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

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{{Micro e nanotecnologia}}
[[ImageImmagine:Schema--Sputtering.png|left|thumb|400px350px|Schema semplificato di un sistema di sputtering]]
La deposizione mediante sputtering è una tecnica di deposizione fisica di film sottili (nel testo si useranno degli inglesismi quali film sputterati o sputterare non esistendo parole italiane che ne siano una fedele traduzione). La tecnica consiste nel rimuovere materiale dal target, che è la sorgente, e da questa depositarlo sul substrato, ad esempio un wafer di silicio. Il resputtering è la rimozione del materiale deposto durante il porcesso di deposizione da parte degli ioni o degli atomi incidenti sul substrato. Gli atomi ''sputterati'' dal target hanno una grande distribuzione di energie da frazioni di eV fino a decine di eV. Gli atomi sputterati può in maniera balistica andare in linea retta dal target urtando il substrato o la camera da vuoto, causando eventualmente resputtering. Notiamo come gli ioni sono una minoranza, infatti tipicamente sono ionizzati solo una piccola frazione degli atomi dell'ordine dell'1%. Alternativamente, a pressioni maggiori, gli atomi collidono con gli atomi del gas che agiscono come un moderatore e si muovono in maniera diffusiva, raggiungendo il substrato o la camera da vuoto e condensandosi dopo avere fatto un [[w:Passeggiata_aleatoria|cammino stocastico]]. Cambiando la pressione, durante il processo, si può andare da urti balistici di alta energia a moto termalizzato di bassa energia. Il gas utilizzato nello sputtering è in genere un gas inerte come l'[[w:Argon|Argon]]. Per un trasferimento efficente della quantità di moto, il peso atomico del gas utilizzato dovrebbe essere simile al peso atomico del materiale del target, quindi per depositare mediante sputtering materiali leggeri è preferibile il [[w:Neon|Neon]], mentre per materiali pesanti possono essere usati il [[w:Krypton|Krypton]] o lo [[w:Xenon|Xenon]]. In pratica, per motivi economici, viene comunemente usato l'Argon, che è di gran lunga più economico rispetto agli altri gas nobili.
Gas reattivi possono anche essere utilizzati per depositare composti. In questo caso il composto può essere formato o durante il tragitto o sul substrato a seconda dei parametri di processo. Il fatto che molti parametri determinano le caratteristiche del film depositato rendono il processo complesso, ma anche permettono agli esperti di crescere film di proprietà microstrutturali
particolari.
 
== Uso dello 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. È una tecnica di deposizione molto comune, sia in quanto molte delle problematiche sono comuni alle varie tecniche di deposizione assistite da plasma.
Lo sputtering è comunemente usato dall'industra dei semiconduttori per depositare film sottili di vari materiali quali Tungsteno, Alluminio, Titanio, Rame. In genere poichè la temperatura del substrato può mantenersi bassa è la tecnica ideale per realizzare contatti metallici nei dispositivi elettronici. Una altra applicazione importante sono gli [[w:Trattamento_antiriflesso|strati antiriflettenti]] sulle lenti che vengono comunemente realizzate con tale tecnica. La metallizazione di contenitori in plastica anche viene realizzata in genere con tale tecnica. Nella fabbricazione di CD e DVD il metallo depositato, in genere Alluminio, è depositato mediante sputtering.
 
La superfice degli hard disk sono costituite da Ossido di Cromo (CrO<sub>x</sub>) o altri materiali sempre cresciuti con la stessa tecnica.
==Sistemi e metodi di sputtering==
 
== Paragone con altre tecniche di deposizione==
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.
Un vantaggio importante della deposizione via sputtering è che anche materiali con punto di fusione
molto elevato possono essere sputterati, cosa praticamente impossibile con [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Evaporazione|evaporazione termica]]. Film sputterati hanno una composizione molto simile a quella della sorgente. La differenza eventuale
è dovuta alla diversa diffusione dal target al bersaglio, in quanto i materiali più leggeri sono deflessi più facilmente dal gas, ma la eventuale differenza di composizione non cambia nel tempo.
Film sputterati hanno tipicamente una adesione molto migliore al substrato di film evaporati.
Inoltre un target contiene una grande quantità di materiale e quindi molto raramente occorre rinnovare il materiale del target e questo permette di utilizzare la tecnica anche in [[w:vuoto|vuoto]] molto spinto (UHV). Le sorgenti per lo sputtering non contengono parti calde (per evitare surriscaldamento i catodi sono tipicamente raffreddate ad acqua) e sono compatibili con gas reattivi quali l'[[w:Ossigeno|Osssigeno]]. Mentre l'evaporazione deve necessariamente essere effettuata dal basso verso l'alto, sputtering può essere effettuata anche dall'alto verso il basso.
Non esistono problemi di schizzi di materiale come avviene nell’evaporazione.
Il processo di sputtering è compatibile con processi speciali quali la [[w:Crescita_epitassiale|crescita epitassiale]].
 
