PECVD

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition

 

EFFETTI DEL PLASMA

Con la tecnica di plasma a bassa pressione, il gas viene eccitato sotto vuoto fornendo energia. Questo conduce alla formazione di ioni ed elettroni nonché altre particelle reattive caricate energicamente, che costituiscono il plasma. In questo modo le superfici possono essere efficacemente modificate. Ci sono tre effetti del plasma:

• Ablazione: La superficie viene rimossa dal bombardamento ionico
• Reazione chimica: Il gas ionizzato reagisce chimicamente con la superficie
• Radiazioni UV: La radiazione ultravioletta rompe i composti di carbonio a catena lunga

Attraverso la variazione dei parametri di processo quali pressione, potenza, tempo di processo, flusso di gas e la composizione cambiano le modalità di azione del plasma. Così, in un passo singolo processo, possono essere raggiunti vari effetti.
Il plasma rimuove l’agente distaccante (anche siliconi e oli) dalla superficie. Questi sono catturati chimicamente ad esempio dall’ossigeno e convertiti in composti volatili. Con la pressione negativa e il riscaldamento superficiale, l’agente distaccante o i suoi residui evaporano parzialmente. Attraverso le particelle attivate energicamente presente nel plasma, le molecole dell’agente distaccante sono suddivise in frammenti molecolari più piccoli e possono essere quindi aspirate. Inoltre, si verifica un effetto “micro-jet” a livello atomico. La radiazione UV può rompere l’agente distaccante.

 

VANTAGGI

Rispetto ad altri metodi, come il trattamento a fiamma oppure il trattamento chimico bagnato, la tecnologia al plasma ha dei vantaggi decisivi:

• molte proprietà superficiali possono essere ottenute solo con questo metodo
• procedura di implementazione universale: capacità di inserimento in linea di produzione e completamente automatizzato
• processo estremamente rispettoso rispetto all’ambiente
• quasi indipendente da geometria. Possono essere trattate: polveri, piccoli parti, materiali piatti, tessuti non tessuti, prodotti tessili, tubi, corpo cavo, circuiti, ecc.
• componenti non sono alterati meccanicamente
• riscaldamento ridotto dei componenti
• costi di gestione molto bassi
• alta sicurezza del processo e lavoro

Processo particolarmente efficiente.

 

APPLICAZIONI

Tecnica al plasma nell’industria automobilistica
Tecnica al plasma nell’industria dei beni di consumo
Tecnologia medica
Tecnologia solare
Tecnologia al plasma del settore tessile
Tecnologia la plasma in orologeria/gioielleria
Tecnologia al plasma nel settore dell’imballaggio
Attivazione al plasma di polvere e pellets
Attivazione al plasma
Etching al plasma
Rivestimento al plasma
Pulizia al Plasma

 

 

Tecnica al plasma nell’industria automobilistica

Le applicazioni al plasma sono diventate indispensabili nel settore automobilistico. Processi strettamente coordinati sono un prerequisito per una qualità costantemente elevata dei prodotti. Sono possibili anche processi di attivazione al plasma come incollaggio o bonding, così come l’etching al plasma di materie plastiche ad alte prestazioni e il rivestimento al plasma come promoter di adesione (primer plasma).

Tecnica al plasma nell’industria dei beni di consumo

Le aspettative dei consumatori rigaurdo ai prodotti sono in continuo aumento. Il trattamento di superfici con i sistemi al plasma assicura che l’attivazione massima superficiale sia garantita su un’ampia varietà di materiali. Giunti durevoli adesivi, produzione senza inquinamento o superfici con rivestimenti resistenti allo stress o funzioni refrattari sono solo alcuni esempi. Il plasma crea un’adesione sicura senza utilizzo di solventi per esempio mobili, elettrodomestici, giocattoli e attrezzature sportive.

Tecnologia medica

In medicina, sono richiesti i più alti standard dei processi di produzione.Le superfici devono essere non solo pulite, ma assolutamente immacolate e sterili.

