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Evaporazione

La deposizione per evaporazione è una tecnica di deposizione fisica da vapore (PVD, Physical Vapor Deposition) utilizzata per realizzare film sottili su un substrato solido. Il principio consiste nel riscaldare un materiale (metallo, semiconduttore, ossido, ecc.) in una camera da vuoto fino a portarlo allo stato di vapore, che poi condensa su una superficie fredda formando un film sottile.

Questa tecnica è ampiamente impiegata nella produzione di dispositivi elettronici, nei rivestimenti ottici e in molte applicazioni di ricerca sui materiali.

Schema di un sistema di evaporazione per deposizione di film sottili.

Il problema principale in questo processo è costituito dai gas residui. In un tipico materiale solido un singolo strato di atomi (monolayer) è fatto da circa 10¹⁵ Atomi/cm². Per avere una idea dalla teoria cinetica dei gas ad una pressione parziale di 7.5x10^-4 Pa ( 10^-4 mtorr, Alto vuoto) il numero di atomi che bombardano un cm² di superficie in un secondo sono circa 3.8x10¹³. Quindi ogni atomo della superficie ogni 22 secondi viene bombardato da un atomo di gas residuo, che se è un gas reattivo, come l'ossigeno, si può combinare con lo stato sottostante. Quindi la velocità del film deve competere con tale processo per evitare contaminazione da parte dei gas residui. Ovviamente i processi chimici tra i gas residui ed i materiali da evaporare determinano il grado di contaminazione. Alcune sostanze come i metalli nobili, non vengono ossidati, e quindi possono essere evaporati con vuoti meno spinti. Altre metalli si ossidano facilmente e in questo caso il vuoto residuo deve essere di ottima qualità per avere film affidabili.

1. Principio fisico

L’evaporazione si basa sulla transizione di fase solido-vapore (o liquido-vapore) di un materiale quando la sua pressione di vapore uguaglia la pressione ambiente nella camera.

La pressione di vapore aumenta con la temperatura secondo la equazione di Clausius–Clapeyron:

${\frac {dp}{dT}}={\frac {\lambda }{T(V_{B}-V_{A})}}$

dove:

• p è la pressione
• T è la temperatura
• λ è il calore latente (per unità di massa) di transizione da una fase all'altra
• V è il volume specifico delle due fasi A e B.

Quando la pressione di vapore diventa comparabile con la pressione residua nella camera (tipicamente 1 - 0,01 Pa), il materiale evapora rapidamente.

Gli atomi o molecole così generati si muovono in linea retta (line-of-sight) fino al substrato, dove condensano.

2. Apparato sperimentale

Un sistema di evaporazione per PVD comprende:

• Camera da vuoto: riduce la pressione per evitare collisioni tra vapore e gas residuo (cammino libero medio lungo).
• Sorgente (crogiolo): contiene e riscalda il materiale da evaporare.
• Sistema di riscaldamento: può essere resistivo, a fascio di elettroni (e-beam) o laser.
• Supporto del substrato: posto di fronte alla sorgente, può essere riscaldato o ruotato per uniformare il deposito.
• Otturatore (shutter): viene interposto tra la sorgente ed il substrato nella fase iniziale di deposizione
• Sistema di monitoraggio: spesso una bilancia al quarzo per misurare lo spessore del film in tempo reale.

3. Tipi di evaporazione

Un crogiolo per evaporazione termica di molibdeno fissato tra due massicci passanti di rame.

3.1 Evaporazione termica (resistiva)

È la forma più semplice: il materiale viene posto in un filamento metallico o in un piccolo crogiolo riscaldato elettricamente. Il calore provoca l’evaporazione del materiale, che si deposita sul substrato. È adatta per metalli a basso punto di fusione (Al, Ag, Au, Cr) o materiali organici.

3.2 Evaporazione a fascio di elettroni (E-beam evaporation)

In questo metodo un fascio di elettroni accelerati viene focalizzato sul materiale da evaporare. L’energia del fascio è sufficiente per fondere o sublimare materiali ad alto punto di fusione (es. W, Ti, SiO₂). La temperatura molto localizzata deteremina una minore contaminazione.

3.3 Evaporazione reattiva

Si introduce un gas reattivo (es. O₂ o N₂) nella camera per reagire con il vapore del materiale e formare un composto sul substrato. Ad esempio: Ti + O₂ → TiO₂.

Un raggio laser attraversa una lente, entra in una camera a vuoto e colpisce un bersaglio contrassegnato da un punto. Si vede un pennacchio di plasma che esce dal bersaglio e si dirige verso un substrato riscaldato.

