CHIMICA DELLE SUPERFICI ED INTERFASI - UnivAQing.univaq.it/fioravanti/chimica/Corso Chimica delle...

CHIMICA DELLE SUPERFICI ED INTERFASIDOTT. GIULIA FIORAVANTI

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELL’AQUILALAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CHIMICA

LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE CHIMICHE

MODIFICA DI SUPERFICIDA FASE DI VAPORE (PVD, CVD)

Corso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti 2

METODI DI INGEGNERIZZAZIONE DELLE SUPERFICI1. COATINGS

• ELETTROLITICO: ANODIZZAZIONE, PLACCATURA

• FUSIONE: TRATTAMENTO AD ALTA T, TRATTAMENTO SPRAY

• DA FASE DI VAPORE (PVD, CVD)


2. MODIFICA DI SUPERFICIE

• SENZA VARIAZIONE DI COMPOSIZIONE CHIMICA

• MECCANICA (PALLINATUIRA)

• DI TRASFORMAZIONE (TRATTAMENTO ALLA FIAMMA)

• DI FUSIONE (TRATTAMENTO LASER, E BEAM)

• VARIAZIONE DI COMPOSIZIONE CHIMICA

• TERMOCHIMICA (DA SOLUZIONE, CARBURIZZAZIONE)

• TERMOCHIMICA (DI REAZIONE, NITRURAZIONE, METALLIZZAZIONE)

• IMPIANTAZIONE IONICA

TIPOLOGIA DI RICOPRIMENTO (NANOMETRICO)

1. SINGOLO COMPONENTE

2. MULTICOMPONENTE

3. GRADIENTE

4. MULTISTRATO

5. SUPER RETICOLO (SUPER LATTICE): I SUPER-RETICOLI SONO UN PARTICOLARE TIPO DI DISPOSITIVIREALIZZATI ALTERNANDO STRATI DI DUE DIFFERENTI SEMICONDUTTORI AVENTI UNA DIVERSA BAND-GAP CON LO SCOPO DI CONTROLLARE LE PROPRIETÀ DEI PORTATORI DI CARICA.

6. TRATTAMENTO DUPLEX: SUCCESSIONE DI UN TRATTAMENTO TERMOCHIMICO (IN GENERENITRURAZIONE) E LA DEPOSIZIONE DI UN RIVESTIMENTO SOTTILE.


1

2

3

4

5 6

DEPOSIZIONE DI FILM SOTTILI

FILM SOTTILE: PER FILM SOTTILE SI INTENDE UNO STRATO DI MATERIALE AVENTE UN SPESSORE CHE PUÒVARIARE DALLE DECINE DI NANOMETRI A QUALCHE MICROMETRO (SPESSORE MOLTO MINORE DELLEDIMENSIONI SUPERFICIALI), IL QUALE VIENE OTTENUTO, TRAMITE UN PROCESSO DI DEPOSIZIONE, SU DI UNASUPERFICIE DI UN OPPORTUNO MATERIALE, DETTO SUBSTRATO, DI SINGOLI ATOMI PROVENIENTI DA UNMATERIALE SORGENTE (TARGET).

LE TECNICHE DI DEPOSIZIONE SI DIVIDONO IN DUE GRANDI CATEGORIE, A SECONDA SE IL PROCESSO ÈESSENZIALMENTE DI TIPO FISICO O CHIMICO.

UNA SECONDA CLASSIFICAZIONE SI BASA SULLA FASE DEL PRECURSORE CHE SI DEPOSITA, CHE PUÒ ESSEREVAPORE O FASE LIQUIDA (DEPOSIZIONE DA SOLUZIONE).

5Corso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti

TIPI DI DEPOSIZIONI

SE SI CONSIDERA LA DEPOSIZIONE DA FASE VAPORE:

• DI TIPO FISICO (PHYSYCAL VAPOUR DEPOSITION - PVD)

• EVAPORAZIONE TERMICA

• CANNONE ELETTRONICO

• DEPOSIZIONE AD ARCO

• SPUTTERING

• DI TIPO CHIMICO (CHEMICAL VAPOR DEPOSITION - CVD)

• THERMAL-CVD

• PHOTO ASSISTED-CVD

• PLASMA ENHANCED-CVD

6Corso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti

TECNICHE DI DEPOSIZIONE

LA SCELTA DELLA TECNICA DI DEPOSIZIONE DA UTILIZZARE DIPENDE DA:

• MATERIALE DA DEPOSITARE

• CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DEL MATERIALE SORGENTE

• CARATTERISTICHE DEL SUBSTRATO E LIMITI IMPOSTI DA ESSO (T MASSIMA RAGGIUNGIBILE, P DI LAVORO, ADERENZA FILM-SUBSTRATO…)

• SPESSORE DEL FILM DESIDERATO

• PUREZZA DEL FILM RICHIESTA

• VELOCITÀ DI DEPOSIZIONE NECESSARIA


SPESSORE FILM vs TEMPERATURA DEL SUBSTRATO


Wetting

CVDChemical Vapour Deposition

Processo chimico

0

200

400

600

800

T substrato [°C]

PVDPhysical Vapour Deposition

Impiantazioneionica

Processo chimico

Spessore film [m]

0.1 1 10 100 1000

COATINGS

LE PERFORMANCES DEI MATERIALI SONO CORRELATE CON LA STRUTTURA DEL RICOPRIMENTO CHE PUÒFORNIRE UN MINORE DEGRADO CHIMICO-FISICO DEI MATERIALI STESSI.

• ELEVATA DUREZZA E RESISTENZA ALL'USURA

• ABBASSAMENTO DEL COEFFICIENTE DI ATTRITO

• RESISTENZA ALLA CORROSIONE

MATERIALI RICOPERTI DI "COATINGS" OPPORTUNI FORNISCONO SOLUZIONI STRATEGICHE NEGLI AMBITIPIÙ DIVERSI (PER ESEMPIO CIVILE, ENERGETICO, ALIMENTARE ETC)


Processi fisici (PVD)

Processi chimici (CVD)

Processi termici

Sputtering

Plasma CVD

Laser CVD

- Evaporazione sotto vuoto- Laser ablation- Epitassia a fasci molecolari (MBE)- Ion plating- Evaporazione reattiva attivata (ARE)

Processi ionici

TECNICHE DI DEPOSIZIONE DA VAPORE


TECNICHE DI DEPOSIZIONE FISICA DA VAPORE


TECNICHE DI DEPOSIZIONE FISICA DA VAPORE

I PROCESSI DI DEPOSIZIONE FISICA DA VAPORE (PVD) SONO PROCESSI DI DEPOSIZIONE ATOMICA NEIQUALI IL MATERIALE VIENE EVAPORATO DA UNA SORGENTE SOLIDA O LIQUIDA IN FORMA DI ATOMI OMOLECOLE E TRASPORTATO IN FORMA VAPORE ATTRAVERSO UN AMBIENTE SOTTO VUOTO O PLASMAFINO AL SUBSTRATO DOVE CONDENSA.

