo caso la
temperatura degli elettroni risulta
diversi ordini di grandezza superiore
a quella degli ioni e il plasma risulta
più omogeneo. Ma poichè la massa
degli elettroni è estremamente piccola,
la loro energia si dissipa immediatamente e il riscaldamento del substrato che deve essere pulito, risulta
minimizzato e quindi questo tipo di
plasma è particolarmente indicato
per il lavaggio dei materiali sensibili
al riscaldamento, come i polimeri.
IL PLASMA COME
AGENTE DI LAVAGGIO
Nel campo del lavaggio critico, il
processo al plasma è indicato per la
rimozione del materiale organico
(distaccanti, cere, olii, eccetera) presente su una superficie, specie se
uniformemente distribuito e di spessore non eccessivo, e degli ossidi che
si possono formare sulla superficie
stessa; risulta invece inefficiente nel
rimuovere le contaminazioni inorganiche e le contaminazioni solide
come ad esempio trucioli di lavora-
29
zione, polvere e particolato vario, o
le contaminazioni “pesanti” per le
quali risultano necessari tempi di trattamento lunghi. Risulta quindi a volte
indispensabile operare un opportuno
prelavaggio di tipo tradizionale
seguito da un processo di asciugatura, prima dell’utilizzo del plasma.
Dopo il lavaggio al plasma, invece,
non è necessaria alcun tipo di asciugatura poichè il processo è a secco.
La pulizia al plasma è quindi adatta
principalmente per trattamenti di
contaminanti a dimensioni molecolari, cioè per quei trattamenti in cui
lo sporco non è visibile ad occhio
nudo. Il trattamento funziona solo su
materia organica: polvere e particolato vario non viene interessato dal
plasma se non, in alcuni casi, perchè
subisce in qualche modo una attivazione che lo combina con le particelle
del plasma e gli consente di essere
asportato dalla pompa a vuoto. Anche
su strati di sporco (grasso ad es.) di
dimensioni superiori a quelle molecolari non è efficiente: in questi casi
è sempre consigliabile un pretrattamento di lavaggio tradizionale. E’
chiaro che in tutti quei casi in cui il
grado di pulizia richiesto non è particolarmente elevato, il trattamento
al plasma è poco consigliabile. E’ per
questo che le principali applicazioni
sono nel settore semiconduttori e circuiti stampati.
I reagenti utilizzati sono generalmente
gas singoli o in miscela, che vengono
introdotti all’interno della camera di
processo mediante un flusso continuo, in modo da garantire un elevato
grado di pulizia.
L’ossigeno è uno dei più importanti
gas di processo per il trattamento di
quasi tutti i tipi di materiali; esso è
particolarmente adatto al trattamento
dei polimeri e i migliori risultati vengono raggiunti con i polimeri più
comuni.
I gas inerti impiegano più tempo (23 volte maggiore) ad espletare l’azione pulente rispetto ai gas reattivi.
lavaggio
Un gas di puro Argon è il mezzo
meno aggressivo per rimuovere gli
idrocarburi mentre un gas di puro
ossigeno è in grado di rimuovere strati
di idrocarburi fortemente legati alla
superficie.
Nella tabella 1 sono elencati i principali gas di processo e le relative
applicazioni tipiche.
L’azione pulente del plasma può essere
di due tipi: fisica o chimica.
Si parla di “plasma fisico” quando gli
atomi ionizzati vengono accelerati in
linea retta verso una superficie allo
scopo di generare un impatto in grado
di pulire la superficie per rimozione
meccanica dei contaminanti, che vengono poi allontanati dalla camera di
lavaggio grazie all’azione di asportazione ed evacuazione in continuo
della pompa a vuoto.
Questo processo è del tutto simile
alla sabbiatura, solo che in questo
caso viene utilizzato del gas (tipicamente Argon) invece della sabbia.
Un parametro di processo critico è la
pressione del gas. A pressioni troppo
elevate lo spazio disponibile per l’acquisto di energia cinetica da parte
degli ioni risulta troppo piccolo e
quindi l’energia a disposizione per
l’azione meccanica è insufficiente. A
pressioni troppo basse si può avere
rimozione indesiderata di materiale
del substrato dovuta alla accelerazione troppo elevata acquistata dagli
ioni. E’ necessario quindi individuare
e mantenere le condizioni ideali di
processo in modo da rimuovere i contaminanti senza intaccare il substrato.
