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

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{{Micro e nanotecnologia}}
Si definiscono '''Film sottili''' strati di materiali spessi tra frazioni di nanometri (monostrati) a vari [[w:micron|micron]] di spessore. Tra le applicazioni principali da un punto di vista tecnologico vi sono i [[w:Dispositivo_elettronico|Dispositivi elettronici]] e la ricopertura di sistemi ottici, anche se lo studio e l'uso dei film sottili è molto importante in molti rami della scienza. Una applicazione attualmente molto diffusa è anche la deposizione di film [[w:Ferromagnetismo|ferromagnetici]] per la realizzazione di [[w:Disco_rigido|dischi rigidi]] usati per l'immagazzinamento della maggior parte dei dati nel [[w:Computer|computer]]. Vi sono applicazioni anche in campo medico, biologico e farmacologico.
Film sottili sono materiali sottili che vanno da frazioni di nanometri a parecchi µm in spessore. I dispositivi a semiconduttori e la copertura di lenti sono le principali applicazioni di tali tecniche.
 
La prima applicazione più comune è stata nella fabbricazione degli [[w:Specchio|specchi]] in cui un film sottile di metallo sul retro di uno strato di vetro forma una interfaccia riflettente. Nel passato era pratica comune formare tale strato metallico in argento, a partire dalla sua [[w:Amalgama|amalgama]]. Tale metodo fu inventato nel XVI secolo dai vetrai veneziani nell'isola di [[w:Murano|Murano]]. Per circa cento anni gli specchi Veneziani erano un segreto industriale e gli specchi, molto costosi, erano un lusso per pochi in Europa. Nel XVII secolo, mediante spionaggio tecnologico, la tecnica divenne nota sia a Londra che a Parigi. Gli artigiani parigini resero la tecnica industriale riuscendo a fabbricare specchi molto più economici. Attualmente gli specchi vengono fabbricati depositando uno strato sottile di metallo.
L'azione di applicare un film sottile su una superficie è chiamata deposizione di film sottile. In genere con tale nome si indica sia la deposizione di un film sottile di materiale su un substrato o su uno strato precedentemente depositato. Sottile è un termine relativo, ma la maggior parte delle tecniche di deposizione permettono il controllo dello spessore dello strato con una precisione pochi ''nm'', nella tecnica di [[w:Epitassia_di_fasci_molecolari|MBE]] è possibile avere un controlli sui singoli atomi depositati.
 
Film sottili [[w:Ceramica|ceramici]] sono molto utilizzati. Infatti la relativamente alta durezza e resistenza chimica rende questo tipo di film sottile utile per la protezione dei materiali sottostanti dalla corrosione, ossidazione ed abrasione. In particolare vengono utilizzati strati di protezione ceramica per ricoprire utensili da taglio, tale trattamento estende in maniera di molto la durata di tali strumenti.
Esistono due metodologie generali di deposizione di film sottili: la deposizione fisica da fase vapore (''Physical vapor deposition'': PVD) e la deposizione chimica da fase vapore (''Chemical Vapor Deposition'': CVD).
 
Si chiama deposizione il processo di applicazione su una superfice di un film sottile. In genere nelle tecniche di deposizione lo spessore del film viene controllato con una precisione di qualche [[w:nanometro|nanometro]], anche se esistono tecniche di deposizione come la [[w:Epitassia da fasci molecolari|Epitassia da fasci molecolari]] che permette il controllo durante la deposizione di ogni singolo strato di atomi.
 
Le tecniche di deposizione si dividono in due grandi categorie,a seconda se il processo è essenzialmente [[w:Chimica|chimico]] o [[w:Fisica|fisico]]:
===Deposizione chimica===
 
In questo caso un fluido precursore subisce un cambiamento chimico quando viene in contatto con la superfice di un solido. Un esempio dalla vita di tutti i giorni è la formazione di [[w:fuliggine|fuliggine]] su un oggetto freddo posto dentro una fiamma. Poichè il fluido circonda il solido, la deposizione avviene su tutte le superfici, con una dipendenza trascurabile dalla direzione del solido. Quindi i film sottili prodotti mediante tale tecnica tendono a ricoprire uniformente le superfici: si parla in genere di deposizione conforme che quindi tende a ricoprire anche gli spigoli vivi presenti nel solido sottostante, il contrario della deposizione conforme è quella direzionale che difficilmente si riesce ad ottenere nella deposizione chimica.
=== Elettromigrazione ===
L'elettromigrazione è un fenomeno di trasporto di atomi dovuti alla densità di corrente. Più uno schema diviene piccolo e più la densità di corrente aumenta, e quindi aumenta questo fenomeno.
 