SI POSSONO OTTENERE FILM SINGOLI E MULTILAYER DA POCHI NANOMETRI FINO AI MICRON CONVELOCITÀ DI DEPOSIZIONE DA 1 A 10 nm/s.

SONO DETTE TECNICHE DI DEPOSIZIONE ATOMICA (CRESCITA ATOMO PER ATOMO) O ANCHE TECNICHEDI DEPOSIZIONE DA VUOTO, PERCHÉ IL PROCESSO DI SOLITO AVVIENE IN UNA CAMERA A VUOTO.


UTILIZZO UHVNEI TRATTAMENTI DI DEPOSIZIONE, IL VUOTO AUMENTA IL “LIBERO CAMMINO MEDIO COLLISIONALE” DEGLIATOMI E DEGLI IONI AD ALTA ENERGIA E AIUTA A RIPORTARE LA CONTAMINAZIONE GASSOSA ENTRO LIMITIACCETTABILI. ~ 63% DELLE MOLECOLE DI GAS SUBISCONO UNA COLLISIONE IN UNA DISTANZA INFERIOREAD UNA LUNGHEZZA PARI A E ~ 0,6% VIAGGIANO PER PIÙ DI 5 .

CAMMINO LIBERO MEDIO DELLE PARTICELLE: rappresenta la distanza media percorsa da una particella, in fase gassosa, fra due urti successivi.

= ,

[m]


dove: p - pressione [N m-2] k - Constante Boltzmann ( = 1.38 · 10-23 J K-1 ) T - temperatura [K] – sezione d’urto [m2]

c. n. (p = 101325 Pa; T = 273.15 K) 10-6 m

UHV (p = 10-7 Pa; T = 273.15 K) 105 m

PROCESSO PVDSI BASANO SU TRE PASSAGGI FONDAMENTALI:

1. EVAPORAZIONE: IL MATERIALE DA DEPOSITARE VIENE FATTO EVAPORARE DAL “TARGET”.

2. TRASPORTO: IL MATERIALE EVAPORATO VIENE TRASPORTATO VERSO IL SUBSTRATO DA RIVESTIRE.

3. CONDENSAZIONE: IL MATERIALE PROVENIENTE DAL TARGET NUCLEA E CRESCE SUL SUBSTRATOFORMANDO IL RIVESTIMENTO.


Target (fase condensata liquida o solida)

1

Fase gassosa 2

Substrato (fase condensata solida)

Fase gassosa

3

1. EVAPORAZIONE DEL MATERIALE

PER EVAPORARE IL MATERIALE DALLA FASE CONDENSATA SI UTILIZZANO:

• 1.1 EVAPORAZIONE TERMICA (DIRETTA)

• 1.2 EVAPORAZIONE TRAMITE FASCIO DI ELETTRONI (E-BEAM)

• 1.3 EVAPORAZIONE TRAMITE SCARICA ELETTRICA (AD ARCO)

• 1.4 TRATTAMENTO LASER (LASER ABLATION)

IL MATERIALE SORGENTE VIENE VAPORIZZATO (E ANCHE IONIZZATO NELLA ION PLATING) ALL’INTERNO DIUNA CAMERA AD ATMOSFERA CONTROLLATA (INERTE O REATTIVA) E SUCCESSIVAMENTE PROIETTATOSULLA SUPERFICIE DEL SUBSTRATO.


1.1 EVAPORAZIONE TERMICASFRUTTA L'EFFETTO JOULE (ENERGIA ELETTRICA → ENERGIA TERMICA).

IL MATERIALE DA EVAPORARE È INSERITO IN UN CROGIOLO METALLICO

AD ELEVATA TEMPERATURA DI FUSIONE (AD ESEMPIO W TUNGSTENO, MoMOLIBDENO) O DI QUARZO (CELLA DI KNUDSEN), IN CUI VIENE FATTAPASSARE UNA CORRENTE DI NOTEVOLE INTENSITÀ.

SI PARLA DI RISCALDAMENTO A RESISTENZA.

N = N0 exp (- e / kT)

NUMERO DI MOLECOLE CHE LASCIANO UNA UNITÀ DI SUPERFICIE DIEVAPORAZIONE AL SECONDO.

SI FORMA UN CONO SOLIDO DI EVAPORAZIONE.


Vuoto

Target:materiale sorgente(crogiuolo riscaldato)

Substrato: wafer

Flusso atomico)

Camera di evaporazione

Resistenza

1.1 EVAPORAZIONE TERMICA• VANTAGGI

SI POSSONO USARE ELEVATE VELOCITÀ DI DEPOSIZIONE E VI È SCARSO RIARRANGIAMENTO DEGLI ATOMI DISUPERFICIE DOPO L'INCOLLAGGIO (STICKING).

NON SERVE SCALDARE IL SUBSTRATO ED È UNA TECNICA ECONOMICA.

• SVANTAGGI

MATERIALI CON BASSA TENSIONE DI EVAPORAZIONE SONO DIFFICILMENTE UTILIZZABILI COME SORGENTI.

SI POSSONO AVERE CONTAMINAZIONI DA Na O K PERCHÉ PRESENTI DURANTE LA LAVORAZIONE DELCROGIOLO DI W.

NON SI HA UNA BUONA UNIFORMITÀ DI SPESSORE E SPESSO PROBLEMI DI OMBRA. SE SONO PRESENTI DEIGRADINI NEL CAMPIONE DA RICOPRIRE O PARTI ANGOLATE È NECESSARIO CHE IL SUBSTRATO VENGAMOVIMENTATO IN MODO DA ELIMINARE LE PARTI IN OMBRA.


1.2 FASCIO DI ELETTRONI (e-BEAM)EBPVD: E-BEAM PHYSICAL VAPOUR DEPOSITION

SI UTILIZZANO FASCI DI ELETTRONI AD ALTA ENERGIA CHEVENGONO ACCELERATI AD UNA ELEVATA ENERGIA CINETICA EFOCALIZZATI SULLA SUPERFICIE DEL MATERIALE DA EVAPORARE.

IL FASCIO DI ELETTRONI GENERATO, INVESTENDO IL MATERIALE,PERDE LA SUA ENERGIA MOLTO RAPIDAMENTE.

