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

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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.
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*'''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'').
 
*'''[[w:Sol-gel|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.
 
=== Deposizione fisica===
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]], abbreviata con '''PVD''') (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.
 
Gli esempi più comuni sono:
*'''[[w:Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/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.
*'''[[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Evaporazione|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[[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Deposizione con cannone elettronico|Deposizione con 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.
 
*'''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.
*'''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.
===Caratteristiche della deposizione PVD===
*'''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.
 
'''Vantaggi'''
=== Deposizione chimico fisica===
 
*''Velocità'' di deposizione
*Ottima ''qualità'' dei materiali deposti. Film con assenza di contaminati che invece sono presenti nei film CVD
*''Uniformità'' della deposizione
*''Costi'' contenuti
 
'''Svantaggi'''
 
*Impossibilità di depositare materiali polimerici con qualche eccezione
*Alto grado di sofisticazione dell'apparecchiatura e, perciò, alto costo iniziale
*Tecnologia che richiede una preparazione adeguata del personale
 
=== Deposizione chimico fisica===
*'''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.
*'''[[w:Epitassia da fasci molecolariMicro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Molecular_Beam_Epitaxy_(MBE)|Epitassia daMolecular fascibeam molecolariepitaxy]]''' (''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).
 
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[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Film sottili]]
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