Deposizione chimica da vapore: rivoluzione nell’industria dei materiali

La deposizione chimica da vapore o CVD dall’inglese Chemical Vapor Deposition è una tecnica di deposizione di film sottili utilizzata per produrre rivestimenti o depositi di materiale su un substrato mediante una reazione chimica che si verifica su o in prossimità di una superficie del substrato normalmente riscaldata. Questa tecnologia è stata inventata nel dipartimento di chimica dell’ Università di Harvard negli anni ’70 e perfezionata negli anni ’80 .

Costituisce un processo di produzione molto versatile e ampiamente utilizzato che può essere adattato a molte applicazioni diverse presentando il vantaggio di ottenere rivestimenti di spessore uniforme anche su superfici irregolari.

I materiali utilizzati nei sistemi di rivestimento vanno dai composti di silicio a quelli di carbonio, ai fluorocarburi o composti organici del fluoro e nitruri come il nitruro di titanio. Alcuni materiali come il silicio possono essere ulteriormente migliorati drogando la superficie per funzionalizzare il rivestimento per uno specifico obiettivo. La deposizione chimica da vapore è impiegata in molte applicazioni come dielettrici, conduttori, strati di passivazione, barriere di ossidazione, ossidi conduttivi, rivestimenti resistenti alla corrosione e al calore.

Precursore e reagente nella deposizione chimica da vapore

Nell’ambito della deposizione chimica da vapore il precursore e il reagente sono due componenti fondamentali utilizzati per la generazione del film sottile sul substrato.

Il precursore è un composto chimico che contiene gli elementi desiderati per la deposizione. Può essere un composto organometallico, un composto inorganico o un altro tipo di composto chimico. Ad esempio, se si desidera depositare un film sottile di biossido di silicio il precursore potrebbe essere un alcossisilano come il tetraetossisilano. Durante il processo di CVD, il precursore viene trasportato all’interno del reattore sotto forma di gas o vapore.

deposizione chimica da vapore da Chimicamo
deposizione chimica da vapore

Il reagente è un gas o un’altra sostanza chimica che reagisce con il precursore per avviare la reazione chimica di deposizione. Il reagente può essere un gas puro o una miscela di gas che favorisce la reazione chimica desiderata. Ad esempio, nell’esempio precedente del film di biossido di silicio, l’acqua può essere utilizzata come reagente per reagire con il tetraetossisilano e generare SiO2. Il reagente può anche essere utilizzato per controllare la velocità di deposizione, la composizione chimica del film o altre proprietà desiderate.

Durante il processo di CVD, il precursore e il reagente vengono introdotti nel reattore e sottoposti a condizioni controllate, come temperatura, pressione e flusso dei gas. Le reazioni chimiche tra il precursore e il reagente si verificano sulla superficie del substrato, portando alla deposizione del film sottile desiderato.

Reattori nella deposizione chimica da vapore

reattori da Chimicamo
reattori

I reattori usati nella deposizione chimica da vapore devono essere progettati per controllare i parametri del film come spessore, struttura cristallina, morfologia superficiale, composizione del film. Quello più comune è la fornace a tubo che offre numerosi vantaggi, come la possibilità di ottenere depositi uniformi su grandi aree di substrato e la capacità di lavorare a temperature elevate. È ampiamente utilizzata nella produzione di circuiti integrati, pannelli solari, rivestimenti protettivi e in molti altri settori che richiedono film sottili di alta qualità.

Consiste in un tubo di quarzo all’interno del quale viene posizionato il substrato su cui si desidera depositare il film sottile. Il precursore e il reagente vengono introdotti nella fornace e riscaldati a temperature elevate per avviare le reazioni chimiche di deposizione.