L'ENERGIA CINETICA DEGLI ELETTRONI VIENE CONVERTITA INENERGIA TERMICA ATTRAVERSO LE INTERAZIONI CON ILMATERIALE DI EVAPORAZIONE, E QUESTO RISCALDA ILMATERIALE DI EVAPORAZIONE FACENDOLO SCIOGLIERE OSUBLIMARE.

IL MATERIALE TARGET È CONTENUTO IN UN CROGIOLO DIGRAFITE.


1.2 FASCIO DI ELETTRONI (e-BEAM)• VANTAGGI

LA TECNICA CON E-BEAM È SPESSO PIÙ PULITA RISPETTO A QUELLA A RESISTENZA (ANCHE SE LO ZOLFO ÈUN COMUNE CONTAMINANTE NELLA GRAFITE). LA PARTE SUPERIORE DELLA SUPERFICIE DEL METALLO VIENEFUSO DURANTE L'EVAPORAZIONE, QUINDI SI HA POCA CONTAMINAZIONE DAL CROGIOLO.

POSSONO ESSERE EVAPORATI ANCHE MATERIALI AD ELEVATA TEMPERATURA DI FUSIONE.

• SVANTAGGI

UN INCONVENIENTE DELL'E-BEAM È CHE VENGONO PRODOTTI RAGGI X QUANDO IL FASCIO DI ELETTRONICOLPISCE IL MATERIALE TARGET (RADIAZIONI). I RAGGI X POSSONO CREARE CARICHE INTRAPPOLATE CHEPROVOCANO DANNI E DEVONO ESSERE RIMOSSE TRAMITE ANNEALING.


1.3 SCARICA ELETTRICA (AD ARCO)

TRAE ORIGINE DALLA SALDATURA AD ARCO, CHE UTILIZZA UN ELETTRODO (CATODO O ANODO) CUI VIENEFATTA PASSARE UNA CORRENTE AD ELEVATA DENSITÀ E BASSA DIFFERENZA DI POTENZIALE.


L’EVAPORAZIONE DEL METALLO SOLIDO È DATA DALL’INNESCO DIUN ARCO ELETTRICO SULLA SUPERFICIE DEL METALLO CHE SI VUOLEEVAPORARE, TALE ARCO “FONDE” IL MATERIALE, CHE SUBLIMA.

IL MATERIALE EVAPORATO È QUASI TOTALMENTE IONIZZATO EFORMA UN PLASMA AD ELEVATA ENERGIA.

IL SUBSTRATO È POSTO SOTTO UNA TENSIONE DI BIAS PER POTERCOSÌ ATTRARRE PIÙ FACILMENTE GLI IONI.

Arco continuo: si utilizzano campi magnetici per orientare il fascio.Arco pulsato: si crea ed estingue la scarica di continuo (non scaldo troppo il target)

1.3 SCARICA ELETTRICA (AD ARCO)• VANTAGGI

ALTE VELOCITÀ DI DEPOSIZIONE (CIRCA 1-3 µm/h).

ALTA IONIZZAZIONE DEL PLASMA: BUONA ADESIONE E COATING DENSI.

IL TARGET RAFFREDDATO GENERA POCO CALORE SUL SUBSTRATO (PROCESSI DI COATING A T < 100°C).

I CATODI POSSONO ESSERE POSIZIONATI SIA IN ORIZZONTALE CHE IN VERTICALE.

• SVANTAGGI

SOLAMENTE MATERIALI CONDUTTIVI ELETTRICAMENTE POSSONO ESSERE VAPORIZZATI.

NON È POSSIBILE DEPOSITARE OSSIDI A CAUSA DELLA LORO ELEVATE TEMPERATURE DI EVAPORAZIONE.

IRREGOLARITÀ E DIFETTI NEL COATING CAUSATE DA GOCCE CAUSATO DA ELEVATE DENSITÀ DI CORRENTE.NON TUTTO IL MATERIALE È PERFETTAMENTE VAPORIZZATO MA SI POSSONO FORMARE DELLE GOCCE FUSECHE SI DEPOSITANO SUL SUBSTRATO E NE RIDUCONO LA QUALITÀ DEL RIVESTIMENTO.


1.3 SCARICA ELETTRICA (AD ARCO)

APPLICAZIONI CA PVD - CATHODIC ARC PVD: RIVESTIMENTI (TiN, CrN, TiCN, TiAlN, AlTiN, ZrN)

• INDUSTRIA TESSILE: GUIDE FILI

• INDUSTRIA DELLA CARTA: LAME, CILINDRI DA TAGLIO

• INDUSTRIA ALIMENTARE: MACINE

• INDUSTRIA BIOMEDICA: PROTESI, UTENSILI CHIRURGICI

• INDUSTRIA AERONAUTICA E SPAZIALE: CUSCINETTI, INGRANAGGI

• INDUSTRIA MECCANICA: UTENSILI DA TAGLIO

• INDUSTRIA MATERIE PLASTICHE: STAMPI, UGELLI, VITI ESTRUSIONE


COSA È UN PLASMA?

UN PLASMA È COSTITUITO DA PARTICELLE ELETTRICHE IN MOTO, ED È CREATO PER IONIZZAZIONE DI UN

GAS (CONTIENE PARTICELLE DI GAS ALTAMENTE REATTIVE).

UN GAS NEUTRO È DIELETTRICO, MA SE SOTTOPOSTO AD UN CAMPO ELETTRICO SUFFICIENTEMENTEELEVATO SI PUÒ IONIZZARE E PERTANTO DIVENTARE CONDUTTORE. INIZIALMENTE, POCHISSIMI ELETTRONISONO PRESENTI NEL GAS NEUTRO, A MANO A MANO CHE VENGONO PRODOTTI GLI ELETTRONI SONO

ACCELERATI E IONIZZANO PIÙ ATOMI NEUTRI (VALANGA ELETTRONICA).

IL PASSAGGIO DA GAS A PLASMA COINVOLGE IL PASSARE DA UN MEZZO ISOLANTE AD UNOCONDUTTIVO. NEL TORNARE ALLO STATO RILASSATO EMETTE LUCE SOTTO FORMA DI BAGLIORE (PERESEMPIO O2 BIANCO-BLU, N2 ROSA).


+

+ e-e-

e-

e-

PRINCIPIO DI FORMAZIONE DELLO STATO "PLASMA"

FORNISCO ENERGIA AD UN GAS NEUTRO (TIPO IDROGENO, AZOTO, ARGON).

