Film sottili

Film sottili

Deposizione bidimensionale (dimensioni dell'ordine di nm o μm).

Atomi, ioni, molecole possono essere utilizzati per la preparazione e determinazione.

Alcune performance sono determinate da:

• Resistenza
• Ottiche
• Tecniche di deposizione

CVD chimica.

PVD fisica.

Condensazione su substrato.

Chemical vapour deposition

Step sequenziali: fondamentali in ogni processo CVD:

1. Preparazione delle superfici di reazione dei reagenti col gas sulla zona di reazione.
2. Reazione chimica tra gas per produrre una nuova specie reattiva o un sottoprodotto.
3. Trasporto dei reagenti e dei sottoprodotti sulla superficie del substrato.
4. Adsorbimento esotermico o endotermico della specie sulla superficie del substrato.
5. Reazione eterogenea catalizzata sulla superficie che porta alla formazione della specie.
6. Desorbimento dei sottoprodotti dalla superficie nell'ambiente.
7. Trasporto successivo in fase gas dei sottoprodotti all'interno.

Tipo di reazione.

• Polimerizzazione
• Riduzione
• Ossidazione
• Formazione di composti
• Disposizione
• Traspimento reattante

Tecnica al plasma => energia in vuoto.

=> Vaporizzazione del precursor ionizzato che reagisce con il substrato.

Physical vapour deposition

Processo di deposizione atomica nel quale le materie solide ferrose e vaporizzate in atomi o molecole...

Evaporazione.

Tipicamente, ci si muove con alta napi, evaporato sulla superficie che permette la fissazione.

Sputtering.

Intervallo sotto pressione elevata e campo magnetico.

Arco catodico.

Ionizzazione diretta del target e in genere plasma alle componenti.

Film sottili

Deposizione bidimensionale (altezze dell'ordine di nm ÷ μm).

Atomi possono autoassemblarsi in modo ordinato o interdispersarsi a determinazione.

Alcune performance sono garantite meglio da un film protettivo.

Tecniche di deposizione.

• CVD - reazione chimica (Chemical vapour deposition)
• PVD - reazione fisica (Physical vapour deposition)
• Evaporazione
• Sdeposizione lase - moduli per generare vapori
• Sputtering
• Cathodic arc
• Condensazione su substrato

Chemical vapour deposition

Step sequenze: fondamentali in ogni processo CVD:

1. Trasporto continuo ed effusivo dei reagenti dal gas inerte alla zona di reazione
2. Reazione chimica in fase gassosa per produrre una nuova specie reattiva e dei sottoprodotti
3. Trasporto dei reagenti e dei sottoprodotti sulla superficie del substrato
4. Adsorbimento chimico o fisico della specie reattiva sulla superficie del substrato
5. Reazioni eterogenee catalizzate sulla superficie che portano alla formazione del film
6. Desorbimento dei sottoprodotti di reazione dal film depositato
7. Trasporto continuo ed effusivo dei sottoprodotti di reazione in alto x zone di reazione

Tipi di reazione:

• Pirolisi
• Riduzione
• Ossidazione
• Formazione di composti
• Disporopzione
• Trasferimento reattenziale

Tecnica al plasma → si lavora in vuoto vapore, del precursore ionizzato che reagisce con il substrato.

Physical vapour deposition

Processi di deposizione atomica in cui le materiali solide o liquide è vaporizzato in atomi o molecole e trasportato in forma di vapore attraverso un ambiente in cui si condensano nel film sottile sul substrato dove condensano.

Evaporazione → riscaldamento di cui ci sia corrente. Si supera la pressione di vapore media materiale deposita e si depista nel substrato.

Sputtering → atomica di particelle energetiche sulle target.

Arco catodico → ionizzazione diretta del target e i gas in plasma sulle campione → filma metallico più denso dello sputtering.

Ion plating ⇒ potenziale del substrato (Target + Substrato = catodo neutro).

⇒ A+ urtano le coating & se purificano e/o densificano.

IBAD ⇒ aumentato la ionizzazione del plasma nelle vicinanze del substrato.

⇒ Aumento la densificazione del coating.

Applications

Applications: subito acceleranti.