Tecnologia solare

Il processo di fabbricazione e la qualità dei materiali sono vitali per la durata e l’efficienza dei moduli. A causa dei processi atmosferici possono verificarsi dei danni ai moduli fotovoltaici. Le prestazioni della cella solare diminuiscono rapidamente a causa della penetrazione di umidità. Il pretrattamento al plasma di moduli solari può aumentare significativamente la loro qualità, assicurando la stabilità a lungo termine e rendendo i moduli resistenti agli agenti atmosferici.

Tecnologia al plasma del settore tessile

L’industria tessile fa uso della tecnologia al plasma per rendere le superfici idrofobe, idrofile o repellenti allo sporco. Generando funzioni aggiuntive, quali resistenza alla fiamma e equipaggiamenti autopulenti, i tessili possono raggiungere nuove proprietà del materiale attraverso il trattamento al plasma. Il pretrattamento al plasma migliora anche la bagnabilità, proprietà di scorrimento e la capacità di colorazione dei tessuti.

Tecnologia la plasma in orologeria/gioielleria

Il plasma è sempre più utilizzato per garantire gli elevati standard richiesti nel settore dell’orologeria in termini di estetica, funzionalità e durata dei prodotti. Il trattamento al plasma assume sempre maggiore importanza grazie alla possibilità per la pulizia ultra-fine a basse temperature di lavorazione e alle proprietà estremamente elevate di penetrazione del gas. È altrettanto importante che non è necessaria una successivo asciugatura dei componenti. I processi al plasma rispettosi dell’ ambiente garantiscono assenza di residui dei detersivi, il che significa costi ridotti o nulli per lo smaltimento della parte da trattare.
Questo processo al plasma è anche di grande importanza per il settore orafo decorativo.

Tecnologia al plasma nel settore dell’imballaggio

Si è dimostrato che il pretrattamento al plasma sia molto efficace nel settore del packaging. L’attivazione al plasma crea proprietà superficiali ideali per le fasi di processo quali stampa, incollaggio o avvolgimento della pellicola. Per la stampa e l’incollaggio di materiali non polari, come PP, PE o materiali riciclati, si ottiene una produzione economica ed eco-friendly con il pretrattamento al plasma.

Attivazione al plasma di polvere e pellets

Attivazione al plasma di polvere di polietilene lineare a bassa densità ad ultra-alto peso molecolare (UHMWPE)
Per numerose applicazioni innovative, la polvere di etilene (PE UHMW) lineare ad alto peso molecolare viene resa idrofila per la produzione di prodotti ad elevato contenuto tecnologico. La polvere attivata al plasma può essere utilizzata come additivo delle mescole di gomma, conferendo una durezza superiore al prodotto finale. Inoltre, mediante il pre-trattamento al plasma della polvere di PE è possibile ottenere un incollaggio migliore tra metallo e plastica in modo da migliorare l’adesione. Per rendere la polvere di PE più idrofila al fine di ottenere una maggiore dispersione, si tratta la polvere di polietilene mediante il processo al plasma in bassa pressione. I parametri di trattamento sono fortemente dipendenti dalle dimensioni delle particelle della polvere. Il tempo di trattamento al plasma può essere compreso tra 5 minuti e diverse ore. Il danneggiamento termico della polvere viene evitato, visto che la temperatura di processo del metodo di trattamento al plasma risulta essere bassa. Allo stesso modo, le proprietà di base della polvere come, temperatura di fusione, proprietà dei cristalli e il peso molecolare non sono influenzate dal processo di trattamento al plasma. Per via dei numerosi parametri di processo si può modulare e ingegnerizzare la superficie della polvere mediante il pre-trattamento al plasma in modo da ottenere le caratteristiche superficiali desiderate.