I GAS BIATOMICI RICHIEDONO DELL'ENERGIA IN PIÙ A CAUSA DELLA NECESSARIA DISSOCIAZIONEDELLE MOLECOLE PRIMA DELLA IONIZZAZIONE.


Dissociazionee- e- + e- + e- Ionizzazione +

+

e-

e-

Gas neutro(molecole biatomiche)

Gas neutro(monoatomi) Plasma

1.4 SPUTTERINGLO SPUTTERING È UNA VAPORIZZAZIONE NON TERMICA DEL MATERIALE.

GLI ATOMI SUPERFICIALI DEL TARGET VENGONO FISICAMENTE ESTRATTI DALLA SUPERFICIE SOLIDA GRAZIEALL'ENERGIA TRASFERITA LORO DA UN BOMBARDAMENTO DI PARTICELLE ATOMICHE.


IN GENERE SI UTILIZZA Ar (1).

IL PLASMA VIENE CREATO TRAMITE APPLICAZIONE DI UNATENSIONE ELETTRICA SUL TARGET O DI UN CAMPO A RADIOFREQUENZA (20-300 kHz).

IL MATERIALE ESTRATTO, TRAMITE URTI CON GLI IONI DELPLASMA (p DI LAVORO NELLA CAMERA: 102 105 Pa) (2), VA ADEPOSITARSI SUL SUBSTRATO E DÀ INIZIO ALLA CRESCITA DELFILM (3).

1.4 SPUTTERING

RISPETTO ALLA SCARICA AD ARCO (CATODICO) LA TENSIONE APPLICATA È ELEVATA (1000-10000 Volt)MENTRE LA DENSITÀ DI CORRENTE SI MANTIENE MOLTO BASSA.

IL GAS IONIZZATO COLPENDO IL TARGET POLARIZZATO NEGATIVAMENTE EMETTERÀ ATOMI ED ELETTRONIPER TRASFERIMENTO DELLA QUANTITÀ DI MOTO.


Ar+

Ar

1.4 SPUTTERING


IL BOMBARDAMENTO È SOLITAMENTE GENERATO DA:

• IONI CREATI DA PLASMA A BASSA PRESSIONE (INFERIORE A 0.1 Pa) ED IN QUESTO CASO LEPARTICELLE ESTRATTE SOFFRONO DI POCHE COLLISIONI FRA LA SORGENTE E IL SUBSTRATO.

• PLASMA AD ALTA PRESSIONE (FRA I 0.5 E I 3 Pa) DOVE VI È UN “RAFFREDDAMENTO” DELLEPARTICELLE NELLA FASE GASSOSA PRIMA DEL RAGGIUNGIMENTO DEL CAMPIONE.

QUESTA TECNICA PUÒ ESSERE USATA PER DEPOSITARE AMPIE QUANTITÀ DI MATERIALE ED È MOLTOUSATA IN CAMPO INGEGNERISTICO, OTTICO ED ELETTRONICO. DATA LA BASSA T DI PROCESSO ÈUTILIZZABILE ANCHE SU LEGHE METALLICHE.

USATO PER MATERIALI CERAMICI E NELLA FABBRICAZIONE DI CD, DVD.

DATA LA VAPORIZZAZIONE PER TRASFERIMENTO DI QUANTITÀ DI MOTO IN TEORIA QUALSIASI MATERIALEPUÒ FUNZIONARE DA SORGENTE (MOLTO VERSATILE), ANCHE MATERIALI NON CONDUTTORI.

EVAPORAZIONE vs SPUTTERINGEvaporazione Sputtering

Velocità 100 layer atomico /s 1 layer atomico/s

Materiale sorgente Limitato Non limitato

Purezza film Buona (no gas) Possibili impurezze

Riscaldamento substrato Basso Possibile

Danneggiamento superficie Basso (tranne con e-beam) Elevato (bombardamento)

Danneggiamento raggi X Possibile con e-beam Possibile

Cambio materiale sorgente Facile Costoso

Decomposizione materiale Alta Bassa

Scale up Difficile Buono

Uniformità film Scarsa Facile su larga scala

Numero deposizioni Uno per sorgente Più per sorgente

Controllo spessore Non semplice Possibile

Adesività materiale Spesso bassa Eccellente

Effetto ombra Elevato PiccoloCorso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti 28

TECNICHE A SPUTTERINGVARIANTI DI PORCESSO:

• SPUTTER DEPOSITION (DC, RF, AND REACTIVE)

• BIAS SPUTTERING (APPLICO UNA TENSIONE NEGATIVA AL SUBSTRATO)

• MAGNETRON SPUTTERING (INTRODUZIONE CAMPI MAGNETICI)

• COLLIMATED AND IONIZED SPUTTER DEPOSITION

• HOT SPUTTER DEPOSITION


Nota: Se uso la corrente continua su materiali nonconduttori otterrei un accumulo di carica sullasuperficie. Lo evito usando le RF.

Reactive sputtering: il gas usato come plasmareagisce con il target per dare il composto che sideposita sul substrato.

LASER ABLATIONNELLA LASER ABLATION (LAD) IL MATERIALE VIENE ABLATO DALLA SUPERFICIE DI UN TARGET MEDIANTEIRRAGGIAMENTO CON UN FASCIO LASER PULSATO AD ALTA POTENZA (106-108 W) E RACCOLTO SU DIUN OPPORTUNO SUBSTRATO.

VIENE MOLTO USATA PER LA DEPOSIZIONE DI SEMICONDUTTORI.


Sorgente di riscaldamento

Vantaggi Svantaggi

Resistenza Non ci sono radiazioni Contaminazione

e-Beam Bassa contaminazione Ci sono radiazioni

RF Non ci sono radiazioni Contaminazione

Laser Non ci sono radiazioni,Bassa contaminazione

Costoso

ION CLUSTER PLATING


UNA SUPERFICIE VIENE BOMBARDATA DA UN FASCIO DI CLUSTER NANOMETRICI DI IONI AD ALTA ENERGIA.

CLUSTER IONIZZATI: È POSSIBILE IONIZZARE CLUSTER DI ATOMI CHE VENGONO EVAPORATI E DANNO FILM APIÙ ELEVATA ENERGIA E CON MIGLIORI PROPRIETÀ (ADERENZA, DENSITÀ, ETC.).

• LAVORO DAI 104 Pa (SCALDO LA CELLA) FINO A 10-3 - 10-5 Pa (VUOTO) - RAFFREDDAMENTO IMMEDIATO

• SI POSSONO DEPOSITARE ANCHE NANOPARTICELLE

ION CLUSTER PLATING

SI FORMANO QUANDO UN GAS AD ALTA PRESSIONE (PRESSIONE DI CIRCA 10 ATMOSFERE) SI ESPANDE

NEL VUOTO ADIABATICAMENTE E SI RAFFREDDA CONDENSANDO IN CLUSTER (AGGREGATI).

