“Tecnologie di deposizione sottovuoto” è una definizione che racchiude un ampio insieme di processi utilizzati dall’industria per depositare film sottili, con una vasta gamma di composizioni e scopi, su substrati dalla composizione estremamente variabile, sfruttando un ambiente ad alto vuoto.
In generale, il processo di deposizione sotto vuoto di film sottili coinvolge tre protagonisti, che sono: la sorgente, 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 processi di deposizione sotto vuoto più semplici e più antichi è chiamato evaporazione sotto vuoto, ed è un processo di deposizione fisica da vapore che trasforma il materiale alla sorgente da uno stato solido in vapore prima che raggiunga il substrato dove viene condensato nuovamente in stato solido e si deposita come film sottile.
In termini più generali, il processo di deposizione può essere supportato da trasformazioni fisiche – nel qual caso si dice che appartiene alla famiglia PVD (Physical Vapour Deposition) – o da trasformazioni chimiche – che ci permette di classificarlo come appartenente alla famiglia CVD (Chemical Vapour Deposition).
Deposizione Fisica da Vapore (PVD)
La famiglia PVD comprende un ampio insieme di tecnologie diverse. Segue una breve descrizione delle più comuni.
Evaporazione Termica
In questo processo, il materiale che è sempre in stato liquido o solido evapora in presenza di calore e poi si condensa sul substrato come film sottile. Il substrato è a una temperatura inferiore rispetto alla sorgente.
Magnetron Sputtering
Questo è uno dei metodi di deposizione fisica più comuni per produrre film sottili. Nel magnetron sputtering, 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 altrove), dove prende il nome di target. Fondamentalmente, il target viene sublimato a causa dell’azione degli ioni che bombardano la sua 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 e l’omogeneità del film sottile, l’ampia gamma di materiali che possono essere depositati, l’eccellente adesione alla superficie del substrato, ecc.
Uno dei principali svantaggi è l’elevato costo della macchina e la bassa velocità di deposizione del film sottile.
Ablazione Laser Pulsata
La deposizione laser pulsata (PLD) prevede l’uso di un raggio laser diretto sul materiale da evaporare, che è tenuto nella camera a vuoto. L’energia del raggio laser è così elevata da causare l’evaporazione del materiale target attraverso la camera a vuoto e poi aderire al substrato producendo così un film sottile. La capacità di formare film con purezza molto elevata è uno dei vantaggi della deposizione laser pulsata.
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 evaporare il materiale da depositare. La temperatura dell’arco è così elevata che qualsiasi materiale può essere vaporizzato a una velocità ragionevolmente alta, superando così una delle limitazioni delle tecnologie precedentemente citate. Il vapore poi si condensa e si deposita sul substrato come film sottile. Questo metodo può essere utilizzato per produrre metalli, ceramiche e film compositi. Uno degli svantaggi della deposizione da vapore ad arco è la bassa qualità microstrutturale del film sottile che può essere ottenuto e la presenza di difetti locali.
Applicazioni della deposizione fisica da vapore
Le tecniche di deposizione fisica da vapore sono utilizzate in molti campi, come la produzione di dispositivi semiconduttori, utensili da taglio, rivestimenti decorativi, industria aerospaziale e 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 decomponÂgono sul substrato sotto forma di film sottile. In altre parole, la CVD è la trasformazione di molecole gassose (precursori) in un film sottile solido quando reagiscono chimicamente, entrando in contatto con la superficie del substrato. Va notato che esistono tecnologie CVD che non richiedono un ambiente sotto vuoto per essere eseguite: in questo senso, le tecnologie CVD possono essere considerate più versatili rispetto alle controparti PVD.
CVD assistita da plasma a microonde
La reazione superficiale è assistita dalla presenza di un plasma che viene generato utilizzando una sorgente a microonde e un gas tampone ionizzabile. Esistono due varianti principali di questo processo:
- PECVD (Plasma-Enhanced CVD), cioè CVD che utilizza il plasma per aumentare le velocità di reazione chimica dei precursori. Il processo PECVD consente la deposizione a temperature più basse, che è spesso critica nella produzione di semiconduttori. Le temperature più basse consentono anche la deposizione di rivestimenti organici, come i polimeri al plasma, che sono stati utilizzati per la funzionalizzazione superficiale di nanoparticelle.
- RPECVD (Remote plasma-enhanced CVD), che è simile alla PECVD tranne per il fatto che la superficie del substrato non si trova direttamente nella regione di scarica del plasma. Rimuovere la superficie del substrato dalla regione del plasma consente temperature di processo fino alla temperatura ambiente.
CVD a strato atomico (ALCVD)
Deposita strati successivi di sostanze diverse per produrre film cristallini stratificati. È chiamata anche epitassia a strato atomico.
Deposizione chimica da vapore metallorganica (MOCVD)
Questo processo CVD si basa sulla decomposizione di precursori metallorganici.
CVD fotoiniziata (PICVD)
Questo processo utilizza la luce UV per stimolare le reazioni chimiche. È simile al processo al plasma, dato che i plasma sono forti emettitori di radiazioni UV.
Deposizione chimica da vapore laser (LCVD)
Questo processo CVD utilizza laser per riscaldare punti o linee su un substrato nelle applicazioni di semiconduttori. Nei MEMS e nella produzione di fibre i laser vengono utilizzati rapidamente per decomporre il gas precursore – la temperatura di processo può superare i 2000 °C per costruire una struttura solida in modo molto simile a come le stampanti 3D basate sulla sinterizzazione laser costruiscono solidi da polveri.
Applicazioni della deposizione chimica da vapore (CVD)
L’uso della CVD include la produzione di semiconduttori, la deposizione di rivestimenti ottici, la deposizione di rivestimenti duri, ecc.
Una selezione più ampia di metodi di deposizione è riassunta nella tabella seguente. Le tecniche di deposizione basate sul vuoto sono state evidenziate.
Deposizione fisica
- Tecniche di evaporazione
a. Evaporazione termica sotto vuoto
b. Evaporazione a fascio elettronico
c. Evaporazione a fascio laser
d. Evaporazione ad arco
e. Epitassia a fascio molecolare
f. Evaporazione con placcatura ionica
- Tecniche di sputtering
a. Sputtering a corrente continua
b. Sputtering a radiofrequenza
Deposizione chimica
- Tecnica sol-gel
- Deposizione da bagno chimico
- Pirolisi spray
- Placcatura
a. Deposizione galvanica
b. Deposizione autocatalitica - Deposizione chimica da vapore (CVD)
a. CVD a bassa pressione
b. CVD assistita da plasma
c. Deposizione a strato atomico (ALD)
Riepilogo dei metodi di deposizione sotto vuoto
In conclusione, la deposizione sotto vuoto è il processo di deposizione di film sottili in un ambiente sotto vuoto. La scelta del metodo di deposizione appropriato (PVD, CVD e l’effettiva tecnologia di deposizione) 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.