Alcuni svantaggi sono che il processo è più difficile da combinare con la tecnica di lift off usata per strutturare nel piano i film, questo a causa del fatto che il trasporto diffusivo, carateristico dello sputtering, rende impossibile una ombra perfetta (cioè il film sputterato
Essa consiste essenzialmente nel fornire alta tensione al catodo con il materiale da depositare posto in una camera sotto vuoto.
riesce a coprire anche zone nel cono d'ombra di evaporazione). In realtà, non potendo limitare
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.
completamente dove gli atomi vanno, si possono avere problemi di contaminazione.
E' difficile controllare una crescita strato per strato. Inoltre nella matrice del film sputterato gli atomi dei gas inerti usati per il plasma sono inglobati nella struttura e costituiscono delle imperfezioni. La velocità di deposizione è in genere limitata a meno di 200 nm/min.
==Il fenomeno fisico dello Sputtering==
Lo sputtering è un fenomeno fisico nel quale ioni, solitamente Ar<sup>+</sup>, vengono accelerati per mezzo di un gradiente di potenziale in modo da bombardare un “bersaglio” (Target), o [[w:catodo|catodo]]. Poiché gli ioni cedono la loro quantità di moto agli atomi posti sulla superficie del bersaglio, questi ultimi diventano volatili e sono trasportati sotto forma di vapore sul substrato dove vengono deposti sotto forma di film metallico.
 
[[Immagine:03_Formazione_del_Plasma.png|left|thumb|300px|Formazione del Plasma]]
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). È inoltre possibile depositare materiali che non si possono depositare per evaporazione sotto vuoto.
 
* Si immette nella camera l’Argon che è un gas inerte. Fornendo una differenza di potenziale, gli “elettroni liberi” verranno accelerati lontano dalla carica negativa del catodo. Essi incontreranno nel loro percorso gli atomi di Argon e dall’urto riusciranno a ionizzarli, estraendo un elettrone che urterà un altro atomo di Argon e, per un processo a catena, si creerà il [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma|plasma]] . La [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma#Interazioni possibili tra ione e atomo|diseccitazione]] degli atomi che non sono stati ionizzati, ma eccitati, determina la luminosità della scarica.
Se si pensa di utilizzare uno sputtering per le proprie necessità conviene considerare quanto segue:
 
* Gli ioni Ar<sup>+</sup> caricati positivamente vengono accelerati verso il catodo negativo (dove c’è il target) formando una corrente di plasma con una quantità di moto sufficiente da estrarre atomi dal materiale bersaglio (atomi non ionizzati, frammenti di molecole, ecc …) che si diffonderà in tutta la camera e, quindi, anche sul substrato.
* 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
 
[[Image:04_Sputtering_target.png|right|thumb|300px|Sputtering del Target e deposizione off-axis]]
==Metodi di sputtering==
 
* Gli atomi espulsi collidono con il substrato formando un film estremamente sottile. In genere la formazione del film consiste in cinque processi successivi di trasporto del materiale (precursore) sulla superficie, assorbimento dei precursori, diffusione di superficie, nucleazione e crescita di isole, crescita del film continuo. A volte può succedere che la quantità di moto dei precursori sia talmente grande da fare in modo che questi vengano impiantati nel substrato. La velocità di deposizione dipende dalla distanza del Target dal substrato.
===Diodo planare===
 
lo sputtering è dovuto al trasferimento della quantità di moto dalla particella incidente all’atomo del bersaglio solido. per fare in modo che questo trasferimento sia significativo, bisogna che la particella incidente abbia almeno una massa <math>M_1\ </math> comparabile con quella dell’atomo del bersaglio <math>M_2\ </math>. Quindi gli ioni sono facilmente accelerati verso il bersaglio da un campo elettrico <math>E_i\ </math> generato dalla differenza di potenziale applicata agli elettrodi e un certo numero N di atomi viene emesso dal bersaglio. Il numero N di atomi per unità di area che lasciano il substrato è:
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+.
 
