Author: DELLA RICCA FEDERICO ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: Uno dei materiali più interessanti fra quelli disponibili in film sottile e il nitruro di titanio. Dall’introduzione dei primi processi industriali per la produzione di film sottili di nitruro di titanio sono passati circa 25 anni, e ormai la sua produzione è considerata una tecnologia matura.
Le principali proprietà del nitruro di titanio sfruttate sono le seguenti:
· elevata durezza (maggiore dei carburi cementati, o metallo duro)
· basso coefficiente d’attrito
· resistente al calore (in aria fino a circa 400 °C)
· resistente a molti agenti chimici
· superficie a bassa adesività
· non tossico (approvato anche per usi biomedici)
· il precesso produttivo (PVD) è a basso impatto ambientale
· color giallo-oro
Da queste proprietà derivano gli usi principali del nitruro di titanio:
· aumenta la resistenza all’usura di molti componenti meccanici
· preserva e aumenta la durata dei taglienti negli utensili per lavorazioni meccaniche
· impedisce il grippaggio e le microsaldature a freddo
· abbassa il coefficiente d’attrito in molti sistemi
· aumenta la resistenza alla corrosione
In molti casi l’applicazione di film sottili di nitruro di titanio può aumentare la vità media degli utensili anche del 500%, permet tendo di aumentare la produttività e ridurre i costi. Date queste sue proprietà il nitruro di titanio è ormai un materiale indispensabile all’industria per la lavorazione dei metalli e non solo. Attualmente il processo produttivo maggiormente utilizzato per la deposizione di film sottili di TiN è la deposizione per arco catodico. In questa tecnica un arco elettrico sottovuoto corre fra una punta metallica e un target in titanio. L’elevata corrente (centinaia di ampere, con un potenziale di decine di volt) provoca l’emissione di cluster di atomi di metallo che vanno a depositar si sugli oggetti posti davanti al target stesso. I sistemi di deposizione industriali hanno più target e caroselli per muovere i pezzi in modo che la deposizione avvenga uniformemente da tutti i lati. Per far avvenire la reazione fra il titanio è l’azoto è sufficiente far avvenire il processo in una camera con una pressione parziale di azoto. L’energia della scarica è sufficiente per eccitare e dissociare le molecole di azoto, che si trovano quindi in uno stato altamente reattivo, per cui la reazione avviene man mano che procede la deposizione. La temperatura di deposizione del substrato va in genere dai 200 ai 400 °C. È possibile ottenere film di nitruro di titanio anche tramite CVD (chemical vapour deposition ) in cui composti volatili del titanio reagiscono con un substrato caldo, portando alla creazione del film sottile. Un’altra tecnica utilizzata per la produzione di film sottili è lo sputtering , in cui un plasma (ovvero un gas ionizzato) bombarda il target, con la trasmissione di energia cinetica dagli ioni del plasma agli atomi del target, che vengono così espulsi dal target stesso e vanno a depositarsi sul substrato. Per questo motivo lo sputtering è spesso chiamato nei libri “giocare a biliardo con gli atomi”. Per aumentare l’efficienza del plasma in genere si usano dei magneti per confinare gli elettroni. In questo caso si parla di magnetron sputtering. La principale differenza fra lo sputtering e l’arco catodico è che nell’arco catodico sono espulsi cluster e micro gocce di atomi, mentre nello sputtering vengono emessi singoli atomi. Pertanto la velocità di deposizione nello tecnica di sputtering è decisamente inferiore a quella dell’arco catodico, ma la rugosità della superficie è spesso inferiore. Se nel plasma è presente un gas che reagisce con il film sottile, si parla di sputtering reattivo. Ovviamente per produr re nitruro di titanio bisognerà introdur re azoto nella camera da vuoto. Anche in questo caso l’energia della scarica è sufficiente per eccitare le molecole di azoto, aumentandone la reattività. Rispetto all’arco catodico, uno dei vantaggio dello sputtering è la pos