Tecnologie di Deposizione in Vuoto

Tecnologie di Deposizione in Vuoto

"Tecnologie di deposizione in vuoto" è una definizione che comprende un ampio insieme di processi che vengono utilizzati dall'industria per depositare film sottili, con una vasta gamma di composizioni e scopi, su substrato con composizione in gran parte variabile, sfruttando un ambiente ad alto vuoto.

In generale, il processo di deposizione in vuoto di film sottili coinvolge tre fattori, che sono: la fonte, il processo di trasporto e il substrato. Le proprietà del film sottile prodotto dipendono da molti parametri, come la temperatura di deposizione, la natura del substrato, la composizione del gas residuo nella camera a vuoto, la velocità di deposizione, ecc. Questo è un argomento complesso, che sarà trattato altrove e che è supportato da un'ampia letteratura.

Ad esempio, uno dei più semplici e tradizionali processi di deposizione in vuoto è chiamato evaporazione ed è un processo di deposizione fisica da vapore che trasforma il materiale -originariamente allo stato solido- in vapore, prima che raggiunga il substrato dove viene condensato e si deposita sotto forma di film sottili.

In termini più generali, il processo di deposizione può essere supportato da trasformazioni fisiche, - nel qual caso si dice appartenga al gruppo di processi PVD (Phisical Vapor Deposition) - o tramite trasformazioni chimiche - che ci consente di classificarlo come appartenente alla CVD ( Chemical Vapor Deposition).

Deposizione Fisica da Vapore (PVD)

Il gruppo di processi PVD comprende una vasta gamma di tecnologie diverse. Segue una breve descrizione delle più comuni.

Evaporazione termica

In questo processo, il materiale che è sempre allo stato liquido o solido evapora in presenza di calore e quindi si condensa sul substrato sotto forma di film sottili. Il substrato è a una temperatura inferiore rispetto alla sorgente.

Polverizzazione catodica o magnetron sputtering

Questo è uno dei metodi di deposizione fisica più comuni per la produzione di film sottili. Nella polverizzazione catodica, il materiale da depositare è sempre in forma solida e rappresenta il catodo di un dispositivo generatore di plasma chiamato magnetron (una descrizione approfondita di questo dispositivo sarà descritta in seguito), dove prende il nome di target. Fondamentalmente, l'obiettivo è sublimato a causa dell'azione di ioni che ne bombardano la superficie, consentendo così l'evaporazione del materiale da depositare senza la presenza di una fase fusa.

I vantaggi dello sputtering includono: l'elevata purezza dei film sottili che possono essere depositati, la consistenza del film sottile e l'omogeneità, l'ampia gamma di materiali che possono essere depositati, l'eccellente adesione alla superficie del substrato, ecc.

Uno dei principali svantaggi è l'alto costo della macchina e la lentezza della deposizione di film sottile.

Ablazione laser

La deposizione laser pulsata (PLD) comporta l'uso di un raggio laser mirato sul materiale da evaporare, che viene tenuto nella camera a vuoto. L'energia del raggio laser è così elevata da far evaporare il materiale target attraverso la camera del vuoto e quindi aderire al substrato producendo in tal modo un film sottile. Uno dei vantaggi della deposizione laser pulsata è la capacità di formare film con purezza molto elevata.

Deposizione ad arco catodico

La deposizione ad arco catodico è un tipo di metodo di deposizione fisica da vapore che prevede l'uso di un arco elettrico (alta corrente, bassa tensione) per far evaporare il materiale da depositare. La temperatura dell'arco è così elevata che qualsiasi materiale può essere vaporizzato ad una velocità ragionevolmente alta, superando così uno dei limiti delle tecnologie citate in precedenza. Il vapore quindi si condensa e si deposita sul substrato sotto forma di film sottile.

Questo metodo può essere utilizzato per produrre metalli, ceramiche e pellicole composite.

Uno degli svantaggi della deposizione di vapore ad arco è la bassa qualità micro strutturale del film sottile che può essere ottenuto e la presenza di eventuali difetti locali.

Applicazione della deposizione fisica da vapore

Le tecniche di deposizione fisica da vapore sono utilizzate in molti campi, come la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, utensili da taglio, rivestimenti decorativi, industria aerospaziale e in campo biomedico.