SONO FORMATI DA MOLTI ATOMI O MOLECOLE DEBOLMENTE LEGATE TRA LORO E CHE CONDIVIDONOUNA CARICA ELETTRICA COMUNE. SONO MATERIALI CRISTALLINI DI DIMENSIONI NANO, CON PROPRIETÀUNICHE INTERMEDIE TRA I REGNI DELLA FISICA ATOMICA E QUELLI DI FISICA DELLO STATO SOLIDO.


COME NEL CASO DI IONI MONOMERICI, FASCI DICLUSTER DI IONI POSSONO PROPAGARSI NEL VUOTO, EL'ENERGIA DEL FASCIO PUÒ VENIR CONTROLLATATRAMITE UNA TENSIONE (ddp).

ION CLUSTER PLATING

UN CLUSTER DI IONI HA MASSA MAGGIORE E MOMENTO CON MINORE ENERGIA PER ATOMO RISPETTOAD UNO IONE MONOMERICO CHE TRASPORTA LA STESSA ENERGIA TOTALE.

QUANDO SI HA L'IMPATTO CON LA SUPERFICIE, I CLUSTER DI IONI RILASCIANO LA LORO ENERGIA AD UNAREGIONE PIÙ AMPIA DELLA SUPERFICIE TOTALE, E PER QUESTO SI OTTENGONO SUPERFICI

ESTREMAMENTE LISCE.• PIÙ VELOCE DELLO SPUTTERING

• COMPOSIZIONE COMPLESSA

• BUONA ADESIONE


(a) STM image of traces producedon graphite by argon cluster ions.(b) Schematic illustration of thecrater formation by gas cluster ionbombardment.Mochiji K (2011) Enhancement ofIntact- Ion Yield and SurfaceSensitivity by Argon-cluster SIMS. JAnal Bioanal Tech S2:001.doi:10.4172/2155- 9872.S2-001

EVAPORAZIONE

IL VAPORE DALLA SORGENTE

CONDENSA SUL SUBSTRATO.

USATO PER RICOPRIMENTI ABASSO PUNTO DI FUSIONE

(OTTICA)

DEBOLE ADESIONE

SE SCALDO IL SUBSTRATO SI PUÒAVERE INTERDIFFUSIONE.

SPUTTERING

IONI ARGON SPUTTERANO ATOMI

DALLA SORGENTE (COLPISCONO POIIL SUBSTRATO A POCHI KV)

USANDO DI CORRENTE ALTERNATALA SORGENTE PUÒ ANCHE ESSERE

NON CONDUTTIVA.

BUONA ADESIONE

SI PUÒ USARE CON MODALITÀ

REATTIVA (NITRURI, CARBURI, OSSIDI)

ION PLATING

ATOMI EVAPORATI VENGONOIONIZZATI IN UN PLASMA, EATTRATTI DAL SUBSTRATO.

SI PUÒ USARE CON MODALITÀ

REATTIVA (NITRURI, CARBURI,OSSIDI)


Substrato

Vuoto

Substrato

Solido

+

Ar 0.1-10 Pa 0.5-5 kV

Substrato

Ar 0.1-10 Pa-

0.3-3 kV

CARATTERISTICHE DELLA DEPOSIZIONE PVD

VANTAGGI

• VELOCITÀ DI DEPOSIZIONE

• OTTIMA QUALITÀ DEI MATERIALI DEPOSTI. FILM CON ASSENZA DI CONTAMINATI CHE INVECE SONO PRESENTI NEI FILM CVD

• UNIFORMITÀ DELLA DEPOSIZIONE

• COSTI CONTENUTI

SVANTAGGI

• IMPOSSIBILITÀ DI DEPOSITARE MATERIALI POLIMERICI CON QUALCHE ECCEZIONE

• ALTO GRADO DI SOFISTICAZIONE DELL'APPARECCHIATURA E, PERCIÒ, ALTO COSTO INIZIALE

• TECNOLOGIA CHE RICHIEDE UNA PREPARAZIONE ADEGUATA DEL PERSONALECorso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti 35

CAMPO DI APPLICAZIONE DELLA PVD

• APPLICAZIONI MECCANICHE: RIVESTIMENTI ANTI USURA, EROSIONE, CORROSIONE, RIVESTIMENTISUPERDURI (TiN, CrN, HfN, TiAlN, TiCrN, etc)

• APPLICAZIONI AD ALTA T: RIVESTIMENTI RESISTENTI AD ALTE ANTI USURA, CORROSIONE, BARRIERETERMICHE

• APPLICAZIONI CHIMICHE: RIVESTIMENTI ANTI CORROSIONE IN AMBIENTI AGGRESSIVI

• APPLICAZIONI DECORATIVE: RIVESTIMENTI CROMATICI

• APPLICAZIONI BIOMEDICHE: RIVESTIMENTI BIOCOMPATIBILI

L’ATTUALE TENDENZA DELLO SVILUPPO TECNOLOGICO, FORTEMENTE CARATTERIZZATO DA UNA ESTREMAATTENZIONE AGLI ASPETTI DI IMPATTO AMBIENTALE E DI INCIDENZA SULLA SALUTE, HACONSIDEREVOLMENTE INCREMENTATO L’IMPIEGO DI QUESTE TECNICHE CONSIDERATE “PULITE”.


ALCUNI LINK INTERESSANTI

http://www.youtube.com/watch?v=QC7tYgHqEZQ (Perkin Elmer)

https://www.youtube.com/watch?v=Ibcr-B258J8&list=PL278B69C1F32C9683 (Sputtering)

https://www.youtube.com/playlist?list=PLDC9iQw8cFWCHaWd7Olr_j92157LF1LfC (Video vari)

https://www.youtube.com/watch?v=mmuTQPuadis&list=PLDC9iQw8cFWCHaWd7Olr_j92157LF1LfC&index=29 (Mobile cover sputtering)


CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION


TECNICHE DI DEPOSIZIONE CHIMICA DA VAPORE

I VAPORI DEI REAGENTI (PRECURSORI) VENGONO TRASPORTATI ALLA SUPERFICIE DEL SUBSTRATO DOVEHA LUOGO UNA REAZIONE CHIMICA CHE PRODUCE UNA FASE SOLIDA.

IL TRASPORTO DEL PRECURSORE AVVIENE MEDIANTE L'USO DI UN GAS DI TRASPORTO (OSSIGENO, ARGON,IDROGENO, AZOTO...), GRAZIE AL QUALE VENGONO POI ALLONTANATI DAL SISTEMA ANCHE I PRODOTTI DIDECOMPOSIZIONE GASSOSI.