La superficie deve essere molto liscia in modo da avere un coating liscio (che non accoppi ogni difetto sulla superficie).

e.g. CVD.

Hard Coating.

• Retimo
• Monostrato
• Multistrato ⇒ maggiore spessore e più interfacce. Li fermano la propagazione della cricca.

Sputtering = l'emissione del materiale dallo "target".

Si può formare un materiale diverso ricoprendo solo la superficie senza dover usare l'intero bulk costoso.

Magnetron = 500 V (p≈10^-3).

Diodo = 1500 V (p≈10^-1).

Accelerato verso il substrato.

Perché il vuoto?

1. Riduce le deflagrazioni (auscultamalmente contaminazioni fisico-meccanico).
2. Riduce le contaminazioni.

Tempo di formazione del monostrato di ossigeno (per esempio) e delle specie reattive: maggiore è minore è la pressione di partenza (meno la pressione di lavoro).

Per ridurre le performance delle film oppure può essere volto per avere più strati sottili. difetto del monostrato.

Plasma

Plasma = gas ionizzato globalmente neutro (formato da ioni e atomi neutri).

Generalmente nel processo di deposizione PVD il plasma è usato per (come fonte di ioni interni e/o reattivi che portano energia e accelerano):

• Sorgente di ioni interni (Ar⁺, Kr⁺) e/o reattivi (O₂, N₂) che portano energia e accelerano
• Scelta voluta con alimentazione combustibile con elettrone che attraversa il plasma
• Sotto-prodotto del processo stesso
• Mantiene sempre concezione neutrale
• Come metodo di pulizia & etching non acquisendo potenziale fisico al plasma e etching a ion beam e/o superficiali
• Procedura migliorativa tramite etching di plasma come Si, Ti, Ta, Sicurezza (miglioramento plasma come SiH₄, SiH, O, N₂)

Plasma come sorgente di raggi UV:

Plasma.

Equilibrio.

Non equilibrio = pressione atmosferica.

Energia meno diluita degli ioni (elettroni con maggiore energia, probabilità di accelerazione maggiore).

PVD.

Oscillazione dielettrica scarica:

• Scarico a bagliore
• Scarica oscura
• Arco

Emissione termo-elettronica (Pi di arco cathodico): sviluppo ampere di più è maggiore del plasma due carica.

Ricombinazione degli ioni che emettono fotoni.

Post-breakdown:

• Dielettrico fa partire il breakdown
• Oscillazione del potenziale dal flusso di iniezione di elettroni e anche dal tipo di gas presente

Curva di Paschen

Curva di Paschen.

Area H₂.

Minimo della curva e tensione di innesco potenziale minimo per la ionizzazione.

p = pressione.

d = distanza tra elettrodi.

Probabilità alta di ionizzazione del gas e ammiccamento flusso carico sugli elettrodi.

Gli elettroni andando dal catodo all'anodo hanno varia energia e assumono diversa collaborazione.

V_B = AF/p_c12 + B.

Postemi.

1. Distanza tra elettrodi
2. Osservazione della posizione e studio situazioni degli elettrodi

Geniu discharge strati. Assumento pont Pot. e low energy. Cathode gemi. Nelle neuttli creiciica. Negative gemi. Postive icixni. Amode dark space.

Te potenziale elettronico lero energie tubo.

Film sottili e sputtering yield

Sputtering Yield.

Un quarto particelle vengono emerse in funzione della Ione incidente Y = numero di atomi emessi / particelle incidenti.

Dipende da:

• Energia degli ioni incidenti
• Massa degli ioni incidenti
• Angolo dell'incidenza
• Materiale e legame nel target
• Coefficiente ionico per unità di area
• Geometria ion e versamento o componente

θ = angolo di incidenza θ₀ = massimo di efficienza dello sputtering.

In funzione dell’angolo si può avere: (in funzione anche dell’energia)

• Riflessione
• Sputtering
• Impiantazione dello ione

∞ emette elettronone viene scalzato.

Sputtering Yield dipende dalla massa dello ione incidente e dalla massa del target.

Y He⁺ Ar⁺ Ne⁺ I₂ [eV] = energia dell’ione.

Per le nobili si impiega utilizzare le Kr.

