Film sottili

I film sottili (in inglese thin films) sono strati di materiale con spessore tipicamente compreso tra pochi nanometri e alcuni micrometri, depositati su un substrato solido. La realizzazione di tali strati rappresenta una delle tecniche fondamentali della microtecnologia e della nanotecnologia, poiché consente di modificare in modo controllato le proprietà superficiali dei materiali o di creare dispositivi su scala micrometrica e nanometrica. Tra le applicazioni principali da un punto di vista tecnologico vi sono i 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. Un'applicazione attualmente molto diffusa è anche la deposizione di film ferromagnetici per la realizzazione di dischi rigidi usati per l'immagazzinamento dei dati nei computer. Vi sono applicazioni anche in campo medico, biologico e farmacologico.

Cenni storici

La prima applicazione più comune è stata nella fabbricazione degli 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 dal suo amalgama. Tale metodo fu inventato nel XVI secolo dai vetrai veneziani nell'isola di 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 sia 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.

Negli anni ’50–’60, con la nascita della microelettronica, la deposizione controllata di strati di silicio e ossidi portò allo sviluppo dei transistor e dei circuiti integrati. Oggi la ricerca si concentra su film multifunzionali, autoassemblanti o bidimensionali (come il grafene e i dicalcogenuri di metalli di transizione), che aprono nuove prospettive per dispositivi flessibili, sensori e nanotecnologie emergenti.

Concetti fondamentali

A differenza dei materiali massivi, un film sottile è dominato dagli effetti di superficie: tensione superficiale, adesione al substrato, tensione interna e diffusione degli atomi diventano fenomeni determinanti. Inoltre, le proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e meccaniche del film possono differire sensibilmente da quelle del materiale massiva a causa della dimensione ridotta e delle interazioni interfaccia-film.

L’interfaccia tra film e substrato gioca un ruolo chiave: la qualità dell’adesione e la compatibilità dei coefficienti di dilatazione termica determinano la stabilità e la durata del film.

Tecniche di deposizione

Le tecniche di produzione dei film sottili si dividono in due grandi categorie:

Deposizione fisica (PVD, Physical Vapor Deposition) descrive una varietà di metodi di deposizione sotto vuoto che possono essere utilizzati per produrre film sottili e rivestimenti su substrati tra cui metalli, ceramiche, vetro e polimeri. La PVD è caratterizzata da un processo in cui il materiale passa da una fase condensata a una fase vapore e poi torna a una fase condensata a film sottile. 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 brina, in cui il vapore d'acqua sovrasaturo si deposita sulle superfici più fredde. I sistemi commerciali utilizzati per questo genere di tecniche richiedono un ambiente a bassa pressione per garantire una elevata purezza e controllo del film da evaporare.La PVD comprende metodi come l’evaporazione termica, lo sputtering, cannone elettronico, MBE.

Deposizione chimica. In questo caso un fluido precursore subisce un cambiamento chimico quando viene in contatto con la superficie di un solido. Un esempio dalla vita di tutti i giorni è la formazione di fuliggine su un oggetto freddo posto dentro una fiamma. Poiché 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 uniformemente 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 a ottenere nella deposizione chimica. La tecnica più importante in microelettronica è la (CVD, Chemical Vapor Deposition), basata su reazioni chimiche di precursori in fase gassosa che formano il film sulla superficie del substrato. Altre tecniche chimiche sono la elettrodeposizione^[1] e Deposizione da soluzioni chimiche ^[2].

Esistono inoltre varianti ibride e tecniche più avanzate, come l’ALD (Atomic Layer Deposition) e la plasma-enhanced CVD, utilizzate quando si richiede un controllo atomico dello spessore o della composizione del film.

Applicazioni

I film sottili sono onnipresenti nella tecnologia moderna:

Elettronica e circuiti integrati: realizzazione di strati conduttivi, isolanti e semiconduttori nei dispositivi integrati.

Ottica e fotonica: specchi dielettrici, filtri interferenziali, rivestimenti antiriflesso e strati riflettenti.

Energia: celle solari a film sottile (es. CdTe, CIGS) e rivestimenti protettivi per materiali soggetti a corrosione o usura.

Meccanica e tribologia: rivestimenti duri (come TiN o DLC) per utensili da taglio o componenti meccanici.

Sensoristica e biotecnologie: film funzionalizzati per biosensori, superfici idrofobiche o materiali biocompatibili.

Caratteristiche dei film

Spessore

Lo spessore dei film sottili viene misurato sia durante il processo di crescita sia a posteriori.