{{Equazione|eq=<math>N=\frac J{qZ}F(E,M_1,M_2)\ </math>|}}
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
 
Dove <math>J\ </math> è la densità (unidimensionale) di corrente degli ioni che bombardano il catodo ed è proporzionale alla tensione che decidiamo e alla quantità di Argon che immettiamo nella camera. q è la carica elettronica e Z è il numero di cariche per ione. <math>F\ </math> è un parametro quantitativo che indica il numero di atomi estratti dalla superficie del target per ione che incide.
Gli svantaggi sono:
* il materiale da depositare deve essere fornito in lastre
[[Image:07_Curva_resa_Sputtering.png|left|thumb|300px|Dipendeza di <math>F\ </math> resa dello Sputtering]]
* la velocità di deposizione è generalmente meno di 2000 A°/min
* il substrato deve essere raffreddato
 
<math>F\ </math> (adimensionale) (resa in inglese ''yield'') è una funzione dell’energia <math>E\ </math> posseduta dagli ioni, del peso atomico <math>M_1\ </math> degli ioni e del peso atomico <math>M_2\ </math> degli atomi del target. Altri contributi ad <math>F\ </math> sono la dipendenza dall’energia di legame interatomico del target e dall’angolo di incidenza. Da considerazioni geometriche, è chiaro che l’incidenza obliqua degli ioni che colpiscono il bersaglio aumenta la resa dello sputtering. Con incidenza non perpendicolare è più facile che le collisioni conferiscano una componente di velocità diretta verso l’esterno del bersaglio agli atomi del bersaglio stesso. La curva di resa (''yeld'') dello Sputtering <math>F(E)\ </math> è una funzione dell’energia dello ione incidente. È all’incirca lineare fino ad una certa energia oltre la quale tende ad un asintoto orizzontale. A tali energie gli ioni penetrano così in profondità che l’energia non è più trasmessa agli strati superficiali ma a quelli sottostanti; in modo che gli atomi hanno probabilità nulle di uscire dal bersaglio. Questo è il principio di funzionamento di un altro processo: Impiantazione Ionica.
===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.
 
[[Image:08_Schema_Sputtering.png|right|thumb|300px|Schema dello Sputtering]]
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.
 
Bisogna però considerare che N è un numero medio, perché non tutti gli ioni che impattano fanno uscire un atomo dal target. Solo gli atomi degli strati superiori riescono a guadagnare energia sufficiente per essere emessi. A parte lo sputtering, lo ione incidente causa lo spostamento degli atomi ed alcuni ioni vengono addirittura impiantati nel bersaglio. Questi ioni impiantati possono venire in seguito emessi dal campione come atomi <math>Ar\ </math> sputterati e addirittura andare a finire sul substrato. Alcuni ioni addirittura vengono riflessi dal campione senza far avvenire lo sputtering (processo alla base della Spettroscopia ad impatto da Ioni) ed altri ioni <math>Ar^+\ </math>,invece, nell’urto possono acquistare un elettrone e ricostituire un atomo di <math>Ar\ </math> neutro. Anche elettroni possono essere espulsi dal target. Solo una piccola parte dell’energia dello ione è utilizzata per lo sputtering, la rimanente viene dissipata nello spostamento degli atomi all’interno del bersaglio, con il risultato di surriscaldarlo. Per questo motivo i target vengono raffreddati durante il processo. Se il sistema di raffreddamento non è sufficiente, l’aumento di temperatura potrebbe causare la fusione del target o del suo supporto!
Il risultato è un aumento della velocità di deposizione rispetto al sistema a diodo planare.
 
=== Distribuzione angolare===
===Sputtering a radiofrequenza===
[[File:PVD.svg|520px|thumb|left|a) Distanze elevate tra target e substrato accentuano il fenomeno della diffusione con le molecole del gas e causano distribuzione angolare ampie. <br/> b) Avvicinare il target al substrato non modifica sostanzialmente la distribuzione angolare. <br/> c)nel caso si debbano riempire contatti stretti per diminuire ulteriormente la distribuzione angolare si fa uso di un collimatore interposto tra target e substrato.]]
Un difetto del processo di sputtering è la grande distribuzione angolare degli atomi che incidono sulla superfice dovuta agli urti degli atomi provenienti dal target e il gas. Tale distribuzione angolare è un problema tecnologico quando si debbono metallizzare zone molto fonde e strette: in quanto il film via via crescendo tende a chiudere il buco superiore di fatto non permettendo un contatto tra lo strato superiore ed inferiore. La distribuzione angolare di un film tipico è mostrato nella figura a fianco (a). Avvicinando il target al substrato diminuisce la probabilità di urti, ma la distribuzione angolare non cambia in maniera apprezzabile, figura (b), in quanto la necessità di avere una buona uniformità di sputtering implica che vi sia una piccola separazione tra il target ed il substrato, riducendo gli urti con le molecole del gas. Anche in questo caso gli atomi incidono sulla superfice con un'ampia distribuzione angolare.
Per diminuire la distribuzione angolare si può diminuire la pressione al di sotto di 0.1 Pa, generando un minor effetto di scattering del gas.
 