Le pressioni di lavoro per il plasma
fisico sono generalmente comprese
nell’intervallo 0,1-0,5 mbar.
Si parla di “plasma chimico” quando,
grazie all’azione del campo elettrico,
vengono prodotte all’interno del plasma (tipicamente generato da miscele
di gas contenenti ossigeno) delle
molecole altamente reattive che reagiscono con il contaminante, con-
vertendone le molecole in composti
volatili: il processo è, di fatto, una vera
e propria ossidazione. Infatti, portando dell’ossigeno atomico a contatto con una superficie contaminata
da sostanze organiche (che hanno
sempre C e H presenti nella propria
catena strutturale), l’ossigeno reagisce con l’idrogeno per formare H2O
e con il carbonio per formare CO e
CO2; in questo modo, i contaminanti organici presenti come solido
vengono trasformati e trasferiti in
fase liquida o gassosa e possono essere
successivamente allontanati dalla
camera di trattamento per mezzo di
un impianto di pompaggio a vuoto.
Se le sostanze organiche contengono
atomi di cloro o fluoro o altro,
anch’essi vengono trasformati in altri
sottoprodotti che vengono poi evacuati e scaricati in atmosfera. Qualora
la quantità di tali sottoprodotti fosse
eccessiva in termini di emissioni in
atmosfera, a valle della lavatrice al
GAS
APPLICAZIONE
Argon
Plasma fisico - Rimozione meccanica di contaminanti superficiali
Reticolazione - Facilita l’unione di due materiali differenti non
perfettamente compatibili
Ossigeno
Plasma chimico - Rimozione delle contaminazioni
Processi di riduzione delle superfici e di attivazione superficiale
Attacco della superficie - Rimozione del photoresist
Ossidazione di superfici - Miglioramento della bagnabilità
Azoto
Attivazione superficiale - Facilita l’adesione
Idrogeno
Plasma fisico - Rimozione meccanica di contaminanti superficiali
Processi di riduzione delle superfici
Ossido nitroso (N2O)
Plasma chimico - Rimozione delle contaminazioni
Ossidazione di superfici - Miglioramento della bagnabilità
Tetrafluoruro di carbonio (CF4) + ossigeno
Attacco chimico su superfici polimeriche
Esafluoruro di zolfo
(SF6) + ossigeno
Attacco chimico su superfici polimeriche
Rimozione del photoresist
Rimozione di film sottili di ossidi o nitruri
Tabella 1 - Gas di processo e relative applicazioni
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ANNO XI – N.43 – SETTEMBRE 2005
lavaggio
plasma deve essere installato un apposito sistema di abbattimento (generalmente uno scrubber). Il camino di
scarico in atmosfera è sempre a convezione naturale perchè la presenza
di elevate quantità di ossigeno nel
flusso può innescare un incendio o
una esplosione in caso di scintilla da
parte di un ventilatore.
L’efficienza del lavaggio al plasma
dipende molto dalla velocità di adsorbimento delle molecole attive del gas,
da parte della superficie contaminata: questa velocità è inversamente
proporzionale alla temperatura del
substrato; di conseguenza, le basse
temperature presenti all’interno della
camera di processo (di gran lunga
inferiori a quelle presenti in altri processi di decontaminazione, quali ad
esempio quelli termici), in un trattamento superficiale al plasma, permettono una elevata velocità di adsorbimento delle specie reattive, cioè
alte velocità di reazione e, quindi,
brevi tempi di applicazione.
Inoltre la possibilità di operare processi di lavaggio a basse temperature
risulta interessante per tutti quei materiali, come i polimeri, sensibili alla
temperatura.
L’utilizzo del plasma elimina altresì
il problema, presente in altre tecnologie, della permanenza sulla superficie trattata di residui dell’agente
pulente in grado di causare corrosione a lungo termine. Infatti, l’in-
terruzione dell’energia erogata, provoca lo spegnimento del campo elettrico e quindi l’immediato decadimento del plasma, che non è più in
grado di protrarre in modo indesiderato la sua azione.
La geometria degli oggetti da trattare
non costituisce un problema, in
quanto il gas riesce a raggiungere
zone inaccessibili ai liquidi quali pori,
fori ciechi, scanalature, fessure micrometriche, profili complicati, eccetera. Inoltre, nel lavaggio al plasma
possono essere processati assemblaggi
che contengono materiali diversi,
come gli “header pins”, costituiti sia
da componenti metalliche che plastiche.