Durante il processo di crescita le bilance al quarzo sono da sempre il metodo più facilmente utilizzato. Un sottile quarzo metallizzato ha una frequenza caratteristica ben facilmente misurabile avendo un elevato fattore di merito, se un film di densità nota si deposita sulla sua superficie cambia in maniera apprezzabile la frequenza di risonanza (diminuisce) quindi durante il processo di evaporazione è possibile misurare la velocità di deposizione del materiale e lo spessore finale: la precisione di misura è di 0,1 nm (quindi si riesce ad apprezzare anche la deposizione di uno strato monoatomico. In presenza nella camera da vuoto di segnali di grande intensità a radio frequenza la misura della frequenza del quarzo non è in genere possibile: quindi la misura viene effettuata prima e dopo il processo, non durante il processo.

Il profilometro è lo strumento più usato per misurare lo spessore del film una volta depositato. Nel caso del profilometro a contatto una punta estremamente appuntita con carico estremamente piccolo (per evitare di graffiare il film) viene fatta scorrere sopra il film e il suo spostamento verticale viene trasformato in un segnale misurabile. La tecnica è semplice e largamente diffusa.

Dopo la deposizione lo spessore del film se è uniforme può anche essere misurato mediante elissometria (nel caso di film in genere isolanti). L'elissometria è basata sulla misura del cambiamento dello stato di polarizzazione della luce riflessa da un substrato in funzione dell'angolo di incidenza; è una tecnica molto precisa, ma richiede delle buone conoscenze tecniche.

Adesione

L'adesione è una proprietà molto importante nei film sottili. Un film con buona adesione non viene rimosso se applichiamo su di esso un nastro adesivo e lo rimuoviamo (vi sono diversi nastri adesivi più o meno forti). In ogni caso i metalli che si ossidano in presenza di ossigeno e formano con il substrato dei legami chimici hanno una ottima adesione (titanio, cromo), i metalli con adesione solo fisica (oro, argento) hanno una scarsa adesione.

Stress

Quasi tutti i film, prodotti in qualsiasi maniera sono in uno strato di stress interno. Lo stress può essere compressivo (cioè il film tende a espandersi parallelamente alla superficie: nei casi estremi si rigonfia in alto. Oppure può avere uno stress tensile (cioè il film si contrae) in questo caso se lo sforzo eccede il limite elastico del film s'interrompe in alcune zone. I metalli refrattari sono quelli che hanno in genere il più alto stress, mentre i metalli morbidi (rame, alluminio, oro, argento) hanno in genere piccolo stress. Aggiustando la temperatura del substrato permette di controllare lo stress, ma un grande ruolo lo riveste il tipo di substrato usato. Nel caso dello sputtering variando i parametri di deposizione si riesce a controllare lo stress in maniera riproducibile. La misura dello stress viene fatta con precisione con la diffrazione ai raggi X ma anche depositando i film su substrati molto sottili e misurandone la deformazione.

Note

↑ La elettrodeposizione è una forma di placcatura. Si basa su un precursore liquido, spesso una soluzione di acqua con un sale del metallo che deve essere depositato. In alcuni processi di placcatura, in genere quelli con metalli nobili, la reazione chimica avviene direttamente al contatto della soluzione con la superficie da placcare. Un migliore controllo della deposizione viene fatto mediante 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 a essere utilizzata con l'uso della lucidatura meccanica-chimica (chemical-mechanical polishing)
↑ Il processo sol-gel costituisce uno dei principali metodi per la fabbricazione di materiali ceramici, tipicamente ossidi di metalli. Si usa un liquido precursore composto da una polvere metallorganica sciolta in un solvente organico. Questa è una tecnica relativamente economica e semplice che permette di produrre fasi cristalline con elevata stechiometria

Bibliografia

L. I. Maissel, R. Glang (eds.), Handbook of Thin Film Technology, (1970) McGraw Hill.
R. A. Levy (ed.) Microelectronic Materials and Processes (1986) Kluwer Academic Publisher.
D. L. Smith, , D. W. Hoffman, Thin‐film deposition: principles and practice (1996) American Institute of Physics.
M. Ohring, Materials science of thin films: depositon and structure(2002) Academic press.

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[1] La elettrodeposizione è una forma di placcatura. Si basa su un precursore liquido, spesso una soluzione di acqua con un sale del metallo che deve essere depositato. In alcuni processi di placcatura, in genere quelli con metalli nobili, la reazione chimica avviene direttamente al contatto della soluzione con la superficie da placcare. Un migliore controllo della deposizione viene fatto mediante 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 a essere utilizzata con l'uso della lucidatura meccanica-chimica (chemical-mechanical polishing)

[2] Il processo sol-gel costituisce uno dei principali metodi per la fabbricazione di materiali ceramici, tipicamente ossidi di metalli. Si usa un liquido precursore composto da una polvere metallorganica sciolta in un solvente organico. Questa è una tecnica relativamente economica e semplice che permette di produrre fasi cristalline con elevata stechiometria

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