Nel caso in cui si debbano riempire stretti contatti, in alcuni casi si fa uso di un collimatore che restringe il flusso di atomi all'interno di un range angolare di +- 5° attorno alla normale come mostrato in figura (c).
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.
 
===Struttura e morfologia===
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.
Studi approfonditi sulla struttura e la topografia di film sputterati metallici sono dovuti a J. A. Thornton <ref>J.A. Thornton, Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings, J. Vac. Sci. Tech., '''11''',666 (1974)</ref>. In tale studio viene esteso il modello delle zone di crescita introdotto per i film evaporati<ref>B. A. Movchan and A. V. Demchishin, Study of the structure and properties of thick vacuum condensates of nickel, titanium, tungsten, aluminium oxide and zirconium dioxide, Phys. Met. Metallogr., '''28''' 83 (1969) </ref>. Thornton introduce una nuova zona detta T, che è osservata per Argon a bassa pressione ed è caratterizzata da grani fibrosi densamente impacchettati. Il punto più importante di questa estensione del modello è l'enfasi che viene data alla pressione '''p''' che è considerato un parametro significativo per il processo. La ragione
che la pressione gioca un ruolo significativo è dovuto al fatto che gli atomi che escono dal substrato escono con una elevata energia cinetica e la pressione attraverso il [[w:Cammino_libero_medio|cammino libero medio]] determina l'energia con cui arrivano sulla superfice dove cresce il film. L'altro parametro che determina le prorietà del film è la temperatura di deposizione.
 
Poichè la deposizione attraverso sputtering viene inquadrata nelle crescite assistite da plasma, oltre agli atomi neutri vi sono anche speci cariche (come gli ioni Argon) che urtano la superfice dove viene cresciuto il film, e questa componente può esercitare effetti notevoli. Se definiamo
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.
i flussi ioni ed atomici con ''J<sub>i</sub>'' e ''J<sub>a</sub>'', si trova che il rapporto ''J<sub>i</sub>/J<sub>a</sub>'' gioca un ruolo decisivo sulla morfologia e sulla struttura microscopica del film<ref>H. Windischman,Intrinsic stress in sputter-deposited thin film, Rev. Sol. St. Mat. Sci., '''17''' 547 (1992)</ref>. La ragione dipende da parametri strutturali quali le orientazione preferenziale dei [[w:Cristalliti|cristalliti]] e dallo stato dello stress residuo.
 
== Tipi di sistemi di sputtering==
=== dc Sputtering===
Il porta target funziona come catodo e il porta substrato come anodo. Quando si applica una elevata tensione in corrente continua ( ad esempo 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<sup>+</sup>. Questa tecnica permette di evaporare solo film conduttori.
 
Una variante del processo consiste nell'utilizzo di un terzo elettrodo: un anodo, un target come in precedenza e di una ulteriore sorgente di elettroni. La camera viene mantenuta alla necessaria bassa pressione e gli elettroni vengono prodotti da una sorgente termoionica a filamento separata.
I vantaggi dell’uso di un plasma in RF rispetto al diodo o triodo convenzionale sono:
Gli elettroni vengono accelerati verso l’anodo ionizzando in maniera consistente 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 una elevata ionizzazione del plasma . Lo scopo del filamento caldo è di aumentare il numero di ioni che bombardano il target e di mantenerne costante il valore di polarizzazione.
* operando a pressioni di circa 2 x 10-4 mbar si riducono le inclusioni di impurità e la non riproducibilità del fil
Il risultato è un aumento della velocità di deposizione rispetto al sistema a diodo planare ed un migliore controllo dei parametri di processo. Bisogna aggiungere che il filamento caldo rappresenta spesso un elemento critico che rende più frequenti gli interventi di manutenzione
* non occorre usare un filamento caldo d’emissione di elettroni. Si evitano perciò contaminazioni da filamento e sua rottura
e la contaminazione dei film.
 
