Applicazioni Industriali dei Plasmi - appunti

SURFACE ROUGHNESS AND WCA VS AIR CONTENT

Aumentando la quantità d’aria inoltre si ha un aumento della rugosità

superficiale (probabilmente dovuto all’etching con ossigeno) e una diminuzione

del water contact angle.

COATING CHEMiSTRY VS AIR CONTENT (FTIR ANALYSIS)

Con la FTIR capiamo che diminuendo la

portata o aumentando la potenza

tendono a sparire i picchi associati al

carbonio. Si cerca quindi un punto di

ottimo tra portata e potenza attraverso

il parametro di Yasuda, cioè il

rapporto fra la potenza della scarica e

la quantità di monomero introdotto. Ci

sono 3 regioni:

- Regione di monomero

sufficiente: aumentando la

potenza o riducendo la portata il growth rate aumenta (si mantengono le

funzionalità del monomero, vado verso il coating organico).

- Regione di competizione: growth rate costante.

- Regione di monomero insufficiente: aumentando la potenza o

riducendo la portata il growth rate diminuisce (eccessiva frammentazione

del monomero, vado verso il coating inorganico).

Aumentando la potenza (a flow cost) o diminuendo il flow di HMDSO (a pot

cost) diminuisce la natura PDMS.

Il terzo tipo di reattore è il seguente:

The problem of dust formation: si forma polvere quando si raggiunge una

concentrazione eccessiva di ioni nel plasma. Il tempo richiesto per raggiungere

queste concentrazioni è magiore di quello richiesto per ragiungere

concentrazioni sufficienti dei radicali che guidano il processo.

Il quarto modo è il seguente:

Fibre ottiche

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosio polimerici, realizzati in modo

(propagazione guidata),

da poter condurre al loro interno la luce e che trovano

importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica

medica e illuminotecnica. Vengono comunemente impiegate

nelle telecomunicazioni come mezzo trasmissivo di segnali ottici anche su

grandi distanze ovvero su rete di trasporto e nella fornitura di accessi di

rete a larga banda cablata

Sono costituite da due strati concentrici di materiali a diverso indice di

rifrazione, alla cui interfaccia si ha il fenomeno della total internal reflection.

Sono prodotti con elevato valore aggiunto (il silicio è economico, le fibre ottiche

no). Sono una tecnologia asindotica.

STRUTTURA: Sono costituite da 3

elementi cilindrici coassiali di

materiale diverso:

- Core: parte centrale

n alto

o SiO2 drogato con

o Germanio

- Cladding: cilindro esterno

N basso

o SiO2 ultra-puro

o

- Coating: rivestimento polimerico (plastica) di protezione

PROFILO DI INDICE DI RIFRAZIONE: Nella realizazione è possibile realizzare

un profilo di indice di rifrazione legato alla concentrazione dei droganti e al

raggio. Con la deposizione in strati si passa dal continuo al discreto. Bisogna

avere strati sottilissimi con rate di deposizione bassissimo per inseguire il

profilo di indice di rifrazione più precisamente possibile.

PERDITE: Il segnale subisce attenuazione e distorsione a causa

principalmente della presenza di gruppi OH. Servono quindi delle centraline

ogni qualche Km per ricostituirlo.

Le perdite di trasmissione sono calcolate in base alla perdita di potenza del

segnale e sono misurate in decibel. Tali perdite sono associabili all’interazione

dell’onda luminosa con la matrice vetrosa:

transizioni elettroniche nella SiO2 (assorbimento UV),

 vibrazioni molecolari della SiO2 (assorbimento IR),

 scattering da imperfezioni del reticolo,

 assorbimento dal ioni metallici (tipo Fe3+)

 gruppi OH.



Le fibre ottiche devono avere un

basso contenuto di gruppi OH

che sono i maggiori responsabili

dell’attenuazione (necessario

aumento delle stazioni di

ricostruzione del segnale e costi).

Si utilizzano frequenze in cui si ha

la minima attenuazione del

segnale dovuta ai gruppi

ossidrilici (850, 1300, 1550 nm).

Nel processo di fabbricazione

bisogna far attenzione ai

bruciatori cinvenzionali e alla presenza di combustibili contenenti idrogeno.

Ecco perché usare il plasma RF dove non ci sono neanche gli elettrodi (ultra

puro). Si limita anche l’apporto di silani SiH4 e di umidità ambiente.

I gruppi OH inoltre tendono a migrare nella matrice vetrosa (soprattutto ad alte

temperature) e quindi bisogna stare attenti anche al cladding che potrebbe

inquinare il core.

Processo di produzione

La preforma è il prototipo della forma finale del prodotto ed è costituita da un

tubo di vetro di più di un metro di lunghezza e qualche centimetro di diametro

con zona interna di vetro drogato e esterna di ultra-puro, da cui si ricaveranno

molti km di fibra ottica mediante filatura.

I componenti della preforma vengono realizzati con varie tecniche che

sfruttano reazioni chimiche i cui prodotti costituiscono i materiali di cui è fatta

la preforma. I precursori impiegati sono i seguenti:

- SiCl4 (tetracloruro di silicio)

- O2

- GeCl4 (tetracloruro di germanio)

I prodotti sono i seguenti:

- SiO2 (silice)

- GeO2 (ossido di germanio)

TECNICHE DI PRODUZIONE DELLA

PREFORMA:

OVD (outside vapour deposition) usato per

core e cladding. I precursori vengono inseriti

in una zona di

reazione

chimica ad alta

temperatura,

che può essere

un bruciatore

convenzionale o

una torcia al plasma. Qui si genera SiO2

drogato o puro (tramite sintesi chimica o

semplice deposizione) che va a

depositarsi su una barretta di Al2O3 rivestita

di grafite (per facilitare lo scorrimento). Si

estrae poi la barretta ottenendo un tubo cavo vetroso. La reazione di sintesi è

la seguente: +O +

SiCl → SiO 2Cl

4 2 2 2

VAD (vapour axial deposition) usato per il cladding. Qui si ha una deposizione

assiale; si ha la crescita di uno strato di vetro di Silice di elevata purezza

attraverso l'utilizzo di un plasma RF con l'iniezione in coda del precursore SiCl .