La deposizione chimica viene classifica sulla base della fase del precursore, le più comuni sono:
 
*'''[[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Chemical_Vapor_Deposition_(CVD)|Chemical vapor deposition]]''' (la traduzione italiana ''deposizione chimica da fase vapore'' è poco usata) il precursore è in genere un gas, spesso o un [[w:alogenuro|alogenuro]] o un [[w:idruro|idruro]] dell'elemento da depositare. Nel caso di epitassia in fase vapore Metallorganica viene usato un gas [[w:Chimica_metallorganica|metallorganico]]. In genere quando il processo avviene a pressioni molto basse del gas precursore si ha un migliore controllo della qualità dei film prodotti.
 
*'''Placcatura''' si basa su un precursore liquido, spesso una soluzione di acqua con un [[w:Sale|sale]] del metallo che deve essere depositato. In alcuni processi di placcatura, in genere quelli con [[w:Metalli_nobili|metalli nobili]], la reazione chimica avviene direttamente al contatto della soluzione con la superfice da placcare. Un migliore controllo della deposizione viene fatto mediante [[w:Galvanostegia|elettrodeposizione]]. In questo caso nella soluzione viene immerso non solo il solido (primo elettrodo) su cui si vuole depositare il film, ma anche un secondo elettrodo, applicando una differenza di potenziale opportuna, controllando la corrente che scorre si riesce ad avere un buon controllo sul film da depositare. La corrente elettrica fornisce l'energia necessaria a scindere il sale e a liberare il metallo da depositare. Nei processi utilizzati in microelettronica la tecnica di elettrodeposizione è tornata ad essere utilizzata con l'uso della lucidatura meccanica-chimica (''chemical-mechanical polishing'').
=== Metallizzazione ===
Fino a poco tempo fa le metallizzazioni erano fatte di alluminio, ma piano piano si sta passando a utilizzare il rame: questo cambio di tendenza è dovuto allo sforzo che si sta facendo per aumentare il livello di integrazione. Questo porta ad una diminuzione delle dimenzioni del dispositivo e le conseguenze più immediate sono:
 
*'''Deposizione da soluzioni chimiche''' in questo caso si usa un liquido precursore composto da una polvere [[w:Chimica_metallorganica|metallorganica]] sciolta in un solvente organico. Questa è una tecnica relativamente economica e semplice che permette di produrre fasi cristalline con elevata stechiometria.
* Aumento delle resistenze della linea;
* Aumento delle capacità viste dalla linea;
* Aumento della densità di corrente nella linea;
 
=== Deposizione fisica===
È ben noto tra due fili metallici, posti ad una certa distanza, avvengono fenomeni capacitivi più o meno intensi a seconda del dieletrico che viene interposto tra i 2.
La deposizione fisica utilizza la meccanica o la termodinamica per produrre film sottili di solidi.
Un esempio dalla vita di tutti i giorni è la formazione di [[w:brina|brina]]. I sistemi commerciali richiedono un ambiente a bassa pressione per garantire una elevata purezza e controllo del film da evaporare, viene in genere chiamata [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Physical_Vapor_Deposition_(PVD)|Physical vapor deposition]] (la traduzione italiana ''deposizione fisica da fase vapore'' è poco usata)
 