FASI DEL PROCESSO

1. INTRODUZIONE IN CAMERA DEI GAS REAGENTI E

TRASPORTO VERSO IL SUBSTRATO

2. ADSORBIMENTO DEI REAGENTI SUL SUBSTRATO

3. DIFFUSIONE E DECOMPOSIZIONE DELLE

MOLECOLE

4. DESORBIMENTO DEI PRODOTTI DI REAZIONE



LA DEPOSIZIONE DI VAPORE CHIMICO (CVD) UTILIZZA UN PRECURSORE MOLECOLARE, INTRODOTTO INFORMA GASSOSA, CHE SI DECOMPONE SULLA SUPERFICIE DEL SUBSTRATO DEPOSITANDO ATOMI OMOLECOLE. LA DECOMPOSIZIONE PUÒ AVVENIRE PER PIROLISI, PER RIDUZIONE O PER OSSIDAZIONE.

• REAZIONE OMOGENEA IN FASE GASSOSA (FORMAZIONE SPECIE ATTIVA)

• REAZIONE ETEROGENEA SU SUPERFICIE (FORMAZIONE FILM)

LE CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEL PRECURSORE CONSISTONO IN UN'ALTA TENSIONE DI VAPORE EDUNA BUONA STABILITÀ TERMICA, TALE DA EVITARE LA DECOMPOSIZIONE DURANTE LA FASE DITRASPORTO. IN AGGIUNTA ESSO DEVE ESSERE ANCHE FACILMENTE REPERIBILE ED ECONOMICO, NONCHÉNON PRESENTARE PARTICOLARI PROBLEMI AMBIENTALI.


REAZIONI COMUNI - CVD

• PIROLISI-DECOMPOSIZIONE TERMICA: SILICIO DAL SILANO A 650 °C

SiH4(g) → Si(s) + 2H2 (g)

• RIDUZIONE (SPESSO IN H2): DA ALOGENURI A 300 °C

WF6(g) + 3H2(g) → W(s) + 6HF(g)

• OSSIDAZIONE (SPESSO IN O2): SiO2 DA SILANO ED O2 A 450 °C

SiH4(g) + O2(g) → SiO2(s) + 2H2(g)

• FORMAZIONE DI UN COMPOSTO PER REAZIONE CHIMICA: FILM RESISTENTI ALL’USURA A 1100 °C (NITRURO DI BORO)

BF3(g) + NH3(g) → BN(s) + 3HF(g)


CARATTERISTICHE CVD

• REAZIONE OMOGENEA IN FASE GASSOSA (FORMAZIONE SPECIE ATTIVA)

• REAZIONE ETEROGENEA SU SUPERFICIE (FORMAZIONE FILM)

IL TRASPORTO DEL PRECURSORE AVVIENE MEDIANTE L'USO DI UN GAS DI TRASPORTO A BASSA PRESSIONE,CHE ARRIVA AL SUBSTRATO.

IL SUBSTRATO VIENE RISCALDATO A UNA TEMPERATURA UGUALE ALLA TEMPERATURA DI REAZIONE DEI GASPRESENTI IN MODO DA PRODURRE LA REAZIONE DI CONDENSAZIONE DEGLI STRATI METALLICI O CERAMICISUL PEZZO DA RICOPRIRE.

REAZIONE IN SUPERFICIE: FLUSSO 0.1-1 m/h, TEMPERATURA 500-1000°C, 1-10 m DI SPESSORE.

I PEZZI DA RICOPRIRE DEVONO SOPPORTARE LE TEMPERATURE DI REAZIONE SENZA DEFORMARSI O REAGIRE, OFORMARE COMPOSTI NON VOLATILI CON GLI ALOGENI PRODOTTI NELLA REAZIONE DI SCAMBIO.


PROCESSI CVD

FONTI DI ENERGIA PER LA DEPOSIZIONE:

• ENERGIA TERMICA (RISCALDAMENTO)

• PLASMA: PE CVD (PLASMA ENHANCED)

• LASER: LASER-ASSISTED CVD

• FOTONI: PHOTON-ASSISTED CVD

L’USO DI UN PLASMA CONSENTE LA RIDUZIONEO LA DECOMPOSIZIONE A MINORI TEMPERATURERISPETTO AL SOLO USO DELLA TEMPERATURA.


H2ArH2+PH3

H2+B2H6HCl

SiCl4 H2

Silicon wafersGraphite susceptor

Quartz reaction chamberRF induction (heating) coils

vent

SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl

Exhaust scrubber

Trap

VaccumPump

Source Gases

Gas control and

sequencer

Furnace - with resistance heatersStandup wafers

SiH 4 + O 2 SiO 2 + 2H 2

SiH 4

O2

CHEMICAL VAPOUR DEPOSITIONVANTAGGI:

• ALTA VELOCITÀ DI DEPOSIZIONE, OMOGENEITÀ E PUREZZA DELLO STRATO DEPOSITATO.

• CONTROLLANDO I PARAMETRI DI PROCESSO SI RIESCE A CONTROLLARE LA STRUTTURA CRISTALLINA, LAMORFOLOGIA DELLA SUPERFICIE E L'ORIENTAMENTO.

• LA VELOCITÀ DI DEPOSIZIONE È FACILMENTE CONTROLLABILE. PER APPLICAZIONI IN MICROELETTRONICASI USANO BASSE VELOCITÀ (CRESCITA EPITASSIALE), MENTRE PER RICOPRIMENTI PROTETTIVI SI USANOVELOCITÀ MAGGIORI E SPESSORI MAGGIORI.