Attivazione al plasma

Un prerequisito per l’adesione di agenti per la verniciatura, incollaggio, stampa o adesione è una buona bagnabilità della superficie. La bagnabilità non solo previene da segni di olio e grasso, ma anche la superficie pulita di molti materiali non può essere sufficientemente bagnata da molti liquidi, adesivi e inchiostri. Il liquido scorre.
Inoltre, il liquido non aderisce alla superficie dopo l’indurimento o l’essiccazione.
La causa è la bassa energia superficiale del substrato. Le sostanze con una bassa energia superficiale bagnano quelle con elevata energia superficiale, ma non viceversa. L’energia superficiale del liquido applicato, indicata anche come tensione superficiale, deve essere inferiore a quella del substrato.
La maggior parte delle materie plastiche hanno un’energia superficiale molto bassa, troppo bassa per essere bagnata da adesivi e rivestimenti. Il motivo è la presenza di una superficie non polare. Le molecole del liquido non possono trovare punti di connessione dove possono aggrapparsi.
L’energia superficiale di una superficie è aumentata dall’attivazione. Questo processo assicura che vengano creati dei punti di attacco per il liquido applicato.
L’attivazione è tradizionalmente realizzata utilizzando primer chimici, promotori di adesione liquidi. Essi sono spesso altamente corrosivi e nocivi per l’ambiente. Da un lato è necessario far asciugare prima di un ulteriore trattamento e dall’altro, spesso, la superficie non rimane attiva per un lungo periodo. I materiali non polari come poliolefine non sono sufficientemente attivati con l’utilizzo di primer chimici.
È inoltre possibile attivare le superfici in un sistema corona ad arco elettrico. Questa è una forma di trattamento con plasma atmosferico. Tuttavia, solo le superfici piane o convesse che possono essere introdotte nel arco elettrico possono essere trattati in questo modo.
Dopo l’attivazione attraverso il plasma atmosferico o ad ossigeno, i legami di idrogeno non-polari dei polimeri plastici sono sostituiti da legami di ossigeno. Questi possono fornire elettroni di valenza liberi per il legame delle molecole di liquido.
L’attivazione con plasma a bassa pressione o a pressione atmosferica permette anche che i materiali plastici “non-adesivi” come POM, PE e PP ottengano una capacità di incollaggio molto buona o di essere meglio verniciabili. L’energia superficiale desiderata può essere regolata con molta precisione, in modo da evitare un’attivazione eccessiva che condurrebbe all’etching.
Nel plasma a bassa pressione, possono essere utilizzati altri gas al posto di ossigeno o aria, per esempio azoto (N2), ammine (NHx) o gruppi carbossilici (-COOH) vengono attaccati come gruppi reattivi.
L’attivazione di superfici plastiche rimane efficace per settimane e mesi. L’ulteriore lavorazione dovrebbe comunque avvenire rapidamente, dal momento che con l’aumento dell’invecchiamento verranno depositati altri contaminanti nuovi.
Anche il PTFE può essere incollato mediante il trattamento al plasma. Tuttavia, non attraverso l’attivazione, ma piuttosto grazie al processo di etching.
Generalmente, i metalli, le ceramiche ed i vetri hanno energie superficiali più elevate rispetto alle materie plastiche. Tuttavia, ci sono applicazioni anche per questi materiali, in cui l’attivazione al plasma crea vantaggi. La tensione superficiale di leghe per saldatura è alta e scorrono su molte superfici metalliche. Pertanto, l’attivazioneal plasma di metalli migliora anche la bagnatura durante la saldatura. Tuttavia, l’attivazione dei metalli è generalmente efficace solo per pochi minuti e l’impianto al plasma deve essere installato direttamente a monte del processo di saldatura (in-line).