Percfor Ar incidente (teme l’deposito Cu_{rt C} VZrC.

Sputtering Yield si trova in tabella o su Software Online.

Densità di plasma

Densità di plasma.

Valori da 10⁸ a 10¹² specie cariche per cm³.

Plasma atmosferico:

Download Arc: da 10¹¹ a 10¹² m/cm³ → solo PVD.

Grado di ionizzazione del plasma.

• → Glow discharge (∼ 10^-3)
• → High density (∼ 10^-2)
• → Arco catodico

fi = m_e / (m_e + m_i) → specie cariche.

Sputtering → specie neutre (specie poco ionizzate).

Stadi di nucleazione

Stadi di nucleazione.

1. Singolo atomo impatta sulla superficie
2. Migrazione o ri-evaporazione
3. Collisione e combinazione dei singoli atomi
4. Nucleazione
5. Crescita dei nuclei
6. Coalescenza
7. Canali
8. Buchi → difetto comune del PVD → limitano le film sottili

Miglioramenti di temperatura → densifichiamo il coating e riduciamo buchi.

Siti preferenziali di crescita:

• Scalino → grain boundary
• Atomi sulla superficie
• Atomo adsorbito

Favoriscono la formazione del coating.

Fasi di crescita dei film

Fasi di crescita dei film: crescita dei nuclei.

I nuclei crescono attraverso la raccolta di atomi che si ottengono tra loro o attraverso meccanismi di migrazione verso la superficie.

Energia di legame atomo-atomo > energia di legame atomo-superficie = crescita a layer dopo layer (Frank-Van der Merwe).

Energia di legame atomo-atomo < energia di legame atomo-superficie = crescita isola (Volmer-Weber).

Energia di legame atomo-atomo = energia di legame atomo-superficie = crescita layer dopo layer e isola (Stranski-Krastanov).

La distanza (topologia di contorno) non determina la densità.

La superficie iniziale e la crescita (nucleazione + accrescimento) determinano la morfologia del film.

Il numero cresce verso la superficie. Lo spessore sottile dipende anche da come avviene il flusso.

Antefaccie.

Il materiale del film depositato può diffondersi e reagire con il substrato per formare una regione interfacciale.

• Reazioni chimiche allevie tra atomo e substrato
• Una piccola di adesione
• Contaminazione delle superfici
• Bassa densità di nucleazione

Crescita dei film e diagrammi a zone

Crescita dei film.

È eterogenea della nucleazione quando gli atomi che accrescere sono depositati nel materiale depositato precedentemente.

Ai sotto di onde esibisce una morfologia colonnare.

La tipo di crescita è periodo della temperatura analogica.

Là crescita dei film dipende dalla pressione → Diagramma a zone di Thornton.

Aumentando la pressione diminuisce l'energetico (gas-sub).

Zone di deposizione: Diagramma a zone di Thornton.

Zona 1: caratterizzata da una struttura di grani fini di textured e grani fibrosi che puntano nella direzione del flusso di capre e morfologia è costituita della base mobile a bassa atomi produce un vuoto.

Zona T: struttura di colonne dense con una superficie di lacca e altamente riflettente e alta resa di camino dovuta alla diffusione sub bò di cose grani.

Il bombardamento ionico dei film che cresce per 22 pvd cò altra morfologia dalla T del 2 aumenta e si affossano sulle superfici producendo grani colonnari uniformi.

Zona 3: filim che si affossano perciò, altrò alla diffusione della materia alla ricristallizzazione.

Anders Structure Zone Diagram.

Diagramma di struttura + porte dovuto a ioni bombardati + pressione.

Pressione + temperatura.

Potenziale energetico.

Spessori minori → film più densi.

Energie maggiori → pressione negativa.

Stress nei film

Stress → dovuto al fatto che la reazione è in non equilibrio (intrinseco).

Lo sviluppo di diversi coefficienti di dilatazione termica (χ substrato e coating).

Compressivo ↔ II piano di appoggio.

Tensile ↔ determinate dal processo di deposizione.

Total Stress = Stress intrinseco + stress termico ↔ determinato da differenze nell'espansione termica (contrazione).