Se ben progettato, un impianto di
lavaggio al plasma è in grado di processare un elevato numero di pezzi con
cicli caratterizzati da tempi di trattamento brevi, dell’ordine di qualche
minuto.
Le problematiche ambientali, di sicurezza e di smaltimento residui relative al processo al plasma sono
minime. Esso infatti non fa uso di
acidi, sostanze alcaline, solventi o
idrocarburi alogenati. Le reazioni
inoltre avvengono in una camera
ermeticamente chiusa e l’unico rifiuto
è lo scarico della pompa a vuoto.
La tecnologia del lavaggio al plasma
si è mostrata particolarmente indicata
per applicazioni nel campo dei materiali (pulizia di contatti ad elevata
conducibilità, dei wafer a semiconduttore, dei paraurti delle automobili), in campo medico e dell’equipaggiamento medicale (pulizia di
aghi per siringhe in acciaio inox e di
cateteri).
Come per tutte le tecnologie, al fine
di evitare inconvenienti sgraditi è
importante analizzare attentamente
la compatibilità del processo con i
materiali da trattare. Per esempio l’utilizzo del plasma può danneggiare i
circuiti stampati a causa delle tensioni troppo elevate che possono
essere indotte sui circuiti stessi, così
come l’azione di pompaggio può provocare il rilascio di umidità adsorbita
nel caso di materiali non adatti al
vuoto.
APPARECCHIATURE
PER IL LAVAGGIO
AL PLASMA
Le apparecchiature variano in dimensioni, dai piccoli forni a microonde
alle camere più grandi (fino a circa
10 m3 di volume) progettate per contenere ad esempio un certo numero
di paraurti. Il lavaggio discontinuo
(“batch”) è quello più comunemente
usato, ma il trattamento in continuo
viene ad esempio utilizzato per pulire
lastre plastiche o materiali su bobine.
Una configurazione tipica per un
impianto di lavaggio al plasma è la
CARICO
GABBIA
DI
FARADAY
RF
Figura 1 - Reattore cilindrico
METAL CLEANING & FINISHING
31
lavaggio
seguente:
❑ camera di processo (“reattore”) in
cui sono posizionati gli elettrodi
❑ gruppo di pompaggio in vuoto
❑ sistema di alimentazione e controllo del flusso dei gas
❑ sistema di alimentazione elettrica
(generatore) e controllo del plasma
❑ armadi elettrici e software di
gestione e controllo
❑ sistema di sicurezza e autodiagnosi
I processi di lavaggio al plasma sono
influenzati dai seguenti parametri:
❑ geometria del reattore e posizionamento degli elettrodi
❑ intensità e frequenza del campo
elettromagnetico erogato dal generatore
❑ portata del gas
❑ velocità delle pompe
❑ livello di vuoto
❑ gas utilizzati.
Geometria del
reattore ed elettrodi
Per geometria del reattore si intende
il dimensionamento, la configurazione ed il posizionamento degli elettrodi in relazione al tipo di pezzi da
trattare ed alla dimensione e forma
della camera di processo.
La geometria del reattore ha visto
una logica evoluzione nel corso del
tempo al fine di risolvere i problemi
tecnologici man mano messi in evidenza.
L’analisi approfondita delle caratteristiche che un sistema di lavaggio al
plasma “ideale” dovrebbe avere, ha
portato ad individuare quanto segue:
1. il plasma deve essere uniforme,
cioè l’efficienza di lavaggio deve
essere la stessa per ogni campione
presente nel reattore, indipen-
PEZZI
RF
Figura 2 - Reattore a piatti paralleli accoppiati
CARICO
CAPACITIVO
PLASMA SENZA ELETTRONI
Figura 3 - Reattore a configurazione “downstream”
32
dentemente dalla sua posizione
nella zona di carico
2. il settaggio dell’unità di potenza
deve essere indipendente dal livello
di carico, cioè dalla quantità di
oggetti trattati
3. la geometria del reattore deve
garantire la massima capacità di
carico
4. bisogna garantire l’assenza di danneggiamento elettrico anche sul
campione più delicato.
Il primo tipo di reattore realizzato
nel processo di lavaggio al plasma è
stato il reattore cilindrico.