4

Il substrato è in moto relativo elicoidale rispetto alla sorgente, perché è in

rotazione sul suo asse e va movimentato verticalmente man mano che

prosegue la deposizione. Viene usato Argon per accendere il plasma, perché è

un gas monoatomico ed ha un’energia di ionizzazione più bassa.

Successivamente si passa in Ossigeno, che è il gas necessario per ottenere la

reazione di sintesi. Bisogna fare attenzione perché, nel momento in cui si passa

ad operare in Ossigeno, bisogna pompare più potenza per poter sostenere la

scarica. Questo processo si può usare quando il profilo di indice rifrazione ha

una forma semplice

MCVD (modified chemical

vapour deposition) usato per

il core. processo inventato nei

Bell lab non brevettato.

Questo ha incentivato lo

sviluppo perché si tratta di

prodotti con elevato valore

aggiunto. Questo metodo

determina un aumento della

velocità di reazione, un

aumento della velocità di

deposizione e un maggior

controllo sull’indice di

rifrazione. Si compone di due fasi:

- Fase 1 (produzione della cane): la cane è un tubo cavo vetroso realizzato

attraverso una OVD.

- Fase 2 (produzione della preforma): si ha una deposizione inside nella

cane dei precursori che seguono le reazioni:

+O + +O +

SiCl → SiO 2Cl GeCl →GeO 2Cl

4 2 2 2 4 2 2 2

I prodotti vanno a depositarsi a parete per termoforesi e vengono

vetrificati da un bruciatore esterno. Il lume del tubo quindi si occlude

gradualmente modificando la fluidodinamica dei precursori. Durante il

processo, nel passaggio da polverino a vetro, si ha una sinterizzazione di

materiale (ovvero una sua densificazione); dalla figura si può notare una

differenza di volume occupato fra polverino (chiamato "soot") e vetro

sinterizzato.

Infine si ha una compattazione termica per pressione facendo collassare il

materiale su se stesso ottenendo la preforma.

Questo processo ha un'efficienza (in inglese Yield: resa)

- in Silicio di 50%

- in Germanio 10 – 20 %

Parte dei precursori in ingresso quindi non vanno a finire sul substrato e vanno

direttamente a camino (andranno poi opportunamente gestiti).

PCVD: in questo processo tutta l’entalpia necessaria al processo viene fornita

da una torcia al plasma RF avente un generatore con frequenze nel campo

delle microonde. In questo modo si ottiene un controllo sull’indice di rifrazione

ancora migliore.

POD: plasma outside deposition.

OVERCLADDING: assemblaggio della preforma. Ci sono due tecniche:

- Sleeving: tecnica descritta in un articolo Alcatel del ’97. Si fa collassare

un cladding ultrapuro (prodotto con processo outside) su un core MCVD

drogato (prodotto con processo inside).

- Processo Alcatel: tecnica plasma assistita. Si parte dal core MCVD e si

deposita su di essa del vetro di silice ultrapuro con una torcia RF (non è

un processo di sintesi ma si inietta direttamente polvere ad alto

contenuto di SiO4. Solo densificazione, sferoidizzazione, purificazione e

deposizione). Il substrato (preforma MCVD) è sempre in moto relativo

elicoidale ma è il substrato a muoversi (perché muovere la torcia è

complicato). Rateo di deposizione 15g/min, potenza massima 100kW.

Questo processo riduce i costi rispetto allo sleeving perché è un processo

online (unico step) rispetto ai due step dello Sleeving. Inoltre si ha un alta

flessibilità di esercizio in quanto posso scegliere lo spessore

dell’overcladding in base alle esigenze.

Un progetto di ricerca consiste nella realizzazione di una torcia al plasma a

sezione rettangolare

Un altro modo per incrementare il rate di deposizione consste nell’utilizzo di

due torce al plasma un sequenza per pre/post-riscaldare la silica prima della

deposizione.

TORRE DI FILATURA:

- Fusione: Un forno a induzione fa rammollire la preforma che viene filata

(mantenendo il rateo di aspetto (proporzione tra core e cladding)) e

arrotolata in bobine. Se il materiale non è conduttivo si usano dei

suscettori che hanno elevata conducibilità elettrica. Si evitano i bruciatori

tradizionali per non inquinare la preforma.

- Raffreddamento: per l’applicazione del coating polimerico la temperatura

ideale è 30/40°C quindi bisogna raffreddarla.

- Rivestimento e curing: rivestimento con coating polimerico e indurimento

con lampade UV

- Raccolta: avvolgimento su rocchetto.

PREFORM ETCHING: Prima dell’overcladding si tratta

la superficie del core via plasma per aumentarne la

bagnabilità, cambiandone morfologia e energia

superficiale, mediante interazione fisico-chimica (la

chimica è governata dalla presenza di specie reattive, la

fisica dagli ioni). La goccia si spalma meglio (aumento

angolo di contatto)