• FLESSIBILITÀ DI UTILIZZO DI UN GRAN NUMERO DI PRECURSORI DIVERSI (ALOGENURI, IDRURI,ORGANOMETALLI)

• BASSI COSTI (TECNICA CONVENZIONALE)


CHEMICAL VAPOUR DEPOSITIONPRINCIPALI SVANTAGGI:

• VELOCITÀ RELATIVAMENTE BASSA DI DEPOSIZIONE

• NECESSITÀ DI PREPARARE DEI MATERIALI REAGENTI IN FORMA DI MATERIALE VOLATILE

Precursori:

SiH4 ⟹ Si CH4 ⟹ C NiCO4 ⟹ Ni B2H6 o BCl3 ⟹ BWF6 ⟹ W TiCl4 ⟹ Ti

• UTILIZZO DI GAS DI TRASPORTO CORROSIVI, TOSSICI O INFIAMMABILI

• PRESENZA (SPESSO) DI SOTTOPRODOTTI DI REAZIONE CORROSIVI

• ELEVATA TEMPERATURA DEL SUBSTRATO

• L'UTILIZZO DI VARIANTI DI PROCESSO (PLASMA, LASER ETC) FA AUMENTARE I COSTI


SVILUPPI TECNICA CVD• PROCESSO MOCVD O "LOW TEMPERATURE CVD"

UTILIZZA GAS DI REAZIONE DIFFERENTI DA QUELLI STANDARD E CON CUI È POSSIBILE OTTENERE DEPOSITI CERAMICI AUNA TEMPERATURA DI 400-500 C. UN ESEMPIO È L'UTILIZZO DI UNA MISCELA DI (WF6,C6H6,H2) PER OTTENERE FILM DICARBURO DI TUNGSTENO (W2C,W3C,W2C+W3C). I FILM DI W2C COSÌ OTTENUTI PRESENTANO UN'ELEVATA RESISTENZAALL'ABRASIONE, ALLA CORROSIONE E ALLA CONDUTTIVITÀ TERMICA E SEMBRANO ESSERE MOLTO ADATTI (ANCHE PER ILLORO ELEVATO SPESSORE) AL RICOPRIMENTO DI STAMPI PER LAVORAZIONI AD ELEVATA TEMPERATURA.

• PROCESSO "PLASMA ASSISTED CVD"

CON L'UTILIZZO DI UN "PLASMA" SI RIESCONO AD ABBASSARE LE TEMPERATURE DI DEPOSIZIONE IN UN CAMPO FRA I400 C E I 650 °C OTTENENDO RIVESTIMENTI DI MATERIALI CERAMICI DIFFERENTI (TiN, TiC, SiN, Si3N4, Si02, SiC,etc.). PERQUANTO RIGUARDA LE POSSIBILI APPLICAZIONI, QUESTA TECNOLOGIA POTREBBE ESSERE MOLTO PROMETTENTE SUGLIUTENSILI DA TAGLIO, IN QUANTO LA BASSA TEMPERATURA DI DEPOSIZIONE NON PROVOCA NESSUNA REAZIONE TRA ILSUBSTRATO E IL MATERIALE DI RIVESTIMENTO, NON ALTERA LE PROPRIETÀ DEL SUBSTRATO E, PER ESEMPIO, NEL CASODEGLI UTENSILI IN CARBURO NON PORTA AD EVENTUALI FENOMENI DI INFRAGILIMENTO ALL'INTERFACCIA SUBSTRATO-RIVESTIMENTO.Corso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti 47

MO = Metalorganic

APPLICAZIONI CVD• RIVESTIMENTI A BASE DI DLC E DIAMANTE CON TECNICHE PECVD (Tdep<550°C) PER APPLICAZIONI OTTICHE,

ELETTRONICHE, MECCANICHE E BIOCOMPATIBILI;

• RIVESTIMENTI DI DIAMANTE PECVD A FORTE SPESSORE (200-500 MICRON) PER APPLICAZIONI ESTREME.

• DEPOSIZIONE DI FILM SUPERCONDUTTORI, SEMICONDUTTORI E ISOLANTI PER CIRCUITI INTEGRATI (Si, Ge,GaAs, SiO2, Si3N4).

• FORMAZIONE DI STRATI AD ELEVATA DUREZZA PER RIDURRE L'USURA DI COMPONENTI MECCANICI (TiN, TiC,BN)

• PRODUZIONE DI STRATI PROTETTIVI CONTRO LA CORROSIONE O L'OSSIDAZIONE AD ALTE TEMPERATURE (SiC,MoSi2, Al2O3) .

• BARRIERE TERMICHE (ZrO2)

• INFILTRAZIONE DI MATERIALI POROSI O IN FIBRE (CVI).

• PRODUZIONE DI MATERIALI COMPOSITI FORMATI DA ELEMENTI DIFFICILI DA SINTETIZZARECorso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti 48

UTILIZZO CVD

• DEPOSIZIONE MATERIALI CERAMICI

• RIVESTIMENTI MULTISTRATO

• CELLE SOLARI


ZnSe

Cella Fotovoltaica a CdTe(telluriuro di cadmio) Usato nei diodi ad emissione

luminosa (LED) e dei diodilaser. Emette luce blu

UTILIZZO CVD - I "MIGLIORI AMICI DELLE DONNE"…

LA CVD È UN METODO DI SINTESI DEI DIAMANTI.

UNA MISCELA DI IDROGENO E UN GAS CONTENENTE CARBONIO,COME IL METANO (CH4) VIENE DECOMPOSTA RISCALDANDOLA A2200 °C, CON MICROONDE O UN FILAMENTO RISCALDATO.

GLI ATOMI DI CARBONIO SI DEPOSITANO SU UNA LAMINA(TIPICAMENTE DI SILICIO) NELLA CAMERA DI DEPOSIZIONE E FORMANOLENTAMENTE UN SOTTILE STRATO DI MINUSCOLI DIAMANTI.


Diamante

Il diamante è il materiale più duro conosciuto in natura ed è il miglior conduttoretermico, è estremamente resistente al calore, alle radiazioni ed agli acidi. Inoltre èun isolante elettrico a larga "gap" energetica, ma può essere anche "drogato" inmodo da formare un semiconduttore per applicazioni ad alta potenza. Il diamanteè trasparente sia al visibile che alla radiazione infrarossa, ha una piccola costantedielettrica ed è biocompatibile.

CONFRONTO PVD VS CVD


Processo Temperatura processoPoterericoprente

Materialidepositati

Applicazioni

Vacuumevaporation

Fino a 700°C Line of sightMetalli e leghe (ingenere alluminio)

Elettronica, ottica. decorazione;rivestimenti semplici

CVD300-2000 °C, ma ingenere tra 600-1200°C

Molto buonoMetalli, materialirefrattari, C, BN pirolitico

Sottili film anti-usura su metalli, utensili,stampi

Reactive ionplating

0.7 T fusione; miglioread elevate temperature

Medio-buono Al, TiN, CrN e alcuneleghe ed altri nitruri

Per rivestimenti sottilissimi anti-usura ecorrosione; lubrificante secco

Ionimplantation

200-400°C Line of sight In genere N, B, CIncrementare resistenza ad usura perutensili e stampi; eccellente controllo delprocesso

ALCUNI LINK INTERESSANTI


https://www.youtube.com/watch?v=RjRB7-SLwF0

https://www.youtube.com/watch?v=F9WffTSKB-E&list=PL00HyLzI1gwy-3cOelVUYD0MC8Yeq4DEK

https://www.youtube.com/watch?v=YTML-JGRfMc (Diamanti)

CRESCITA EPITASSIALEUSANDO SiH4 COME GAS NELLA CAMERA DI DEPOSIZIONE CVD VIENE DEPOSITATO UNO STRATO DI SiSULLA SUPERFICIE DEL SUBSTRATO, E LA DIMENSIONE DEI CRISTALLITI DIPENDERÀ DALLA TEMPERATURA DIDEPOSIZIONE.