Steps:

1. Vetri durante all'evaporazione
2. Atomi impattato sulle superfici (≥ alte energie χ penetrazione cappe atomiche)
3. Difetti χ durante uns depo.
4. Stare incastrati
5. Aumentante il tempo che manca per il re raccordi pari atomici atomistici ≥ subire un sollecito χ si esercita poco tempo per reazione (volume cresce, stress tensioni) - (tipico dell'acco cotoarici)
6. Material con alto punto di fusione (Tm)
7. Basso punto di fusione (Tm)

Tensione nulla → pressione di calore totale.

1. Gel stress compressive e tensile
2. Si annullano

Stress totale.

• Interno
• Extratermico
• Temperatura di deposizione (K/Tm)

Configurazione di sputtering

Configurazione di Sputtering.

• DC Sputtering - conduttori
• AC Sputtering - semiconductori
• RF Sputtering - alta frequenza
• Reactive Sputtering - presenza di gas O₂, N₂
• Magnetron Sputtering
• Bipolar Sputtering - potenziale su substrato
• Triode Sputtering
• HIPIMS - impulsi energetici

DC Sputtering.

Con corrente continua.

Ioni argon incidono sulla superficie del catodo il quale emette materiale.

Nel caso di non conduttori: dopo 10*_s si carica il target isolante e quindi la scarica non viene mantenuta.

AC low frequency glow discharge

AC low frequency Glow Discharge.

• Frequenze minore di 50 kHz
• Fase elettrica in alternanza tra anodo e catodo
• Applica nel dual magnetron
• Label abdeposizione dei 2 materiali target

RF sputtering

RF Sputtering.

Frequenza = 13,56 MHz.

Resistenza 50 Ω.

L'area piccola → potenziale alto.

Se carica al catodo l'energia va alla camera.

Se energia deposita sui catodi e non sulla camera.

Bias.

Bombardamento del fenomenemente cariche.

Aumento densita - maggiore crescita colonnare.

(aumento degli ioni bombardati migliora compatta la normale zona porosa (zona 1 del olagramma di struttura)).

Reactive sputtering

Reactive sputtering.

Procesi reattivi (ossidi, nitrati, carburi, solfati).

Deposition Rate (Raterarsi).

• Materiale puro
• Materiale completamente inquinato
• Un specie ineria inquinia il target
• Periodi di deposizione stechiometrica
• Reachtie gas flow (sccm)
• Abbondanza di Ti - s 3.6

Magnetron sputtering

Magnetron sputtering.

Preda intensorerosione non uniforme del target prodotta del target.

Balance Magnetron.

Densoità di corrente ionica c.a 1mA/cm².

Target.

Plasma.

Unbalanced Magnetron Tipo 1.

Substrato.

Densoità di corrente ionica c.a 1mA/cm².

Plasma.

Target.

Più potenti.

Recuperi il substrato dal bombardamento.

Ideale per specie reattive.

Unbalanced Magnetron Tipo 2.

Substrato.

Plasma.

Target.

Più potenti.

Problema nella rimozione del substrato.

Si pulisce il substrato di formare la reazione.

Le linee di campo radiano e invadono sulle target per confinare il plasma.

Unbalance magnetron classification.

β² = campo magnetico.

R_n = distanza tra i magneti.

Tipologie magnetron 1 magnetron classico → sputtering cilindro interno hollow magnetron ceramiche → sputtering cilindro esterno.

Tipologie magnetron 2.

Deavviazione del plasma per motivi pot rather e electrostatic che bloccano gli elettroni — magnetron ceramico → catodo tesoro.

Uniform elettrasculta di elettroni.

Target cilindrico rotante → deposizione omogenea perché si erode completamente la superficie interno con tesoro ad acqua.

HiPIMS

HiPIMS — High Power Impulse Magnetron Sputtering.

Impulso breve (μs/min) estremamente potente ad alta tensione (kWatt).

Tensione e target quindi effetto del magnetron → simile alla sorgent di arco caricosico, con il però avere le macroparticelle rip deposition dentro al plasma di plasma non più violare le pareti specie cariche che possono essere direzionate più propriamente (maggiore adesione).

Differenti configurazioni della camera di deposizione.

es. Rotaral → tutto all'interno del vuoto da stessa vuoto, si deposita e poi viene fondato.