Questo metodo permette di depositare ossidi, nitruri o carburi direttamente a partire da metalli puri.

3.4 Evaporazione con laser (Pulsed Laser Deposition, PLD)

Un impulso laser ad alta potenza colpisce il target, vaporizzandolo localmente. È una variante moderna, adatta a film complessi e multicomponente.

4. Parametri di processo

Nella tabella che segue facciamo un quadro d'insieme dei vari parametri che influenzano i processi di evaporazione.

Parametro	Valore tipico	Effetto principale
Pressione di lavoro	1 – 0,01 Pa	Determina il cammino libero medio
Temperatura della sorgente	1000 – 3000 °C	Controlla il flusso di vapore
Temperatura del substrato	25 – 600 °C	Influenza adesione e morfologia
Velocità di deposizione	0.1 – 10 nm/s	Determina la densità del film
Distanza sorgente-substrato	10 – 50 cm	Controlla uniformità e spessore

Il flusso di materiale che arriva sul substrato è pari:

$F_{S}\propto {\frac {FS\cos(\theta )}{d^{2}}}\$

Dove $S\$ è la superficie della sorgente, $F\$ flusso uscente dalla sorgente, $\theta \$ è l'angolo tra la normale alla sorgente e il vettore radiale congiungente la sorgente e il substrato, $d\$ la distanza tra sorgente e substrato.

La deposizione non è quindi sferica, la deposizione è massima nella direzione normale alla sorgente di evaporazione cioè per $\theta =0\$. Date le condizioni di vuoto è estremamente improbabile che il materiale che esce dalla sorgente urti una molecola di gas prima si arrivare sul substrato, per cui i materiali che si depositano hanno una traiettoria rettilinea.

5. Morfologia e struttura del film

La struttura del film dipende fortemente da:

• Temperatura del substrato (T_s): maggiore T_s favorisce la diffusione superficiale e una struttura più densa.
• Velocità di crescita: una crescita troppo rapida produce film porosi o colonnari.
• Purezza del vuoto: contaminanti (O₂, H₂O) possono formare difetti o ossidi indesiderati.

I film cresciuti per evaporazione presentano in genere una crescita direzionale, utile per superfici planari ma problematica per substrati con rilievi (effetto ombra). Questo a volte è un problema in quanto scalini ripidi di materiali sottostanti non vengono ricoperti, e quindi ogni film successivo per ricoprire con successo gli strati sottostanti deve avere uno spessore superiore ad essi. Spesso per rendere la deposizione conforme (cioè ricoprente) il substrato durante la deposizione viene fatto ruotare con un sistema planetario.

6. Vantaggi e limitazioni

Vantaggi

• Apparato relativamente semplice e a basso costo.
• Buon controllo dello spessore e della purezza del film.
• Adatta a un’ampia gamma di materiali, anche organici.
• Possibilità di ottenere film molto sottili (pochi nm).

Limitazioni

• Deposizione fortemente direzionale quindi si ha una scarsa copertura di topografie complesse.
• Difficile evaporare materiali refrattari senza sorgenti ad alta energia.
• Contaminazione possibile da gas residui o dal crogiolo.
• Adesione del film inferiore rispetto allo sputtering (maggior stress interno).

7. Applicazioni

• Microelettronica – metallizzazione di contatti (Al, Au, Ti, Cr). O₂
• Ottica – film antiriflettenti o riflettenti (MgF₂, Al, SiO₂).
• Protettivi – rivestimenti metallici su plastica o vetro.
• Ricerca sui materiali – crescita controllata di film puri per studi fisici e chimici.
• Dispositivi organici (OLED, OPV) – evaporazione di materiali organici sotto vuoto.

8. Glossario

• Crogiolo: contenitore del materiale da evaporare, può essere in W, Mo, o grafite.
• Substrato: superficie su cui condensa il materiale evaporato.
• Vuoto elevato: pressione molto bassa, che riduce le collisioni tra atomi e gas.
• Line-of-sight: deposizione diretta senza deviazioni.
• Effetto ombra: zone non ricoperte per geometria complessa.
• bilancia al quarzo: strumento per misurare in tempo reale lo spessore del film.

Bibliografia

• Donald M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, William Andrew Publishing, 2010, ISBN 978-0-815-52037-5.
• Ronald R. Willey, Practical Monitoring and Control of Optical Thin Films, Willey Optical, Consultants, 2007, ISBN 978-0615181448.

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