Il materiale che deve essere depositato è posto in una regione della camera da vuoto (sorgente), a causa dell'elevata energia acquistata le particelle fuoriescono dalla superfice della sorgente. Di fronte alla sorgente vi è il substrato che raffredda le particelle che la bombardano, permettendo la formazione di uno strato solido. Il sistema è mantenuto all'interno di una camera da vuoto, in maniera da permettere alle particella da depositare di viaggiare liberamente dalla sorgente al substrato. Poichè la tratiettoria delle particelle è in genere una linea retta, il filme depositato tende ad essere direzionale, a differenza della deposizione chimica.
Questo fenomeno è schematizzabile come un circuito RC che introduce un ritardo che è dato dal prodotto RC. Dobbiamo quindi ridurre la resistività della linea e ridurre il più possible il fenomeno dell' elettromigrazione. Poiché la resistività è più bassa e l'energia di attivazione(che è direttamente proporzionale al tempo medio in cui si verifica all'elettromigrazione)è più alta(e a noi fa comodo perché più questo tempo aumenta meno si verifica l'elettromigrazione) nel rame rispetto all'alluminio allora il primo è un candidato per l'utilizzo.
 
Gli esempi più comuni sono:
Ci sono anche alcuni svantaggi:
;Minor propensione alla passivazione,esponibile a fenomeni di corrosione.
:Questo avviene perché l'alluminio ha un più basso valore del potenziale redox, mentre nel rame è più alto e quindi non avviene la passivazione.Questo potenziale non è abbastanza alto e quindi è soggetto a corrosione.
; Elevata diffusività nel silicio e suoi ossidi.
:Questo complica un po' il processo, infatti per evitare che il rame si diffonda nel silicio si aplica una barriera attorno al rame di Ta.
;I suoi grani cambiano nel tempo.
 
*'''evaporazione termica''' in questo caso il materiale da evaporare è posto in un crogiolo di un metallo ad elevata temperatura di fusione che viene riscaldato elettricamente. Se la temperatura del materiale da evaporare è tale che la sua pressione di vapore diventa dell'ordine di frazioni di Pa, il materiale si deposita in tutte le superfici a temperatura più fredda della camera da vuoto. Solo i materiali con bassa temperatura di fusione possone essere depositati con questa tecnica. La qualità del vuoto è un parametro essenziale in quanto, se il vuoto è scadente, le impurità del vuoto vengono inglobate nel film evaporato.
*'''Cannone elettronico''' in questo caso un fascio di elettroni altamente energetici con energie dell'ordine di qualche KeV vengono inviate su una piccola porzione del materiale da evaporare. Le potenze del fascio di elettroni sono di qualche KW. Il fascio di elettronic viene solitamente deviato, mediante un opportuno campo magnetico, di 270° in maniera da evitare che il filmamento che emette gli elettroni sia esposto al materiale da evaporare. Il crogiolo in cui è contenuto il materiale da evaporare è in genere di [[w:Grafite|grafite]] che è il materiale conosciuto con la più alta temperatura di fusione. A sua volta i crogiolo di grafite è contenuto in un dissipatore di calore di rame. Mediante questa tecnica si riescono a evaporare materiali anche materiali con elevata temperatura di evaporazione. Facilmente si hanno velocità di deposizione tra 0.1 e 10 nm al secondo.
*'''[[w:Sputtering|Sputtering]]''' in questo caso viene creato un plasma in un [[w:gas nobile|gas nobile]], quale l'[[w:Argon|Argon]]. Gli ioni positivi del plasma accelerati dai campi elettrici presenti localmente nel plasma bombardano la superfice del materiale da evaporare, che è per la fisica interna del plasma ad un potenziale negativo (catodo) ed estragggono meccanicamente gli atomi presenti su tale elettrodo. Il bersaglio (''target'') può essere mantenuto a bassa temperatura e mediante questa tecnica fisica si possono evaporare non solo materiali semplici ma anche materiali composti complessi, che a causa della differente tensione di evaporazione non potrebbero essere evaporati termicamente o con cannone elettronico. La scarica del plasma avviene in un [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_vuoto|vuoto medio]] <math>10^{2}\ </math>-<math>10^{-1}\ Pa</math>, questo fa sì che la deposizione può essere sia conforme che direzionale. Tale tecnica è molto usata a livello industriale ad esempio nella fabbricazione di [[w:CD|CD]], [[w:DVD|DVD]] e [[w:Blu-ray_Disc|BD]]. E' una tecnica molto semplice e permette un ottimo controllo dello spessore.
*'''Deposizione mediante laser impulsato''' funziona mediante un processo di [[w:ablazione|ablazione]]. Un [[w:laser|laser]] di alta potenza impulsato vaporizza la superfice del materiale sul bersaglio e lo converte rapidamente in un plasma; tale plasma diventa un gas quando raggiunge le superfice del substrato.
 