Etching al plasma

L’etching al plasma è la rimozione di materiale dalle superfici attraverso i processi al plasma. Questo processo viene indicato anche come etching a secco, poiché i processi di etching convenzionali sono effettuati con acidi corrosivi chimici liquidi. I plasmi dei gas di processo convertono il materiale da asportare dalla fase solida alla fase gassosa, mentre la pompa da vuoto estrae i prodotti gassosi. L’impiego di maschere può inoltre garantire l’incisione di certe zone della superficie o di strutture. L’etching al plasma viene eseguito solo con il plasma a bassa pressione per i seguenti motivi:

• effetti significativi di etching richiedono tempi di trattamento più lunghi
• quasi tutti i gas di etching possono essere utilizzati in plasma a bassa pressione.

Ci sono una varietà di applicazioni per la procedura di etching in plasma. Per l’ottimizzazione del processo di etching in base all’applicazione sono disponibili diversi possibili gas di processo e la selezione di 3 metodi base di etching.

Etching con ioni
A seconda dell’applicazione, questo processo è noto anche come “etching fisico”, “sputtering” o “micro-sabbiatura”. I gas di processo sono argon o gas nobili, ma gli ioni non formano radicali liberi. L’effetto di etching si basa sulla espulsione di atomi o molecole dal substrato attraverso l’energia cinetica degli elettroni accelerati nel campo elettrico.
Applicazioni:

• Formazione di microstrutture di superfici come quelle per migliorare l’adesione (“micro-sabbiatura”)
• Bombardamento di una sorgente di evaporazione (“sputtering”)

Poiché l’etching con ioni non agisce chimicamente, funziona su quasi qualsiasi substrato (molto selettivo). L’effetto di etching al plasma si verifica quasi esclusivamente nella direzione di accelerazione degli ioni. L’effetto è fortemente anisotropo.

Etching chimico al plasma
I gas di processo utilizzati sono quelli che presentano molecole che principalmente si dividono in radicali in presenza del plasma. L’effetto di etching si basa principalmente sulla reazione di questi radicali con atomi o molecole del substrato, convertendoli in prodotti di degradazione gassosi.
Applicazioni principali:

• Rimozione degli strati di ossido
• Rimozione dei fotoresist (“stripping”)
• Incerimento di matrici per l’analisi
• Etching di PTFE
• Strutturazione e microstrutturazione di semiconduttori

L’etching al plasma è un processo molto selettivo, cioè i gas e substrati di processo devono essere molto ben combinati. L’etching è isotropo, cioè agisce egualmente su tutti i lati.

Etching reattivo ad ioni
I gas molecolari formano radicali e ioni positivi nel plasma. L’effetto dei radicali reattivi può essere utilizzato per il processo di etching, così come l’energia cinetica degli ioni. Quando l’eccitazione del plasma viene generata in questo modo, gli ioni vengono accelerati nel campo elettrico e vengono generati sul substrato.L’etching reattivo con ioni combina gli effetti dell’etching con ioni e dell’etching al plasma: si crea una certa quantità di anisotropia, mentre i materiali che non reagiscono chimicamente con i radicali possono essere incisi dal plasma generato. Soprattutto la velocità di etching è notevolmente aumentata. Le molecole di substrato sono eccitate dal bombardamento ionico e sono quindi molto più reattive.

Applicazione:

• Soprattutto durante l’etching di semiconduttori

Etching di PTFE
Per polipropilene (PP), polietilene (PE) o poliossimetilene (POM), questo effetto si ottiene attraverso l’attivazione in un plasma di ossigeno. Per il materiale plastico con energia superficiale più bassa, il PTFE, il processo di attivazione non è sufficiente. I legami di fluoro-carbonio non possono essere distrutti in un plasma di ossigeno. Tuttavia, nel plasma ad idrogeno, i radicali di idrogeno si combinano con gli atomi di fluoro del PTFE e quindi i legami di carbonio possono essere rotti. Il gas di fluoruro di idrogeno viene estratto, mentre i legami di carbonio insaturi rimangono, assicurando l’attacco a questi delle molecole polari liquidi. L’etching eseguito con successo è riconoscibile da una colorazione marrone sulla superficie PTFE.