Il campo RF viene applicato tra la
parete esterna della camera e uno
schermo perforato posto all’interno
ed elettricamente neutro (Schermo
Faraday). Il plasma viene creato tra
la parete interna della camera e la
parete esterna dello schermo Faraday.
Il carico da trattare viene posizionato
nella parte più interna di questa disposizione.
Lo schermo perforato, elettricamente
neutro ma non collegato a terra, rappresenta una barriera puramente meccanica all’ingresso del plasma nella
zona di lavoro, permettendo il passaggio solo di alcune specie costituenti il plasma. In questo caso il
generatore “vede” sia lo schermo
Faraday che il carico come capacità
induttiva. Poichè il livello di carico
può cambiare da ciclo a ciclo, ne
segue che il generatore deve essere di
volta in volta ritarato per poter raggiungere un grado di lavaggio
conforme alle aspettative. Questa
metodologia di lavoro risulta complessa e non garantisce delle prestazioni uniformi tra cicli differenti.
Inoltre, l’efficienza caratteristica di
questa configurazione risulta bassa
dato che gli atomi del gas devono
viaggiare per una distanza relativamente lunga dallo schermo perforato al carico.
Anche l’uniformità di lavaggio del
materiale appartenente allo stesso
carico non risulta soddisfacente, poiANNO XI – N.43 – SETTEMBRE 2005
lavaggio
chè la parte di carico posizionata
nella regione più esterna del cilindro riceve un trattamento eccessivo,
mentre la parte alloggiata nella zona
più interna viene sottoposta ad una
azione del plasma ridotta.
Al fine di superare tali limiti, la
ricerca industriale ha portato allo
sviluppo di una nuova configurazione, denominata a piatti paralleli
accoppiati.
In questa configurazione i pezzi vengono posizionati direttamente su
uno degli elettrodi garantendo l’azione di un plasma relativamente
uniforme su tutto il carico. I campioni però risultano sottoposti ad
azioni stressanti da parte dei campi
RF e ad un bombardamento di elettroni ad alta energia, raggi X, fotoni.
Inoltre si è potuta osservare una produzione di energia termica nella zona
del carico con caratteristiche non
prevedibili.
Il reattore a piatti paralleli accoppiati
non risultava quindi in grado di soddisfare tutti i quattro punti previsti
dalla teoria. Un ulteriore sviluppo
della ricerca ha portato allo sviluppo
di una tecnologia, denominata
“downstream plasma”, che maggiormente si è avvicinata ai requisiti
teorici. In questa configurazione i
campioni vengono alloggiati all’esterno del carico capacitivo visto dal
generatore, in modo da soddisfare la
richiesta 2.
La disposizione a piatti paralleli,
invece che a cilindro, permette di
ottenere un plasma uniforme sulla
superficie dei campioni e di garantire anche la massima capacità di
carico soddisfacendo i requisiti 1 e
3. Ponendo a terra l’elettrodo inferiore (invece che renderlo semplicemente neutro) si ottiene che gli
elettroni con energia elevata vengono portati a terra prima che raggiungano la superficie del campione
in modo da evitare il danneggiamento elettrico del campione stesso,
soddisfacendo così la richiesta 4.
La tecnologia basata sulla configuMETAL CLEANING & FINISHING
razione “downstream” risulta così
estremamente versatile e ha trovato
applicazioni in campi differenti del
lavaggio.
Caratteristica comune a tutti i tipi
di plasma è la presenza nello stesso
di una corrente continua di particelle
cariche, detta Bias o “corrente di
polarizzazione”, che è indice della
efficacia del plasma stesso come
mezzo per il trattamento delle superfici. Il Bias può assumere sia valori
positivi che negativi: quando assume
valori negativi allora significa che
l’accelerazione ionica delle particelle
e quindi la velocità di ionizzazione
del plasma è elevata (quanto maggiore è il valore negativo assunto).
Questo parametro è assai importante in quanto, assieme alla pressione di esercizio, definisce il plasma
giusto per l’applicazione richiesta.
Dunque, l’efficacia del trattamento
non è data dalla potenza erogata ma
dal Bias. Quest’ultimo dipende in
parte dalla potenza, ma non solo: esso
dipende sia dal tipo di gas utilizzato
che dal rapporto tra la superficie
dell’anodo e quella del catodo; maggiore è la superficie dell’anodo e
minore quella del catodo, tanto maggiore risulta il Bias. Per questa ragione
si tende ad usare come anodo la
superficie interna della camera di
lavoro. Altri accorgimenti tecnici
prevedono che anche il contenitore
dei pezzi o il supporto di movimentazione sia collegato a massa
con la camera, diventando essi stessi
anodo.