=== Deposizione chimico fisica===
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*'''Sputtering reattivo''' è un tipo di sputtering che avviene in una miscela di un gas nobile e altri gas quali l'ossigeno o l'azoto. Il materiale viene estratto dal catodo a causa del bombardamento degli ioni di gas nobile, e nel percorso fino al bersaglio reagisce chimicamente con il gas nella camera formando nel caso dell'ossigeno ossidi e nel caso dell'azoto nitruri.
=== Damascene ===
*'''[[w:Epitassia da fasci molecolari|Epitassia da fasci molecolari]]''' (''MBE'') in questo caso un getto di un elemento è diretto verso il substrato, in maniera tale che la deposizione del metallo avviene lentamente depositando uno strato atomico alla volta. Con tale tecnica si riescono a fabbricare materiali speciali e composti, ad esempio, l'[[w:Arseniuro_di_gallio|arseniuro di gallio]] può essere depositato applicando uno strato di [[w:Gallio|Gallio]], poi uno di [[w:Arsenico|Arsenico]] e così via, il processo è contemporaneamente chimico e fisico. Il getto di materiale può provenire da un forno o da un reazione chimica (viene in questo caso chiamata epitassia chimica). Questa tecnica è condotta in vuoto molto spinto (tipicamentee 10<sup>-8</sup> Pa).
Il rame non forma composti volatili ed è quindi difficile da asportare. Non posso usare il metodo dell'alluminio illustrato in figura1.[[File:sottrat.jpg|250px|thumb|left|Fig.1:Deposizione alluminio]]Questo metodo viene effettuato asportando l'alluminio , successivamente viene posto l'ossido e infine viene asportato il materiale in eccesso.
 
==Ulteriori letture==
Il metodo che invece andiamo ora a descrivere prende il nome di "Damascee" fa infatti l'esatto contrario. Inizialmente mette l'ossido; in seguito viene effettuato un processo di Etch; infine, viene depositato il rame e poi viene meccanicamente eliminato la parte in eccesso.(fig.2) [[File:addiz.jpg|300px|thumb|right|Fig.2 Damascene]]
*L. I. Maissel, R. Glang (eds.) "Handbook of Thin Film Technologie" (1970) McGraw Hill, New York.
Iterando il procedimento per più strati si ha il Dual Damascene.
*R. A. Levy (ed.) "Microelectronic Materials and Processed" (1986) Kluwer Academic Publisher.
 
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=== Elettroplating ===
[[File:elettrop.jpg|300px|thumb|left|Schema dell elettroplating]]
 
La deposizione del rame avviene in due fasi:
* deposizione di un film sottile(PVD)
* deposizione con la tecnica dell'elettroplating.
La tecnica dell'elettroplating non è altro che un processo che avviene in una cella elettrolitica. Per prima cosa i atomi di Cu rappresentano l'anodo, mentre il wafer attraverso opportuni sostegni è collegato all'anodo; un metallo tende a liberarsi degli elettroni che sono liberi di muoversi attraverso tutto il metallo; questo blocco di rame si trova a contatto con una soluzione di rame(CuSO4) e i suoi ioni tendono ad entrare in soluzione.
 
Avremo che la soluzione sarà elettricamente positiva e il metallo elettricamente negativo.Sotto l'azione di una differenza di potenziale questi ioni sono portati ad andare dall'anodo al catodo. Arrivati al catodo gli ioni si ricombinano e si depositano sul wafer secondo la relazione: <math>Cu^2 +2e^-</math>--> <math>Cu^0</math>. Quindi, sull'anodo il rame si ossida e sul wafer si riduce.
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Film sottili]]
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