Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Deposizione con cannone elettronico
Deposizione con cannone elettronico
[modifica | modifica sorgente]La tecnica di deposizione con cannone elettronico consiste nell’evaporazione di un materiale sorgente mediante bombardamento con un fascio di elettroni ad alta energia, all’interno di una camera a vuoto, e nella successiva condensazione del materiale sul substrato da rivestire.
Principio di funzionamento
[modifica | modifica sorgente]All’interno della camera a vuoto un filamento caldo emette un grande flusso di elettroni (anche dell’ordine dell’Amperè). Questi elettroni vengono accelerati tra il filamento (catodo) e un’anodo con una tensione elevata (tipicamente da ~~3 kV a 30 kV). Il fascio di elettroni viene generalmente deviato (ad esempio di ~270°) tramite un opportuno campo magnetico, in modo da evitare che gli elettroni depositino particelle sul filamento stesso e per indirizzare il fascio verso il materiale da evaporare. Il materiale sorgente (solido a temperatura ambiente) è contenuto in un crogiolo di grafite — materiale scelto per la sua elevata temperatura di fusione — inserito in un dissipatore di rame attraversato da un raffreddamento ad acqua. Gli elettroni colpiscono il materiale sorgente, trasferendo la loro energia cinetica e riscaldando localmente il materiale fino alla fusione/evaporazione/sublimazione. Il vapore generato si condensa sul substrato, formando il film sottile desiderato. Allo stesso tempo, il fascio di elettroni può essere messo in rotazione o deviato continuamente per evitare fenomeni locali di eccessivo riscaldamento — per esempio, per materiali che sublimano come il cromo, onde evitare che si formi un foro nel crogiolo e si buchi il supporto di rame.
Vantaggi della tecnica
[modifica | modifica sorgente]- Permette velocità di deposizione elevate rispetto all’evaporazione termica convenzionale.
- I film depositati sono meno contaminati rispetto alla semplice evaporazione termica, perché il crogiolo rimane a temperatura relativamente più bassa, riducendo la contaminazione dovuta al materiale del crogiolo stesso.
- È abbastanza flessibile: consente l’evaporazione di quasi qualsiasi elemento solido a temperatura ambiente.
Aspetti critici
[modifica | modifica sorgente]- Il fascio di elettroni ad alta energia può generare radiazione ultravioletta e raggi X sotto vuoto, che possono danneggiare gli strati sottostanti.
- Poiché la sorgente e il substrato sono spesso distanti (decine di centimetri), solo una frazione del materiale evaporato raggiunge effettivamente il substrato: questo determina uno spreco significativo di materiale, rendendo la tecnica poco efficiente per produzioni su larga scala dove il costo del materiale è rilevante.
- La tecnica richiede una camere a vuoto di buona qualità, un controllo preciso del fascio elettronico (magneti di deviazione/focalizzazione), e un sistema di raffreddamento adeguato per evitare danni al crogiolo e al supporto.
Applicazioni tipiche
[modifica | modifica sorgente]- Deposizione di film metallici o di rivestimenti sottili di materiali difficili da evaporare termicamente.
- Uso nei laboratori di ricerca e di prototipazione, grazie alla flessibilità della tecnica.
- Piattaforme di micro- e nano-fabbricazione dove sono richiesti film sottili con buon controllo dello spessore e bassi livelli di contaminazione.
Schema e componenti principali
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- Filamento emettitore di elettroni (catodo).
- Anodo con alta tensione di accelerazione (3 kV – 30 kV).
- Sistema di deviazione/focalizzazione del fascio (magneti, spesso quadrupolari).
- Crogiolo in grafite contenente il materiale sorgente.
- Dissipatore in rame con raffreddamento ad acqua.
- Substrato posizionato a distanza dalla sorgente, all’interno della camera a vuoto.
- Camera a vuoto e pompe associate.
Osservazioni generali
[modifica | modifica sorgente]- Le tecniche PVD (Physical Vapor Deposition) (cannone elettronico, evaporazione termica, sputtering) si basano su processi fisici: il materiale passa dallo stato solido a quello di vapore.
- La CVD, invece, è una tecnica chimica in cui il film si forma per reazione di gas precursori.
- L’evaporazione con cannone elettronico combina l’elevata purezza della PVD con la possibilità di evaporare materiali ad alta temperatura di fusione.
- Lo sputtering produce film molto aderenti e uniformi, ma a velocità inferiori rispetto all’evaporazione.
- La CVD è ideale quando è richiesta una copertura uniforme anche su strutture tridimensionali o con geometrie complesse.
Confronto tra tecniche di deposizione di film sottili
[modifica | modifica sorgente]La seguente tabella confronta la deposizione con cannone elettronico con altre tecniche comunemente utilizzate per la produzione di film sottili: evaporazione termica resistiva, sputtering e CVD (Chemical Vapor Deposition).
| Tecnica | Tipo di processo | Energia fornita al materiale | Materiali depositabili | Qualità del film | Velocità di deposizione | Temperatura del substrato | Vuoto richiesto | Contaminazione tipica | Costo complessità dell’impianto |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Evaporazione con cannone elettronico [1] | Fisico (PVD) | Bombardamento con fascio di elettroni (3–30 kV) | Quasi tutti i materiali solidi (metalli, ossidi, semiconduttori) | Alta purezza, buona adesione, film densi | Medio-alta | Bassa (substrato a temperatura ambiente) | 10⁻⁵ – 10⁻⁷ mbar | Molto bassa (crogiolo freddo) | Medio-alto |
| Evaporazione termica resistiva[2] | Fisico (PVD) | Riscaldamento resistivo di un filamento o barchetta di tungsteno | Metalli e materiali a bassa T di fusione (Al, Au, Ag, Pb) | Purezza discreta, film meno omogenei | Alta | Bassa | ~10⁻⁵ mbar | Media (contaminazione dal filamento) | Basso |
| Sputtering[3] | Fisico (PVD) | Bombardamento del target con ioni (plasma di Ar) | Ampia gamma: metalli, ossidi, nitruri, semiconduttori | Alta densità, buona uniformità, adesione eccellente | Bassa-media | Medio-alta (substrato spesso riscaldato) | 10⁻³ – 10⁻⁵ mbar | Molto bassa | Medio |
| CVD (Chemical Vapor Deposition)[4] | Chimico | Reazioni chimiche in fase vapore (spesso termicamente attivate) | Materiali metallici, ossidi, nitruri, semiconduttori | Eccellente purezza e conformalità (ricopre superfici complesse) | Medio | Alta (300 – 1100 °C) | 10⁻² – 10⁻⁴ mbar (varia) | Dipende dai precursori | Alto |
Note
[modifica | modifica sorgente]- ↑ Laboratori di ricerca, rivestimenti ottici, micro- e nano-fabbricazione
- ↑ Deposizione semplice e veloce di metalli, metallizzazione di contatti
- ↑ Industria microelettronica, rivestimenti duri e conduttivi, strati funzionali
- ↑ Deposizione di SiO₂, Si₃N₄, TiN, grafene, film per microelettronica e MEMS
Bibliografia
[modifica | modifica sorgente]- Zhongping Wang and Zengming Zhang,Electron beam evaporation deposition,(2016) Advanced nano deposition methods, pp. 33-58.