Il catodo può essere allora inserito
nel diffusore del plasma all’interno
della camera o ad una certa distanza
dalle pareti, con diverse configurazioni (sotto forma di griglia o di elementi separatori). Gli elettrodi sono
generalmente in acciaio inox, alluminio o titanio. Nel caso in cui il
materiale sia alluminio, gli elettrodi
tendono ad ossidarsi più velocemente (fenomeno della “passivazione” dell’alluminio) e se non vengono puliti periodicamente possono
33
“mascherare” parte della loro superficie all’emissione della radiazione
elettromagnetica, la cui energia si
“concentra” in un’area più piccola di
quanto progettato, aumentando la
probabilità della formazione di archi
elettrici che possono arrivare a danneggiare il generatore se questo non
è sufficientemente affidabile e protetto contro questo tipo di rischi.
Sistemi di
pompaggio a vuoto
Le pompe utilizzate sono generalmente di due tipi: rotative, a bagno
d’olio; a lobi, a secco (“oil free”).
Le pompe rotative devono utilizzare
un olio che non rischi di incendiarsi
con la presenza di ossigeno in eccesso;
un prodotto adatto a questo tipo di
applicazione è un olio a base di
PTFE, il cui costo però è molto elevato.
Le pompe a lobi non presentano
questo rischio, ma sono più sensibili ai processi “sporchi”, in cui ci può
essere trascinamento di particolato,
in quanto la eventuale contaminazione solida può rigare i lobi e la
pompa deve essere sostituita.
La portata elevata che generalmente
queste pompe presentano deriva dal
fatto che il loro scopo principale è
quello di fare il vuoto nella camera
nel più breve tempo possibile (generalmente qualche decina di secondi
per le camere più piccole, 1-2 minuti
per quelle più grosse).
Generatore del
campo
elettromagnetico
I generatori di onde elettromagnetiche utilizzati nel trattamento al
plasma sono di quattro tipi: a corrente continua (DC); a radiofrequenza (RF) nel campo 40 Khz (in
alcuni rari casi si usano tra 100 e 300
KHz); a radiofrequenza (RF) a 13,56
MHz; a microonde (MO) a 2,45
GHz.
lavaggio
Le prime applicazioni erano fatte utilizzando generatori in corrente continua (DC), poi si è passati alle radiofrequenze (RF). Il passaggio dalla
corrente continua alla corrente alternata per la generazione del campo
elettromagnetico si è basato su questa constatazione: se si prende un
conduttore pieno (ad esempio un filo
di rame di un certo spessore) e si fa
passare della corrente continua, la
corrente occupa tutta la massa del
conduttore presente nella sezione
dello stesso; se invece si fa passare
una corrente alternata, la distribuzione della stessa all’interno del conduttore assume una forma differente:
visto in sezione, il conduttore mostra
la presenza della corrente su tutta la
massa all’infuori di una piccola zona
centrale. Aumentando la frequenza
erogata, la corrente si distribuisce
solo sulla superficie del conduttore,
lasciando neutra la massa interna.
Poichè però l’energia è elevata, il conduttore si scalda e fonde. Se invece
di un conduttore pieno cilindrico si
usa un conduttore piano, con spessore piccolo (pochi millimetri)
rispetto alle altre due dimensioni,
allora il calore prodotto dal passaggio della corrente viene subito dissipato dalla superficie (che è di gran
lunga maggiore) e quindi il conduttore non si scalda, permettendo il
passaggio delle corrente senza controindicazioni.
Inoltre, con un conduttore piano, la
radiazione emessa è di gran lunga più
uniforme ed esso presenta il vantaggio che può essere sagomato con qualunque forma in modo tale da poter
“coprire” in modo migliore la zona
in cui è presente il pezzo da trattare.
E’ per questo motivo che nelle applicazioni di trattamento superficiale al
plasma, gli elettrodi sono piani e,
tipicamente, come anodo vengono
utilizzate le pareti della camera di
processo.
I generatori DC possono essere costituiti da semplici generatori di potenza
ad alto voltaggio collegati agli elet-
trodi; la configurazione tipica prevede che i due elettrodi siano posti
nella camera di processo. L’idonea
pressione del gas, il corretto voltaggio e la spaziatura tra gli elettrodi
variano in funzione del gas scelto.
