Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Sputtering: differenze tra le versioni

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[[Image:Schema--Sputtering.png|left|thumb|400px|Schema semplificato di un sistema di sputtering]]
La figura rappresenta in maniera molto semplificata uno sputtering a rf o dc. Tale tecnica di deposizione è molto usata per tutti gli stati di metallizzazione (W, Al, Ti, Cu) almeno fino alla scala di 0.35 µm di spessore. Gran parte dei problemi sono comuni ad altre tecniche più in uso negli ultimi anni. Tipicamente il target (il piatto del materiale da essere depositato) è connesso al catodo. Il supporto del substrato (spesso un wafer di silicio) è di fronte al catodo. Il supporto può essere a massa o connesso per alcuni processi ad un potenziale diverso. Il gas è introdotto in maniera da fornire il mezzo in cui la scarica a bagliore (glow discharge) può avvenire. Il più comune gas in cui viene fatta la scarica è l’Argon. Le pressioni dei gas vanno da frazioni di Pa a centinaia di Pa. E' una tecnica di deposizione molto comune, sia in quanto molte delle problematiche sono comuni alle varie tecniche di deposizione assistite da plasma.
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Film sottili]]
==Sistemi e metodi di sputtering==
 
La tecnica di deposizione di film sottili mediante '''sputtering''', chiamato in italiano con il termine di "spruzzatura catodica", è nota dalla fine del 1800, ma è divenuta di utilizzo industriale negli ultimi trent’anni.
 
Essa consiste essenzialmente nel fornire alta tensione al catodo con il materiale da depositare posto in una camera sotto vuoto.
La camera sotto vuoto è prima evacuata a bassa pressione e poi la si mantiene ad una pressione dinamica di 10-2 – 10-4 mbar con un gas quale l’argon o con sue miscele. Raggiunta questa pressione si alimenta il catodo ad alta tensione ed in queste condizioni si forma un plasma e gli ioni positivi Ar+ bombardando il materiale da depositare (target) con un processo che si può definire, atomo per atomo, fanno si che il materiale si depositi sul substrato previsto.
 
[[File:sput.jpg|center]]
 
Attualmente si può affermare che lo sputtering è la tecnica di elezione per la deposizione di film sottili. Questo è dovuto a molti fattori, ma in particolare al fatto che i depositi sono molto più aderenti al substrato di quelli evaporati ed inoltre è possibile depositare leghe che mantengono inalterata la loro composizione (ciò non è possibile per evaporazione). E’ inoltre possibile depositare materiali che non si possono depositare per evaporazione sotto vuoto.
 
Se si pensa di utilizzare uno sputtering per le proprie necessità conviene considerare quanto segue:
 
* la resa di sputtering e la conseguente velocità di deposizione variano per metalli diversi, leghe e isolanti
* è possibile depositare film di materiali complessi
* il controllo dello spessore del film è semplice e riproducibile
* possono essere utilizzati target di notevole superficie
* non esistono problemi di schizzi (''spitting'') come avviene nell’evaporazione
* non vi sono condizionamenti dovuti alla gravità
* si può ottimizzare il plasma per avere una notevole uniformità del film
* gli elettroni veloci possono essere allontanati dal substrato evitando il riscaldamento
* è possibile polarizzare il substrato per aumentare l’adesione di film metallici. Questa configurazione serve anche per eliminare film contaminanti
* si possono produrre film non porosi simili al substrato
* finora il principale svantaggio dello sputtering è dovuto alla bassa velocità di deposizione
 
==Metodi di sputtering==
 
===Diodo planare===
 
Nel diodo planare il porta target funziona come catodo e il porta substrato come anodo. Si veda la figura x. Quando si apllica la tensione di circa 1000 V al catodo, una scarica a bagliore (plasma) si innesca all’interno della camera mantenuta ad una pressione appropriata. Il plasma è normalmente costituito di ioni Ar+.
 
Con questa semplice configurazione è difficile controllare il processo ed evitare la contaminazione del film.
Per ottenere risultati riproducibili è necessario controllare la densità di corrente degli ioni e le temperature del substrato e del catodo. I vantaggi dello sputtering sono:
* si possono depositare film di multicomponenti
* possono essere depositati metalli refrattari
* si depositano film di isolanti
* è certa un ottima adesione
* è possibile fare epitassia a bassa temperatura
* il film è uniforme anche su substrati piani di notevoli dimensioni
 
Gli svantaggi sono:
* il materiale da depositare deve essere fornito in lastre
* la velocità di deposizione è generalmente meno di 2000 A°/min
* il substrato deve essere raffreddato
 
===Sputtering a triodo===
Lo sputtering a triodo consiste di tre elettrodi, un anodo e un target come in precedenza e di una ulteriore sorgente di elettroni (vdi fig x). La camera viene mantenuta alla necessaria bassa pressione e gli elettroni vengono prodotti da una sorgente termoionica a filamento separata.
 
Gli elettroni vengono accelerati verso l’anodo ionizzando abbondantemente il gas. Questo processo viene chiamato scarica supportata da elettroni, perché avviene in presenza di una notevole quantità di elettroni generati dal filamento caldo che assicurano sufficienti collisioni di ionizzazione. Lo scopo del filamento caldo e di aumentare il numero di ioni al target e di mantenerne costante il valore di polarizzazione.
 
Il risultato è un aumento della velocità di deposizione rispetto al sistema a diodo planare.
 
[[File:figx.jpg|center]]
 
===Sputtering a radiofrequenza===
 
Con questa tecnica è possibile depositare dielettrici con elevata resistività cosa un tempo impossibile a causa delle cariche del target isolante che non potevano essere dissipate.
 
Una superficie isolante nel plasma si carica negativamente rispetto al potenziale del plasma. Questo avviene perché molti elettroni liberi urtano la superficie nell’unità di tempo.
 
Con la Rf è possibile aumentare la carica negativa del target. Applicando un potenziale AC ad un elettrodo in plasma si estrae una maggior corrente elettronica che ionica che agisce perciò come un raddrizzatore.
 
L’uso della RF permette di mantenere il plasma senza ricorrere all’emissione termoionica (Fig. y). Per generare un plasma efficiente occorre che il valore della RF sia maggiore di 10 MHz. Per un sistema di sputtering a diodo viene utilizzata la frequenza, permessa, di 13,56 MHz.
 
[[File:figy.jpg|center]]
 
I vantaggi dell’uso di un plasma in RF rispetto al diodo o triodo convenzionale sono:
* operando a pressioni di circa 2 x 10-4 mbar si riducono le inclusioni di impurità e la non riproducibilità del fil
* non occorre usare un filamento caldo d’emissione di elettroni. Si evitano perciò contaminazioni da filamento e sua rottura
 
Oltre ai metalli in RF si depositano pure leghe e composti senza modifiche nella composizione. Mediante sputtering reattivo possono essere depositati ossidi, nitruri,solfuri ecc.
 
===Catodi ''magnetron''===
 
Per aumentare la probabilità di ionizzazione del gas sono stati sviluppati dei catodi contenenti dei magneti permanenti ( volte elettromagneti) che permettono di confinare gli elettroni in uno spazio ristretto e spiralizzandoli aumentano la possibilità di collisioni col gas.
 
I magnetron esistono in forme rotonde o rettangolari. Poiché il sconfinamento magnetico crea un area preferenziale di erosione, dopo un certo tempo il target del materiale utilizzato deve essere sostituito. Lo sviluppo di catodi cilindrici rotanti riduce questo fenomeno allungando il tempo di utilizzo del target.[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Film sottili]]
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