=== dc Sputtering Magnetron ===
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.
 
[[Immagine:12_Circular_Planar_Magnetron_Target.png|thumb|400px|DC Sputtering Magnetron: Schema della sezione bersaglio di Al e foto di un bersaglio reale]]
===Catodi ''magnetron''===
 
Una variante del processo è il dc Sputtering Magnetron. Utilizza una sorgente in corrente continua per attivare il [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma|plasma]] e per creare una corrente di ioni che bombardano il bersaglio. Esso rende più efficiente lo sputtering in quanto intrappola in un campo magnetico, in prossimità del campione, gli elettroni secondari emessi dal target e li utilizza per ionizzare il gas inerte della scarica generando una corrente di ioni in prossimità della superficie aumentando la resa del processo.
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.
Quando una tensione negativa viene applicata al catodo gli elettroni emessi dal campione (oltre a quelli naturalmente presenti nella camera) vengono accelerati lontani dal target. Come la loro velocità aumenta, essi sono forzati a percorrere un percorso circolare dalla [[w:Forza_di_Lorentz|forza di Lorentz]] creata dal campo magnetico dovuto al magnete che è parallelo alla superficie del target.
Gli elettroni sono così intrappolati in questo percorso finché non perdono la loro energia, cioè finché subiscono un urto con un atomo del gas, a questo punto vengono nuovamente accelerati e solo raramente vengono spinti lungo le linee del campo magnetico (quindi non più soggetti alla forza di Lorentz). Gli elettroni possono perdere la loro energia anche in altri modi per esempio eccitando atomi di gas Argon o diseccitandoli; fenomeno responsabile proprio della scarica luminosa. Il risultato di queste ripetute collisioni è la formazione di un'alta densità di ioni <math>Ar^+\ </math> a poca distanza dalla superficie del target proprio nella zona della trappola magnetica. Il campo elettrico è perpendicolare alla superficie del target e accelera gli ioni dal plasma verso il bersaglio (poiché gli ioni hanno massa molto più grande di quella degli elettroni, essi risentono poco del campo magnetico) ; aumenta così la resa del processo di sputtering e si può notare dal fatto che il bersaglio viene consumato principalmente in quella zona. Inoltre, a pressioni di Argon di <math>10^{-3}mbar\ </math> il cammino libero medio degli ioni corrisponde proprio alla distanza tra la zona magnetica e la superficie del campione.
 
[[Immagine:11_Profilo_reale_target.png|left|thumb|300px|Profilo reale del target]]
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]]
 
La densità di corrente <math>J\ </math> al bersaglio non è uniforme, a causa proprio della forma del campo magnetico. La più grande densità di corrente la si ha dove il campo magnetico è parallelo al target, poiché gli elettroni riescono a seguire le linee di campo mentre si allontanano dal target; mentre gli elettroni che vengono emessi dalla superficie nella zona dove le linee di campo sono quasi ortogonali alla superficie, non sono intrappolati ma vengono accelerati. A causa di questa non uniformità della densità di corrente, abbiamo che la curva caratteristica corrente - tensione è simile a quella di un diodo e per questo viene chiamato '''Diodo Sputtering'''. La disuniformità della densità di corrente <math>J\ </math> condiziona anche la distribuzione angolare degli atomi emessi dal bersaglio; si ha un andamento approssimativamente dato da una distribuzione cosθ rispetto alla normale alla superficie del target.
==Il fenomeno fisico dello Sputtering==
 
===Sputtering a radiofrequenza (rf)===
[[Image:01_DC_Sputtering_Magnetron.png|center|thumb|300px|DC Sputtering Magnetron]]
 
Lo sputtering in dc è usato per depositare solo film metallici le cui superfici non siano fortemente ossidate. La ragione dello sviluppo della tecnica a radiofrequenza per la deposizione di film dielettrici e metallici risiede quindi nella maggiore flessibilità. Anche se per alcuni processi di deposizione di metalli la tecnica di sputtering in dc presenta caratteristiche peculiari di migliore controllo dei parametri di processo. Una superficie isolante nel plasma si carica negativamente rispetto al potenziale del plasma. Questo avviene perché la velocità degli elettroni liberi è molto maggiore di quella degli ioni del plasma. 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.
Lo sputtering è un fenomeno fisico nel quale ioni, solitamente Ar+, vengono accelerati per mezzo di un gradiente di potenziale in modo da bombardare un “bersaglio” (Target), o [[w:catodo|catodo]]. Poiché gli ioni cedono la loro quantità di moto agli atomi posti sulla superficie del bersaglio, questi ultimi diventano volatili e sono trasportati sotto forma di vapore sul substrato dove vengono deposti sotto forma di film metallico.
 