Generalmente, la tensione continua
è compresa tra 10 e 100 V/cm.
Il generatore DC ha lo “svantaggio”
di produrre un plasma in cui le particelle si muovono in una sola direzione; è paragonabile ad un cannone
elettronico e necessita di un elevato
voltaggio (6000-7000 V). Viene usato
tipicamente nel campo dei semiconduttori in cui la zona da trattare è in
genere un lato solo di un oggetto.
Il generatore MO non va bene per il
trattamento di materiali compositi
(plastica e metallo assieme, come nei
circuiti stampati o su materiale elettrico o elettronico), perchè il metallo
fa da antenna per le microonde che
si concentrano su di esso e lo scaldano,
con il rischio che il componente e/o
la plastica presente si fondano. E’
quindi sconsigliato il suo uso per il
lavaggio metalli. Al contrario, è particolarmente indicato per il trattamento della plastica in quanto riduce
i tempi di applicazione essendo molto
più energetico ed avendo una maggiore attività cinetica. Il generatore
MO emette da un unico punto (l’antenna non necessita quindi di elettrodi) e la radiazione viene diffusa in
forma conica; la radiazione è soggetta a riflessione e le onde riflesse possono tornare al generatore, danneggiandolo; quest’ultimo deve quindi
essere dotato degli opportuni dispositivi di protezione. La distribuzione
dell’energia emessa non è uniforme
e quindi anche il plasma prodotto
non risulta uniforme; per questo
motivo, è necessario installare più di
un generatore per ottimizzare il
sistema.
Il generatore RF è quello che si dimostra più versatile, riducendo gli svantaggi degli altri due. Anch’esso tende
a scaldare i metalli, ma in maniera
minore e quindi può essere usato
34
anche nel lavaggio e nel trattamento
in genere dei metalli; è indicato anche
per l’attivazione della plastica anche
se impiega un tempo superiore
rispetto al MO. Il generatore a 13,56
MHz è quello che si è maggiormente
affermato nel campo del trattamento
superficiale al plasma.
I generatori RF sono molto costosi
(da 10.000 euro per uno da 300 W
a 50-100.000 euro per potenze superiori: uno da 3000W costa circa
30.000 euro); il costo è riferito al
generatore più il “matching network”,
cioè tutta la componentistica elettronica ed elettrica per il controllo e
la gestione e la protezione del generatore, compreso il sistema di modulazione del carico.
Sono comunemente realizzati con
componenti allo stato solido e prevedono un sistema automatico di
adattamento dell’alimentazione per
l’eliminazione della potenza riflessa.
Per gli scopi della rimozione della
contaminazione, sono preferibili
generatori di plasma a frequenza fissa
e a potenza variabile. La possibilità
di modulare la potenza permette di
modificare gli effetti dell’azione del
plasma, passando da una “leggera”
volatilizzazione dei contaminanti per
arrivare ad una vera e propria rimozione meccanica di materiale (“sputtering”) o alla incisione (“etching”)
della superficie. La potenza tipica nei
generatori RF varia tra 1 e 10 W.
Variando la potenza del generatore
RF, si aggiunge ovviamente più energia al sistema: ciò può causare effetti
sia positivi che negativi. Aumentando
la potenza, viene incrementata l’energia di tutte le specie (ioni, elettroni,
ecc) del plasma che si riscaldano, così
come si riscalda il pezzo. Ciò ha il vantaggio di incrementare la velocità di
lavaggio, al prezzo però di un incremento della temperatura, causato dal
calore trasferito dal bombardamento
di elettroni. Livelli di potenza più
elevati comportano livelli energetici
più elevati nel plasma nel quale si
creano le condizioni perchè si abbia
ANNO XI – N.43 – SETTEMBRE 2005
lavaggio
uno sputtering da ioni. Anche in
questo caso la velocità del processo
di pulizia è più elevata ma gli effetti
dello sputtering possono essere dannosi anche per l’apparecchiatura
stessa (elettrodi, pareti, ecc). A
potenze più elevate (50-100 W) i
sistemi che usano ossigeno diventano
dei microinceneritori pirolitici.
Alimentazione
del gas
Il gas viene erogato direttamente
nella zona di processo da un distributore controllato da appositi strumenti in grado di controllare la massa
entrante nell’unità di tempo (flussimetri di massa).