Deposizione chimica da vapore (CVD)

Nella deposizione chimica da vapore, i substrati sono esposti a gas volatili nella camera a vuoto che poi reagiscono o si decompongono sul substrato sotto forma di un film sottile. In altre parole, la CVD è la trasformazione delle molecole gassose (precursori) in un film sottile solido quando reagiscono chimicamente, mentre vengono in contatto con la superficie del substrato.

Va notato che esistono tecnologie CVD che non richiedono la realizzazione di un ambiente sottovuoto: in questo senso, le tecnologie CVD possono essere considerate più versatili rispetto alle controparti PVD.

CVD a microonde assistita da plasma

La reazione superficiale è assistita dalla presenza di un plasma che viene generato usando una sorgente di microonde e un gas tampone ionizzabile. Esistono due varianti principali di questo processo:

  • CVD potenziato dal plasma (PECVD), cioè CVD che utilizza il plasma per migliorare le velocità di reazione chimica dei precursori. L'elaborazione PECVD consente la deposizione a temperature più basse, che è spesso fondamentale nella produzione di semiconduttori. Le temperature più basse consentono anche la deposizione di rivestimenti organici, come i polimeri plasmatici, che sono stati utilizzati per la funzionalizzazione della superficie delle nanoparticelle.
  • CVD a plasma migliorato a distanza (RPECVD), che è simile a PECVD tranne per il fatto che la superficie del substrato non è direttamente nell'area di scarica plasmatica. La rimozione della superficie del substrato dall'area del plasma consente di regolare le temperature ai livelli dell'ambiente esterno.

CVD a strato atomico (ALCVD)

Il deposito in successione di sostanze diverse per produrre pellicole cristalline stratificate. Si chiama anche epitassia dello strato atomico.

Deposizione chimica in fase di vapore chimico (MOCVD)

Questo processo CVD si basa sulla decomposizione dei precursori di metallo.

CVD foto-avviato (PICVD)

Questo processo utilizza la luce UV per stimolare le reazioni chimiche. È simile alla lavorazione del plasma, dato che i plasmi sono forti emettitori di radiazioni UV.

Deposizione chimica da vapore tramite laser (LCVD)

Questo processo CVD utilizza i laser per riscaldare punti o linee su un substrato in applicazioni di semiconduttori. In MEMS e nella produzione di fibre i laser vengono utilizzati per abbattere rapidamente la temperatura del gas precursore. La temperatura del processo può superare i 2000° C per costruire una struttura solida equivalente a quella creata dalle stampanti 3D basate su sinterizzazione.

Applicazioni della deposizione chimica da vapore (CVD)

L'uso del processo CVD comprende la produzione di semiconduttori, la deposizione di rivestimenti ottici, la deposizione di rivestimenti duri, ecc.

Una più ampia selezione di metodi di deposizione è riassunta nella tabella seguente. Le tecniche di deposizione basate sul vuoto sono evidenziate.

Deposizione fisica

  1. Tecniche di evaporazione
    a. Evaporazione termica in vuoto
    b. Evaporazione da cannone elettronico
    c. Evaporazione a laser
    d. Evaporazione ad arco
    e. Epitassia da fasci molecolari
    f. Placcatura ionica
     
  2. Tecniche di polverizzazione catodica o sputtering
    a. Sputtering in corrente continua
    b. Sputtering a radiofrequenza

Deposizione chimica

  1. Processo sol-gel
  2. Deposizione per immersione chimica
  3. Pirolisi spray
  4. Placcatura
    a. Deposizione galvanica
    b. Deposizione elettrolitica
  5. Deposizione chimica da vapore (CVD)
    a. CVD a bassa pressione
    b. CVD migliorato al plasma
    c. Deposizione di strati atomici (ALD)

Riepilogo dei metodi di deposizione in vuoto

In conclusione, la deposizione in vuoto è il processo di deposizione di film sottili in camere a vuoto. La scelta del metodo di deposizione corretto (PVD, CVD e la tecnologia di deposizione effettiva) dipende da molti parametri, alcuni dei quali sono: la funzione del film desiderato, il suo spessore, la purezza, la microstruttura e anche la velocità di deposizione richiesta.

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