L’uso della RF permette di mantenere il plasma senza ricorrere all’emissione termoionica. L'efficienza del processo dipende dalla frequenza, a frequenze troppo basse (decine di kHz) la differenza di comportamento degli ioni e degli elettroni non è importante, quindi bisogna aumentare di molto la tensione del campo per fare avvenire la scarica a plasma. A frequenza di qualche MHz gli ioni non riescono più a seguire la variazione del campo elettrico e il processo di sputtering a rf diventa più efficiente. La scelta di operare a 13,56 MHz inoltre è stata dettata dall'autorità delle telecomunicazioni per non interferire con canali di telecomunicazioni.
[[Image:03_Formazione_del_Plasma.png|left|thumb|200px|Formazione del Plasma]]
 
I vantaggi dell’uso di un plasma in rf rispetto ad plasma in dc sono la possibiltà di operare a pressioni relativamente basse del gas, che riducono le inclusioni di impurità e la non riproducibilità del film. Non è necessario usare un terzo elettrodo (filamento caldo d’emissione di elettroni). Si evitano perciò contaminazioni da filamento e la sua eventuale rottura.
* Si immette nella camera l’Argon che è un gas inerte. Fornendo una differenza di potenziale, gli “elettroni liberi” verranno accelerati lontano dalla carica negativa del catodo. Essi incontreranno nel loro percorso gli atomi di Argon e dall’urto riusciranno a ionizzarli, estraendo un elettrone che urterà un altro atomo di Argon e, per un processo a catena, si creerà il [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma|plasma]] . La [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma#Interazioni possibili tra ione e atomo|diseccitazione]] degli atomi che non sono stati ionizzati, ma eccitati, determina la luminosità della scarica.
 
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.
* Gli ioni Ar+ caricati positivamente vengono accelerati verso il catodo negativo (dove c’è il target) formando una corrente di plasma con una quantità di moto sufficiente da estrarre atomi dal materiale bersaglio (atomi non ionizzati, frammenti di molecole, ecc …) che si diffonderà in tutta la camera e, quindi, anche sul substrato.
 
===Ion-beam sputtering===
[[Image:04_Sputtering_target.png|left|thumb|200px|Sputtering del Target]]
[[Immagine:Magnetrongun.jpg|thumb|Una sorgente per ion-beam sputtering.]]
 
Ion-beam sputtering (IBS) è un sistema in cui il target è esterno alla sorgente di ioni. In genere gli ioni sono generati da elettroni confinati in una regione in cui è presente un forte campo magnetico. Quindi gli ioni sono accelerati dal campo elettrico verso una griglia in direzione del bersaglio. Un secondo filamento esterno neutralizza la carica degli ioni. Il vantaggio dellIBS è che l'energia e il flusso degli ioni sono controllati in maniera indipendente. Poichè il flusso che colpisce il bersaglio è fatto di atomi neutri, possono essere sputterati con questa tecnica sia materiali isolanti che conduttori. Questa tecnica trova applicazione nella fabbricazione di dispositivi di piccola dimensione quali le [[w:Testina_induttiva|testine]]
* Gli atomi espulsi collidono con il substrato formando un film estremamente sottile. In genere la formazione del film consiste in cinque processi successivi di trasporto del materiale (precursore) sulla superficie, assorbimento dei precursori, diffusione di superficie, nucleazione e crescita di isole, crescita del film continuo. A volte può succedere che la quantità di moto dei precursori sia talmente grande da fare in modo che questi vengano impiantati nel substrato. La velocità di deposizione dipende dalla distanza del Target dal substrato.
degli hard disk. Viene in generato creato volutamente un gradiente di pressione tra la sorgente di ioni e la camera dove è posto il campione: cioè creando una sovrappressione nella camera della sorgente rispetto alla camera da vuoto e estraendo il gas nella camera da vuoto. Con una tecnica di questo genere si riducono le contaminazione e dà la possibilità di lavorare in Ultra Alto Vuoto (UHV). La tecnica non si presta a depositare grandi superfici e inoltre richiede una continua manutenzione,
 