La temperatura uniforme all’interno del tubo consente una deposizione omogenea sui substrati. Le fasi previste per il funzionamento della fornace a tubo sono la preparazione del reattore in cui il tubo di quarzo viene pulito accuratamente per rimuovere eventuali impurità e residui. Successivamente, viene installato nel sistema di alimentazione dei gas e collegato a un sistema di vuoto per garantire la pressione desiderata all’interno del reattore. Avviene poi:

  1. Introduzione dei gas in cui il precursore viene introdotto nel reattore tramite un flusso di gas inerte o di reazione. Il gas inerte aiuta a trasportare il precursore verso il substrato e a mantenere la pressione desiderata all’interno del reattore.
  2. Riscaldamento in cui la fornace a tubo viene riscaldata utilizzando resistenze elettriche o altri mezzi di riscaldamento. La temperatura all’interno del tubo viene controllata con precisione per favorire la reazione chimica di deposizione e può variare a seconda dei materiali e dei processi specifici.
  3. Reazione chimica e deposizione in cui il precursore introdotto nel reattore subisce una serie di reazioni chimiche sulla superficie del substrato a causa della temperatura elevata. Queste reazioni portano alla deposizione del materiale desiderato sotto forma di film sottile sul substrato. Il gas di reazione può essere introdotto separatamente o generato in situ dalla decomposizione del precursore.

L’ultima fase consiste nella rimozione dei sottoprodotti gassosi o solidi. Un sistema di vuoto collegato al reattore rimuove continuamente i prodotti di reazione non desiderati per mantenere un ambiente pulito e controllato.

Altri tipi di reattori sono a letto fluido dove il substrato viene posizionato in un letto di particelle inerti come sabbia o granuli di quarzo che vengono fluidificati utilizzando un flusso di gas. Il precursore viene introdotto nel letto di particelle e le reazioni chimiche di deposizione avvengono sulla superficie del substrato. Questo reattore consente una maggiore dispersione del precursore e una rapida rimozione dei prodotti di reazione.

Nel reattore a getto i precursori e i reagenti vengono introdotti nella camera di reazione attraverso ugelli ad alta velocità. I gas vengono miscelati all’interno della camera di reazione, generando una reazione chimica rapida e uniforme. Questo tipo di reattore è adatto per depositi ad alta velocità o per applicazioni in cui è necessaria una rapida reazione chimica.

Il reattore a letto rotante prevede la rotazione del substrato all’interno di una camera di reazione. Il precursore viene alimentato continuamente durante la rotazione, consentendo una deposizione uniforme su tutte le superfici del substrato. Questo reattore è particolarmente utile per la deposizione su materiali complessi o tridimensionali.

Applicazioni della deposizione chimica da vapore

La deposizione chimica da vapore ha una vasta gamma di applicazioni in diversi settori come, ad esempio, nel campo dell’elettronica e microelettronica per la produzione di dispositivi elettronici, come circuiti integrati, transistor, diodi e schermi a cristalli liquidi. È utilizzata per depositare strati sottili di materiali semiconduttori, isolanti, metalli e rivestimenti protettivi sui substrati di silicio o su altri materiali.

CVD da Chimicamo
CVD

La deposizione chimica da vapore è fondamentale nella fabbricazione di semiconduttori e utilizzata per la deposizione di strati di isolanti come il biossido di silicio o il nitruro di silicio, strati di conduttori metallici come l’alluminio o il tungsteno, e strati di materiali semiconduttori come il silicio amorfo o il carburo di silicio.

È  impiegata per depositare rivestimenti sottili su vari materiali per fornire proprietà protettive e resistenti all’usura. Ad esempio, possono essere depositati rivestimenti di carburo di titanio, carburo di tungsteno, nitruro di titanio per migliorare la durezza, la resistenza chimica o la resistenza all’abrasione di superfici di attrezzi, utensili, componenti meccanici e parti automobilistiche.

Viene utilizzata nella produzione di celle solari per depositare strati sottili di semiconduttori come il silicio policristallino, il silicio amorfo o il tellururo di cadmio che catturano e convertono l’energia solare in energia elettrica.

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