ESEMPI DI PROCESSI
Di seguito vengono mostrati due
esempi di risultati sperimentali ottenuti con processi al plasma, allo scopo
di mostrare alcune delle potenziali
applicazioni di questa tecnologia.
Le analisi del grado di pulizia dei
campioni analizzati sono state effettuate mediante la tecnica ESCA
(Spettroscopia elettronica per analisi chimiche), in grado di fornire
informazioni sulla composizione
chimica di una superficie in uno
spessore di 40-80 Angstrom. Tale
tecnica utilizza una sorgente di raggi
X per provocare la fotoemissione di
elettroni dal materiale analizzato;
l’energia cinetica degli elettroni
emessi identifica l’elemento presente
sulla superficie. Di conseguenza,
misurando l’energia di legame e analizzando la forma dei picchi dello
spettro ottenuto, è possibile ottenere una precisa indicazione sullo
stato di contaminazione di una
superficie.
Sono state eseguite le seguenti prove
sperimentali.
Acciaio inox (316L)
Questa prova è stata eseguita su un
METAL CLEANING & FINISHING
campione di acciaio inox elettrolucidato proveniente tal quale dalla
lavorazione (campione di riferimento) ed una serie di campioni
elettrolucidati e contaminati artificialmente con un olio lubrificante
(WD-40) applicato da una distanza
di 4 pollici mediante spruzzatura in
continuo per 10 secondi.
Le tecniche di rimozione della contaminazione sono state le seguenti:
❑ 5 minuti di applicazione con
ultrasuoni
❑ 5 minuti di applicazione con plasma ad ossigeno
❑ 5 minuti di applicazione con plasma argon/ossigeno
❑ ultrasuoni + 5 minuti di plasma
ad ossigeno
❑ ultrasuoni + 10 minuti di plasma
argon/ossigeno.
Teoricamente, l’acciaio inox contiene meno dell’1% di carbonio al
suo interno; poichè dopo l’elettrolucidatura esso presenta uno strato
superficiale di ossido di cromo come
risultato del processo di passivazione,
ci si aspetta che sulla superficie del
metallo non ci sia presenza di carbonio. Nella pratica, tuttavia,
essendo la superficie del metallo
molto reattiva, attrae dall’ambiente
circostanze una certa quantità di
sostanze varie, tra cui ossigeno, vapor
d’acqua e idrocarburi: nel nostro
caso, il campione di riferimento
mostra un eccesso di atomi di carbonio sulla superficie pari al 54%.
I campioni contaminati artificialmente mostrano, nello spessore analizzato, un eccesso di carbonio variabile tra l’85% ed il 94%.
I risultati della prova sono stati i
seguenti:
❑ il trattamento agli ultrasuoni (5
minuti in un bagno contenente
un tensioattivo non ionico) ha
ridotto il livello di carbonio superficiale dall’85% al 47%
❑ il trattamento al plasma di ossigeno ha ridotto il livello di carbonio al 38%
❑ il trattamento al plasma
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argon/ossigeno ha ridotto il livello
di carbonio dal 93% al 52%
❑ il trattamento con ultrasuoni + 5
minuti di plasma ad ossigeno ha
ridotto il livello dall’87% al 35%
❑ il trattamento con ultrasuoni + 10
minuti di plasma argon/ossigeno
ha ridotto il livello dall’88% al
27%.
Ottone (C3600)
Questa prova è stata condotta su
diversi campioni di ottone provenienti direttamente dal processo di
lavorazione; per ogni campione è
stata effettuata l’analisi della superficie contaminata tal quale e della
superficie dopo il lavaggio. Per le
prove sono stati effettuati tre tipi di
lavaggio:
- 5 minuti di plasma ad ossigeno
- 5 minuti di plasma argon/ossigeno pulizia con solvente IPA.
Si sono ottenuti i seguenti risultati:
❑ il livello di contaminazione dei
campioni tal quali mostra, nello
spessore analizzato, un eccesso di
carbonio variabile tra il 79% e
l’85%
❑ dopo il lavaggio con solvente IPA
si è avuta una riduzione del 713% rispetto al livello iniziale
❑ il trattamento al plasma ha invece
ridotto il livello di contaminazione di circa il 28% rispetto al
livello iniziale, cioè più del doppio rispetto al lavaggio con solvente, senza opacizzare la superficie. ◆
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