Rivestimento al plasma

I pezzi possono essere migliorati con diversi rivestimenti attraverso il plasma a bassa pressione. Per raggiungere questo scopo, i precursori gassosi e liquidi sono immessi nella camera del vuoto. Nella reticolazione al plasma, le materie prime, per lo più monomeri a catena corta, vengono convertiti in polimeri a catena lunga. La scelta dei precursori determina quindi le proprietà di rivestimento:

• idrofobo (idrorepellente)
• idrofilo (idroassorbente / bagnabile)
• protezione contro graffi
• protezione alla corrosione
• rivestimenti di carbonio
• barriere / barriere di diffusione
• simili a PTFE
• rivestimenti senza attrito / rivestimenti antiaderenti
• promoter / primer di adesione
• barriere acqua / vapore
• metalizzazione
• nano-argento

Vantaggi del rivestimento al plasma:

• • sono possibili rivestimenti estremamente sottili sulla scala nanometrica
  • sono possibili processi stabili, standard attraverso la completa automazione
  • sono possibili varie opzioni
  • senza carico di temperatura
  • senza solventi

• penetrazione molto buona
• adatto per articoli individuali e di lotto

Pulizia al Plasma

Quantità di contaminanti molto piccole, invisibili a occhio, sono sempre presenti su tutte le superfici. La rimozione di questi contaminanti è quasi sempre un prerequisito per un corretto ulteriore trattamento della superficie con metodi quali:

• incollaggio
• stampa
• verniciatura
• adesione
• rivestimento
• etching

La tecnologia al plasma offre soluzioni per qualsiasi tipo di contaminazione, per qualsiasi substrato e per qualsiasi trattamento. Anche i residui di contaminazione molecolari vengono rimossi. Vari metodi di pulizia sono disponibili per le diverse esigenze nei singoli casi.
I più importanti sono:

1. Rimozione degli idrocarburi in plasma di ossigeno
Micro-pulizia – sgrassaggio in plasma di ossigeno
Gli idrocarburi quali residui di grassi, olii o agenti antiadesivi si trovano praticamente su tutte le superfici. Questi agenti riducono drasticamente l’adesione di altri materiali nella successiva lavorazione della superficie. Pertanto, la rimozione chimica di idrocarburi in plasma di ossigeno è un trattamento standard prima di qualunque operazione di verniciatura, stampa o incollaggio.
Ioni, radicali e radiazioni UV agiscono insieme. Le radiazioni UV ad alta energia dividono le macromolecole. I radicali e gli ioni di ossigeno, ioni constringono i radicali di idrogeno ad occupare le estremità libere di catena delle catene polimeriche per formare H2O e CO2.
I prodotti di degradazione degli idrocarburi sono gassosi nel plasma a bassa pressione e vengono rimossi mediante l’aspirazione.
Sulle superfici polimeriche, il processo di attivazione inizia parallelamente alla riduzione della contaminazione superficiale da radicali dell’ossigeno. Tale attivazione è un prerequisito per una buona adesione su materie plastiche non polari. .
Oli, grassi o agenti distaccanti contenenti additivi non sempre possono essere completamente rimossi nel plasma ad ossigeno. Possono formare degli ossidi solidi che aderiscono al substrato. Se necessario, questi possono essere purificati in ulteriori processi di purificazione a valle.
La pulizia in plasma di ossigeno funziona su quasi tutti i materiali. Aria secca depurata può essere spesso usata al posto dell’ossigeno. La rimozione degli idrocarburi viene quindi condotta sia in plasma a bassa pressione e plasma a pressione atmosferica.

