Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Deposizione con cannone elettronico

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Schema di un cannone elettronico

Lo schema di funzionamento è mostrato nella figura accanto. Il funzionamento è il seguente un filamento caldo genera una grande corrente elettronica, anche qualche Ampère, il fascio viene accelerato tra il filamento e l'anodo ad una elevata tensione (tra 3 KV e i 30 KV). Il fascio di elettroni viene solitamente deviato di 270°, mediante un opportuno campo magnetico, in maniera da evitare che il filamento che emette gli elettroni sia ricoperto con il materiale da evaporare. Il crogiolo in cui è contenuto il materiale da evaporare è in genere di grafite che è il materiale conosciuto con la più alta temperatura di fusione. A sua volta il crogiolo di grafite è contenuto in un dissipatore di calore di rame. Gli elettroni incidenti dissipano così la loro energia cinetica nel materiale e ne provocano il riscaldamento e la successiva evaporazione. Il dissipatore di calore di rame è attraversato al suo interno da un flusso di acqua.

In genere vi sono più crogioli che permettono di evaporare in sequenza più materiali. Vi è in questo caso un copertura automatica che impedisce la contaminazione tra i vari materiali durante la rotazione del portacrogioli. Oltre al campo magnetico principale, in genere quadrupolare che devia di 270° il fascio di elettroni, vi sono dei campi magnetici ausiliari, che possono focalizzare il fascio e controllare la posizione del fascio sul crogiolo. La focalizzazione è importante per aumentare la potenza che arriva localmente sul materiale da evaporare. Mentre la deviazione continua del fascio durante l'evaporazione impedisce, che per i materiali che sublimano come ad esempio il cromo, il fascio di elettroni formi un foro che attraversa il crogiolo di grafite e riesca a forare addirittura il rame di supporto.

Con questa tecnica si riescono a raggiungere maggiori velocità di crescita che con l'evaporazione termica, inoltre i film sono meno contaminati che nel caso della evaporazione termica. Infatti il materiale da evaporare fonde localmente e i crogioli si mantengono ad una temperatura relativamente bassa. Elettroni di così elevata energia sotto vuoto generano sia ultravioletti che raggi X. Tali radiazioni possono danneggiare gli strati sottostanti su cui si sta depositando il nuovo materiale.

Questa tecnica è molto diffusa nei laboratori di ricerca a causa della sua flessibilità e la possibilità di evaporare praticamente qualsiasi elemento (solido a temperatura ambiente). In genere il substrato e la sorgente sono poste ad una distanza di varie decine di cm. Per cui una frazione trascurabile del materiale evaporato finisce sul substrato. Quindi a differenza della tecnica di sputtering vi è un notevole spreco di materiale, questo rende la tecnica poco utilizzabile nei processi industriali su larga scala in cui il costo del materiale evaporato rappresenta una voce importante.