===Sputtering reattivo===
lo sputtering è dovuto al trasferimento della quantità di moto dalla particella incidente all’atomo del bersaglio solido. per fare in modo che questo trasferimento sia significativo, bisogna che la particella incidente abbia almeno una massa <math>M_1\ </math> comparabile con quella dell’atomo del bersaglio <math>M_2\ </math>. Quindi gli ioni sono facilmente accelerati verso il bersaglio da un campo elettrico <math>E_i\ </math> generato dalla differenza di potenziale applicata agli elettrodi e un certo numero N di atomi viene emesso dal bersaglio. Il numero N di atomi per unità di area che lasciano il substrato è:
Nello sputtering reattivo, il film depositato è formato dalla reazione chimica tra il materiale del target ed il gas introdotto nella camera da vuoto (una miscela di gas inerte e gas reattivo). Spesso ossidi e nitruri sono fabbricati utilizzando sputtering reattivo. La composizione del film può essere controllata variando la composizione della miscela di gas. La [[w:stechiometria|stechiometria]] del film è un importante parametro per ottimizzare proprietà funzionali quali lo [[w:Tensione_interna|stress]] nel Nitruro di Silicio (SiN<sub>x</sub>) o l'[[w:Indice_di_rifrazione|indice di rifrazione]] del SiO<sub>x</sub>. Mediante sputteing reattivo
viene fabbricato l'[[w:Ossido_di_indio-stagno|ossido di stagno e indio]] che è trasparente e conduttore, usato in [[w:Optoelettronica|optoelettronica]] e in particolare nelle [[w:Celle_solari|celle solari]].
 
{{Equazione|eq=<math>N=\frac J{qZ}F(E,M_1,M_2)\ </math>|}}
 
Dove <math>J\ </math> è la densità (unidimensionale) di corrente degli ioni che bombardano il catodo ed è proporzionale alla tensione che decidiamo e alla quantità di Argon che immettiamo nella camera. q è la carica elettronica e Z è il numero di cariche per ione. <math>F\ </math> è un parametro quantitativo che indica il numero di atomi estratti dalla superficie del target per ione che incide.
[[Image:07_Curva_resa_Sputtering.png|left|thumb|200px|Curva di Resa dello Sputtering]]
 
F sarà una funzione dell’energia E posseduta dagli ioni, del peso atomico <math>M_1\ </math> degli ioni e del peso atomico <math>M_2\ </math> degli atomi del target. Altri contributi ad F sono la dipendenza dall’energia di legame interatomico del target e dall’angolo di incidenza. Da considerazioni geometriche, è chiaro che l’incidenza obliqua degli ioni che colpiscono il bersaglio aumenta la resa dello sputtering. Con incidenza non perpendicolare è più facile che le collisioni conferiscano una componente di velocità diretta verso l’esterno del bersaglio agli atomi del bersaglio stesso. La curva di resa (''yeld'') dello Sputtering <math>F(E)\ </math> è funzione dell’energia dello ione incidente. È all’incirca lineare fino ad una certa energia oltre la quale tende ad un asintoto orizzontale. A tali energie gli ioni penetrano così in profondità che l’energia non è più trasmessa agli strati superficiali ma a quelli sottostanti; in modo che gli atomi hanno probabilità nulle di uscire dal bersaglio. Questo è il principio di funzionamento di un altro processo: Impiantazione Ionica.
 
[[Image:08_Schema_Sputtering.png|left|thumb|200px|Schema dello Sputtering]]
 
Bisogna però considerare che N è un numero medio, perché non tutti gli ioni che impattano fanno uscire un atomo dal target. Solo gli atomi degli strati superiori riescono a guadagnare energia sufficiente per essere emessi. A parte lo sputtering, lo ione incidente causa lo spostamento degli atomi ed alcuni ioni vengono addirittura impiantati nel bersaglio. Questi ioni impiantati possono venire in seguito emessi dal campione come atomi <math>Ar\ </math> sputterati e addirittura andare a finire sul substrato. Alcuni ioni addirittura vengono riflessi dal campione senza far avvenire lo sputtering (processo alla base della Spettroscopia ad impatto da Ioni) ed altri ioni <math>Ar^+\ </math>,invece, nell’urto possono acquistare un elettrone e ricostituire un atomo di <math>Ar\ </math> neutro. Anche elettroni possono essere espulsi dal target.Solo una piccola parte dell’energia dello ione è utilizzata per lo sputtering, la rimanente viene dissipata nello spostamento degli atomi all’interno del bersaglio, con il risultato di surriscaldarlo. Per questo motivo i target vengono raffreddati durante il processo. Se il sistema di raffreddamento non è sufficiente, l’aumento di temperatura potrebbe causare l'evaporazione del bersaglio!
 