2. Pulizia meccanica da micro-sabbiatura
Plasma ad argon
Un tipo di plasma particolarmente semplice è il plasma di gas inerte. Consiste solo di ioni, elettroni e atomi di gas nobili. Poiché il gas è sempre atomico, non ci sono radicali e, siccome i gas nobili non reagiscono chimicamente, non ci sono neanche prodotti di reazione. Il plasma ad argon è comunque attivo grazie all’energia cinetica degli ioni pesanti.
Pulizia
Grazie all’energia cinetica di impatto degli ioni, gli atomi e le molecole che formano il rivestimento sono espulsi, in modo che siano gradualmente rimossi.
Il trattamento agisce su quasi tutte le superfici, e quindi su qualsiasi tipo di contaminazione. Quasi ogni contaminazione che resiste all’attacco chimico può essere rimossa mediante la micro-sabbiatura.
Poiché gli ioni caricati positivamente vengono accelerati ad un elettrodo caricato negativamente, l’eccitazione del plasma avviene in un reattore a piastre parallele.
Strutturazione – etching fisico
Gli ioni ad alta energia colpiscono i frammenti dal materiale di substrato stesso e non solo dal rivestimento superficiale. Questo porta ad un aumento di spatterning su scala molecolare e la strutturazione della superficie. Come in caso di sabbiatura o molatura, questo processo porta ad un aumento della superficie ed eventualmente anche ad una rastremazione che aumenta l’adesione dei rivestimenti applicati successivamente.
A differenza degli effetti dell’etching chimico, la micro-sabbiatura in plasma a bassa pressione non è isotropica, cioè non viene applicata in modo uniforme su tutte le superfici di un componente, ma avviene soprattutto in direzione del campo elettrico perché gli ioni vengono accelerati in questa direzione.

3. Reduzione di strati di ossigeno
Gli strati di ossido si trovano su molte superfici. Pochi metalli non tendono a formare ossidi dopo un lungo periodo di stoccaggio. Su molti metalli, si formano strati di ossido proprio durante la pulizia al plasma in plasma di ossigeno. Questi strati di ossido interferiscono in tutte le fasi di post-trattamento:

• contatti elettrici non adeguati
• scarsa adesione durante incollaggio e verniciatura

Anche su non-metalli vengono spesso depositati strati solidi ossidati che si sono formati a volte solo attraverso la pulizia in un plasma di ossigeno. Spesso gli strati di ossido si oppongono a qualsiasi attacco da solventi convenzionali. A causa della loro elevata durezza, spesso è molto difficile rimuoverli anche meccanicamente. Essi vengono rimossi attraverso la riduzione nel plasma di idrogeno.
Ossidazione
Nel plasma di ossigeno o atmosferico vengono ossidati anche strati metallici estremamente sottili dell’ordine atomico. Questi strati invisibili si induriscono e proteggono il metallo dall’attacco chimico e meccanico e contro ulteriore ossidazione. Questi strati garantiscono una superficie lucida metallica permanente.
L’ossidazione superficiale viene spesso effettuata nel plasma a pressione atmosferica.
Dato che da una superficie spesso devono essere rimossi vari contaminanti, vengono applicati vari processi di pulizia in sequenza, ad esempio:

1. Rimozione di agenti distaccanti (idrocarburi) in plasma di ossigeno
2. Micro-pulizia meccanica di precisione attraverso la micro-sabbiatura in plasma di argon

oppure:

1. Sgrassaggio in un plasma di ossigeno
2. Riduzione dello strato di ossido nel plasma di idrogeno

D’altra parte durante la purificazione dell’ossigeno avviene l’attivazione delle superfici non polari legati direttamente dai radicali dell’ossigeno, e quindi il processo dopo la purificazione continua per un lungo periodo di tempo.
La pulizia al plasma presenta vantaggi unici rispetto ad altri metodi di pulizia:

• Pulizia anche all’interno di crepe e fessure
• Pulizia di tutte le superfici dei componenti in un unico passaggio, anche all’interno di corpi cavi
• Rimozione senza residui di prodotti di degradazione mediante aspirazione sottovuoto
• Rimozione anche di residui molecolari sottili
• Assenza di emissione e smaltimento di solventi
• Non è richiesto deposito e smaltimento dei detergenti pericolosi, inquinanti e nocivi
• Costi di processo molto bassi