Cromatura: depositare sul vetro un film metallico di circa cento nanometri

Le linee nere di un disco encoder in vetro sono un film di cromo spesso circa 0,1 μm. Come viene depositato sotto vuoto? Che rapporto c’è fra spessore del film e potere coprente? Perché il film si stacca o presenta pinhole? L’articolo spiega la cromatura con una figura animata.

L’anello di linee nere su un disco encoder in vetro è in realtà un film di cromo, di norma spesso solo circa 0,1 μm, alcune centinaia di volte più sottile di un capello. Uno strato di metallo così sottile deve bloccare completamente la luce e al tempo stesso «crescere» saldamente sul vetro, resistendo a sviluppo, incisione e pulizia successivi. Come ci arriva?

Perché bisogna lavorare sotto vuoto

Nell’aria normale un atomo di cromo non percorre molta strada prima di urtare una molecola d’aria: la sua direzione viene scompigliata e può reagire prima con l’ossigeno. Portando la camera in vuoto restano poche molecole di gas, gli atomi di cromo volano quasi in linea retta fino al vetro e il film risulta puro e compatto. Il vuoto riduce inoltre la possibilità che vapore acqueo e impurità entrino nel film.

Due metodi: sputtering ed evaporazione

Sputtering: nella camera si immette una piccola quantità di argon e si applica una tensione che forma un plasma. Gli ioni di argon, carichi positivamente, vengono attratti dal target di cromo a potenziale negativo e ne «strappano» gli atomi uno per uno; questi atomi si depositano poi sul vetro (vedi Figura 1). I magneti dietro il target confinano gli elettroni vicino alla sua superficie, aumentando l’efficienza di ionizzazione e la velocità di deposizione: è lo sputtering a magnetron. Gli atomi spruzzati hanno energia relativamente alta, perciò il film è in genere compatto e ben aderente, ed è facile ottenere uniformità su grandi superfici.

Evaporazione: il cromo viene riscaldato fino a evaporare abbondantemente e gli atomi volano in linea retta dalla sorgente al substrato. L’impianto è relativamente semplice, ma gli atomi hanno bassa energia, per cui compattezza e adesione del film dipendono di più dalla temperatura del substrato e dallo stato della superficie.

Spessore del film e densità ottica: come si calcola il potere coprente

Il potere coprente si esprime con la densità ottica: OD = −lg T, dove T è la trasmittanza.

Nel metallo la luce si attenua in modo esponenziale: ogni uguale incremento di spessore moltiplica la trasmittanza per lo stesso fattore minore di 1. Quindi, una volta che il film è continuo, l’OD cresce in modo all’incirca lineare con lo spessore: è la relazione mostrata dal valore a destra in Figura 1.

Un potere coprente insufficiente riduce direttamente il contrasto del segnale. Considerando solo il disco e ponendo pari a 1 la trasmittanza delle fessure trasparenti, la profondità di modulazione è M = (1 − T) ÷ (1 + T): circa 0,82 a OD 1, circa 0,98 a OD 2 e circa 0,998 a OD 3. Ma più spesso non è sempre meglio: più il film è spesso, più lunga è l’incisione, maggiore il sottoattacco e più difficile il controllo della larghezza linea. Lo spessore va quindi fissato in un intervallo «sufficiente e stabile» e uniforme su tutta la lastra. Alcuni dischi aggiungono sopra il cromo uno strato di ossido di cromo per ridurre la riflessione e la luce parassita.

Adesione: il film deve «crescere» sul vetro

Cromo e vetro legano già piuttosto bene, motivo per cui il cromo è spesso usato anche come strato di ancoraggio per altri film metallici. Il presupposto però è una superficie pulita: se sul vetro resta un film d’olio invisibile, il cromo si limita a «coprire» l’olio e in seguito, durante sviluppo e incisione, si solleva e si stacca. Di solito si esegue una pulizia accurata prima della deposizione, un’ultima pulizia per bombardamento ionico dopo l’ingresso in camera e, se necessario, il riscaldamento del substrato. L’adesione si verifica con la prova di strappo del nastro: si applica il nastro, lo si strappa e si guarda se ha asportato il film.

Da dove vengono i pinhole

I pinhole sono il difetto di deposizione più comune e hanno principalmente tre origini:

• Particelle sul substrato: la particella fa ombra agli atomi di cromo e sotto di essa non si deposita nulla; quando poi la particella si stacca, resta un piccolo foro (vedi Figura 2).
• Frammenti che cadono in camera: vecchi depositi su pareti e schermi si sfaldano e cadono sul substrato.
• Contaminazione locale: su macchie d’olio o d’acqua il film aderisce male e viene sollevato nelle successive fasi a umido.

Le contromisure corrispondono punto per punto: pulizia e caricamento in ambiente pulito, pulizia periodica della camera, controllo in controluce dopo la deposizione. In controluce un pinhole appare come un punto luminoso; se cade su una linea, diventa un punto di fuga di luce.

Sintesi

La cromatura consiste nel far depositare sotto vuoto gli atomi di cromo strato dopo strato sul vetro. L’OD cresce all’incirca linearmente con lo spessore, mentre la trasmittanza cala di un fattore dieci a ogni gradino. Il film deve avere lo spessore giusto, essere uniforme, aderire bene e non avere pinhole: tutto ciò richiede una superficie pulita e una camera pulita.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0022). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com

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