A TEMPERATURE DI DEPOSIZIONE ELEVATE GLI ADATOMI HANNO SUFFICIENTE ENERGIA CINETICA PERMUOVERSI LUNGO LA SUPERFICIE E ALLINEARSI CON QUELLI SOTTOSTANTI.

SI FORMA UNO STRATO EPITASSIALE, ED IL PROCESSO VIENE CHIAMATO EPITASSIA.

SiCl4(g) + 2 H2(g) → Si(s) + 4 HCl(g) (1000-1200 °C)

A TEMPERATURE DI DEPOSIZIONE PIÙ BASSE SI OTTIENE UNO STRATO DI SILICIO POLICRISTALLINO(CRISTALLITI PICCOLI).


CRESCITA EPITASSIALE

PER EPITASSIA SI INTENDE LA DEPOSIZIONE DI SOTTILI STRATI DI MATERIALE CRISTALLINO SU UN

SUBSTRATO MASSIVO, ANCH'ESSO CRISTALLINO, CHE NE INDIRIZZA LA CRESCITA E NE DETERMINA LEPROPRIETÀ STRUTTURALI.

LO SPESSORE DELLO STRATO EPITASSIALE PUÒ VARIARE DALLA FRAZIONE DI NANOMETRO A CENTINAIA DIMICRON.

DUE SONO LE TECNICHE PRINCIPALI DELL’ACCRESTIMENTO EPITASSICO:

• DEPOSIZIONE CHIMICA DA FASE VAPORE (CVD)

• EPITASSIA DA FASCI MOLECOLARI (MBE)


EPITASSIA DA FASCI MOLECOLARI (MBE)TECNICA CHE PERMETTE LA CRESCITA DI SOTTILI STRATI DI MATERIALICRISTALLINI SU SUBSTRATI MASSIVI, IN CONDIZIONI DI ULTRA-ALTOVUOTO (UHV).

IN UN APPARATO DI CRESCITA EPITASSIALE DA FASCI MOLECOLARI(MOLECULAR BEAM EPITAXY, MBE), LE CONDIZIONI DI DEPOSIZIONE,QUALI LA TEMPERATURA DEL SUBSTRATO E LA ROTAZIONE DELLOSTESSO O LA SEQUENZA DI APERTURA DELLE CELLE DI KNUDSEN,POSSONO ESSERE OTTIMIZZATE FINO A OTTENERE CAMPIONI CON LASEQUENZA DI CRESCITA VOLUTA E STRUTTURALMENTE PERFETTI SUSCALA ATOMICA, E CON IL VOLUTO CONTENUTO DI DROGANTI.


EPITASSIA DA FASCI MOLECOLARI (MBE)

L'USO DI UN AMBIENTE IN ALTO VUOTO PERMETTE INOLTRE DI MONITORARE LA CRESCITA DELMATERIALE IN TEMPO REALE TRAMITE LA DIFFRAZIONE DI ELETTRONI, COSA NON POSSIBILE CON LETECNICHE CHE OPERANO A PRESSIONI MAGGIORI.

I FENOMENI FISICI CHE REGOLANO L’EPITASSIA DA FASCI MOLECOLARI SONO L’ADSORBIMENTO, ILDESORBIMENTO E LA DIFFUSIONE.


DIFETTI DI CRESCITA

IL PROCESSO DI CRESCITA EPITASSIALE CREA UNO STRATO CRISTALLINO CON UNA MINORE QUANTITÀ DI IMPUREZZE RISPETTO AL SUBSTRATO, MA CON UNA PERFEZIONE CRISTALLINA INFERIORE.

IN PARTICOLARE, LA STRUTTURA CRISTALLINA DEL SUBSTRATO VIENE RIPETUTA NELLO STRATOEPITASSIALE, RIPRODUCENDO COSÌ EVENTUALI DIFETTI STRUTTURALI.

1. DISLOCAZIONI

2. DIFETTI DI IMPILAMENTO (STACKING FAULTS)

3. PRECIPITATI DI IMPUREZZE

4. COLLINETTE (HILLS)

5. STACKING FAULTS MASSIVI (BULK)


MORFOLOGIA


CRESCITA FILM SOTTILI• FORMAZIONE DI NUCLEI ISOLATI

• FORMAZIONE DI ISOLE

• FORMAZIONE DI FILM CONTINUI BORDI DI GRANO

• CRESCITA DEI GRANI


LA MORFOLOGIA È UNA PROPRIETÀ COMPLESSA

BISOGNA CONSIDERARE:

• INTERAZIONI INTERMOLECOLARI E COOPERATIVITÀ → CONTROLLATE DAL DISEGNO

• INTERAZIONI MOLECOLA - SUPERFICIE → CONTROLLATA DALLA CHIMICA DELLA SUPERFICIE E DELLA INTERFACCIA E DALLA TOPOGRAFIA;

• CINETICA DI CRESCITA → CONTROLLATA DA PARAMETRI (T, FLUSSO, TEMPO) E FENOMENI DI AUTO-ORGANIZZAZIONE.


CRESCITA PER SUBLIMAZIONE AD ALTO VUOTO

T = 25-220 °Ch = 0.1-300 nmF = 0.1-1 nm/min

PHV= 10-6,-7 mbarPOMBD=10-9,-10 mbar

OMBD


MORFOLOGIA DI UN FILM ORGANICO DI SEXITHIOPHENE (T6)

T=25°Ch=5 nm

T=25°Ch=100 nm

T=150°Ch=3 nm

T=150°Ch=100 nm


SS

SS

SS semiconduttore organico

T6 DIAGRAMMA DI FASE “CINETICO”

2D

3D

2D-3D

F. Biscarini et al., Phys. Rev. B 52 (1995); Phys. Rev. Lett. 78 (1997), Adv. Mater. (2001)Corso di Chimica delle Superfici ed Interfasi - G. Fioravanti 63

MODALITÀ CLASSICHE DI CRESCITA

2 D

Fr a n k - v a n d e r M e r w e

2 D - 3 D

S t r a n s k i - K r a s t a n o v

h c

V o lm e r - W e b e r

3 D

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