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SISTEMA PER LA MISURA DELLO SPESSORE E DELLE CARATTERISTICHE OTTICHE DI FILM SOTTILI
La miniaturizzazione dei moderni dispositivi elettronici ed optoelettronici impone la modifica o il radicale cambiamento dei processi di produzione degli stessi e la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali. Le richieste più pressanti riguardano film di nuova composizione con materiali "costruiti" ad hoc per una determinata applicazione, il miglioramento della stabilità termica e strutturale dei materiali, temperature di formazioni ridotte per minimizzare il dispendio di energia termica e per consentirne il deposito su substrati termolabili, una migliore qualità complessiva del film depositato, etc. E' stato dimostrato che la tecnica dell'ablazione laser (congruente e reattiva) consente di soddisfare queste richieste, perché fornisce diverse e appropriate soluzioni per la deposizione di film sottili di qualsiasi tipo di materiale, ivi compresi i materiali ceramici e gli ossidi superconduttori ad alta temperatura critica. Con questa tecnica il materiale, ablato da una targhetta con impulsi laser di potenza (normalmente sono utilizzate sorgenti UV, dato che la radiazione ultravioletta si accoppia molto bene con quasi tutti i materiali), viene fatto depositare su un substrato adatto, posto in genere a qualche centimetro dalla targhetta stessa. Benché il processo di ablazione abbia la peculiarità di preservare la stechiometria del composto ablato, l'eventuale perdita della specie volatile è compensata dalla presenza del gas di reazione (O2 per gli ossidi, N2 o NH3 per i nitruri) a bassa pressione nella camera di da vuoto in cui viene effettuata l’ablazione. Ossidi, carburi e nitruri possono essere depositati sotto forma di film sottile anche semplicemente ablando un materiale elementale in un gas adatto a bassa pressione. Usando sistemi a multi-target, o variando opportunamente la composizione del gas ambiente, e` possibile far crescere film con strutture anche molto complesse. Ciò può avvenire in maniera controllata e di consueto senza la necessità di effettuare trattamenti termici successivi alla deposizione (post-annealing) ad elevate temperature e per un tempo prolungato. Si evita pertanto il rischio della diffusione in profondità dei droganti e delle impurezze ed i film possono essere depositati anche su substrati termolabili quali ad esempio i materiali polimerici. Queste caratteristiche sono tali da rendere l'ablazione laser una tecnica estremamente competitiva, perche` consente di risparmiare tempo, energia, grandi quantita` di materiali rari o di difficile formazione o lavorazione, eliminano carichi termici dannosi, riducendo l'impatto ambientale e consentendo pure la sintesi di nuovi materiali. Nel Dipartimento di Fisica e` stato realizzato un sistema versatile per la deposizione di film mediante ablazione ed ablazione reattiva con laser, in particolare di film ultraduri (nitruri e carburi, tra cui il nitruro di carbonio, non esistente in natura) su superfici relativamente grandi (100 cm2) e di forma anche complessa. La movimentazione del fascio laser e degli oggetti da ricoprire con film sottili e` controllata da computer. L'obiettivo e` stato quello di dimostrare la fattibilita` e la convenienza dell'uso dei laser per la deposizione di film sottili su substrati di varia natura per applicazioni meccaniche ed elettroniche, con un apparato utilizzabile da piccole imprese per la produzione in piccola serie di oggetti ad alto valore aggiunto. Ovviamente, i film depositati, a seconda del loro utilizzo, devono avere composizione e spessore appropriato. La caratterizzazione dei film depositati viene effettuata in parte presso il Dipartimento di Fisica, utilizzando la microscopia ottica ed elettronica, la resistometria e la spettroscopia nell’infrarosso. Altre caratterizzazioni (spessore, composizione e morfologia dei film) vengono effettuate presso laboratori italiani e stranieri con i quali sono in corso collaborazioni scientifiche. Le tecniche ottiche di caratterizzazione sono ampiamente utilizzate perche` sono accurate e non distruttive. Le tecniche piu` comunemente usate sono la riflettanza e l’elissometria. La riflettanza spettrale misura la quantita` di luce riflessa da un film sottile su un certo intervallo di lunghezza d’onda, con la luce che incide normalmente alla superficie del film. Nell’elissometria invece la riflettanza e` misurata con incidenza non normale e a due differenti polarizzazioni. Avere in dotazione un sistema per effettuare misure ottiche consentirebbe pertanto una rapida ed efficace caratterizzazione dei film in sede. Oltre alla morfologia superficiale dei film, investigata con il microscopio elettronico, sarebbe possibile misurare con un sistema a riflettometria ottica lo spessore e gli indici di rifrazione di gran parte dei film depositati con il sistema di ablazione con laser.
Il sistema di misura di riflettanza adatto alla caratterizzazione dei film sottili prodotti e` composto da F20-UV Thin Film Measurement System Thickness Mapping System 1" Lens Assembly Il Sistema F20-UV lavora con luce a lunghezza d’onda da 215 a 1020 nm. Permette di misurare lo spessore dei film trasparenti in una parte di quest’intervallo se tale spessore cade tra 10 Ċ e 50 µm. Se cade tra 100 Ċ e 15 µm e` possibile misurare anche le costanti ottiche (n, k) dei film. Con un accessorio, e` possibile effettuare la mappatura di film depositati su substrati con diametro fino a 20 cm. Lo strumento richiesto consente pertanto di valutare lo spessore e la struttura di film sottili e di film a multistrato. Le misure sono rapide e non invasive. Come gia` detto, attualmente non c’e` nel Dipartimento alcuno strumento adatto a valutare il loco lo spessore dei film depositati. La valutazione avviene di norma presso i Laboratori Nazionale INFN di Legnaro (PD), il cui accesso e` limitato a due giorni per quadrimestre. E` facilmente comprensibile come cio` costituisca un grave handicap soprattutto per le collaborazioni con imprese, dove la caratterizzazione in tempo reale del prodotto e` un parametro essenziale. Lo strumento richiesto consentirebbe di eliminare una delle maggiori difficolta` collegate all’incompleta dotazione strumentale del Dipartimento di Fisica e darebbe la possibilita` di avviare proficue interazioni con il mondo dell’impresa. Infine, la possibilita` di misurare, otre allo spessore, anche le caratteristiche ottiche dei film (indice di rifrazione, coefficiente di estinzione) permetterebbe di caratterizzare film di materiali innovativi per il campo in fortissima espansione dell’optoelettronica.
Tenendo conto di IVA, dazio, spese bancarie, di trasporto e di assicurazione, il prezzo in lire dovrebbe essere approssimativamente il seguente
Lo strumento, facile da usare e completamente automatizzato, sarebbe usato direttamente dai ricercatori, senza la necessita` di personale tecnico.
Il Dipartimento e` disponibile a sostenere sui propri fondi di dotazione un cofinanziamento pari al 30%.
L’importo minimo necessario per la realizzazione parziale ma funzionante del progetto e` di 51.000.000 di lire.
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