== DC Sputtering Magnetron ==
 
[[Image:12_Circular_Planar_Magnetron_Target.png|center|thumb|400px|DC Sputtering Magnetron: Schema della sezione bersaglio di Al e foto di un bersaglio reale]]
 
Una variante del processo è il DC Sputtering Magnetron. Utilizza una sorgente DC per attivare il [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma|plasma]] e per creare una corrente di ioni che bombardano il bersaglio. Esso rende più efficiente lo sputtering in quanto intrappola in un campo magnetico in prossimità del campione gli elettroni secondari emessi dal target e li utilizza per ionizzare il gas Argon generando una corrente di ioni in prossimità della superficie aumentando la resa del processo.
Quando una tensione negativa viene applicata al catodo gli elettroni emessi dal campione (oltre a quelli naturalmente presenti nella camera)vengono accelerati lontani dal target. Come la loro velocità aumenta, essi sono forzati a percorrere un percorso circolare dalla [[w:Forza_di_Lorentz|forza di Lorentz]] creata dal campo magnetico dovuto al magnete che è parallelo alla superficie del target.
Gli elettroni sono così intrappolati in questo percorso finché non perdono la loro energia, cioè finché non subiscono più la forza di Lorentz oppure finché subiscono un urto con un atomo del gas e vengono spinti fuori dalle linee di campo. Gli elettroni possono perdere la loro energia anche in altri modi per esempio eccitando atomi di gas Argon o diseccitandoli; fenomeno responsabile proprio della scarica luminosa. Il risultato di queste ripetute collisioni è la formazione di un'alta densità di ioni <math>Ar^+\ </math> a poca distanza dalla superficie del target proprio nella zona della trappola magnetica. Il campo elettrico è perpendicolare alla superficie del target e accelera gli ioni dal plasma verso il bersaglio (poiché gli ioni hanno massa molto più grande di quella degli elettroni, essi risentono poco del campo magnetico) ; aumenta così la resa del processo di sputtering e si può notare dal fatto che il bersaglio viene consumato principalmente in quella zona. Inoltre, a pressioni di Argon di <math>10^{-3}mbar\ </math> il cammino libero medio degli ioni corrisponde proprio alla distanza tra la zona magnetica e la superficie del campione.
 
[[Image:11_Profilo_reale_target.png|left|thumb|300px|Profilo reale del target]]
 
La densità di corrente <math>J\ </math> al bersaglio non è uniforme, a causa proprio della forma del campo magnetico. La più grande densità di corrente la si ha dove il campo magnetico è parallelo al target poiché gli elettroni riescono a seguire le linee di campo mentre si allontanano dal target; mentre gli elettroni che vengono emessi dalla superficie nella zona dove le linee di campo sono quasi ortogonali alla superficie, non sono intrappolati ma vengono accelerati. A causa di questa non uniformità della densità di corrente, abbiamo che la curva caratteristica corrente - tensione è simile a quella del diodo e per questo viene chiamato '''Diodo Sputtering'''. La disuniformità della densità di corrente <math>J\ </math> condiziona anche la distribuzione angolare degli atomi emessi dal bersaglio; si ha un andamento approssimativamente dato da una distribuzione cosθ rispetto alla normale alla superficie del target.
 
 
 
== Reactive Ion Sputtering ==
Questo metodo viene utilizzato quando non si vuole depositare solo un metallo ma una molecola.
Un materiale che si deposita con questo metodo è il TiN.<br>Oltre all'Argon si introduce una specie chimica in fase gassosa ,in questo caso l' azoto molecolare.Il target è Il Ti.
<br>Oltre a depositarsi titanio sulla superficie del wafer si vanno a legare anche gli atomi di azoto.
Questo avviene fino ad una certa concentrazione del gas. Quando l'azoto si presenta con una concentrazione
eccessiva esso si va a legare a anche con il target e questo non fa altro che rallentare il processo di deposizione sul wafer.
 
 
==Note==
<references/>
== Altri Progetti ==
 
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{{interprogetto|w=en:Sputter_deposition |etichetta= Sputter Deposition}}
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Film sottili]]
 
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