|
Polverizzazione catodicaLa polverizzazione catodica, spruzzamento catodico o vaporizzazione catodica[1] (in inglese sputtering, "spruzzamento") è un processo per il quale si ha emissione di atomi, ioni o frammenti molecolari da un materiale solido detto bersaglio (target) bombardato con un fascio di particelle energetiche (generalmente ioni). Il processo di polverizzazione catodica Nell'intervallo di energia degli ioni abitualmente coinvolti nello sputtering (solitamente minore di 1 keV per applicazioni di etching o deposizione), l'interazione tra lo ione incidente e gli atomi del bersaglio, e susseguenti interazioni fra questi ultimi, può essere trattata come una serie di urti binari. Lo ione incidente colpisce gli atomi impacchettati e li disperde in tutte le direzioni (fenomeno detto "cascata di collisioni"), compresa quella che li porta a uscire dal bersaglio. Il materiale viene emesso dal bersaglio dopo una cascata di collisioni e non dopo un singolo urto particella incidente - atomo del bersaglio perché non è possibile che un singolo urto causi una variazione della direzione del momento sufficiente a far sì che l'atomo del bersaglio abbia una componente di velocità diretta verso la direzione di arrivo dello ione incidente. In base a considerazioni geometriche è chiaro perché l'incidenza obliqua degli ioni che colpiscono il bersaglio aumenta la resa di sputtering: con incidenza non perpendicolare è più facile che le collisioni conferiscano una componente di velocità diretta verso l'esterno del bersaglio agli atomi del bersaglio stesso. Tipicamente in un processo di sputtering le particelle energetiche che bombardano il bersaglio sono costituite da ioni; la resa maggiore si ha quando gli ioni incidenti hanno massa paragonabile a quella degli atomi del bersaglio perché in questo caso si ha un più efficiente scambio di energia tra ione incidente ed atomo del bersaglio. Il materiale viene prevalentemente emesso dal bersaglio sotto forma di particelle elettricamente neutre (atomi non ionizzati, frammenti di molecole, ecc.) Resa di sputteringLa resa di sputtering è definita come il numero di atomi erosi dal bersaglio per ogni ione incidente. La cascata di collisioniI fenomeni che avvengono in una cascata di collisioni servono per capire le applicazioni dello sputtering. I seguenti processi, non necessariamente tutti, possono avvenire al bersaglio:
Applicazioni praticheIl processo a spruzzo ha diverse applicazioni pratiche, tipicamente nel settore industriale (industria dei semiconduttori o dei ricoprimenti superficiali, per esempio) o di ricerca scientifica (fisica dello stato solido, scienza dei materiali), ma tecniche basate sullo spruzzo vengono ormai utilizzate in svariati campi: dall'archeologia all'analisi di prove processuali. Le due principali applicazioni industriali dello sputtering sono comunque:
Entrando maggiormente in dettaglio, le tecniche a spruzzo si possono sostanzialmente dividere in tre categorie:
Esistono inoltre applicazioni in cui lo sputtering viene impiegato per scopi di analisi. Analisi SIMSLa polverizzazione catodica è il processo alla base anche della spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS), una tecnica molto sofisticata di analisi chimica di campioni, largamente utilizzata nell'industria e nella ricerca. Il processo di collisione in cascata, in questo tipo di tecnica, interessa generalmente i primi 10 nm del campione, tuttavia durante un'analisi SIMS in condizioni tipiche circa il 95% del materiale riemesso proviene dai primi 1-2 nm, dunque la risoluzione in profondità del SIMS è di circa 3÷10 nm. Nel caso di campioni in forma cristallina la penetrazione degli ioni primari è in genere più elevata, a causa della presenza di direzioni privilegiate nei cristalli (si ha il cosiddetto channelling process). In questo caso non si può applicare il metodo delle collisioni a cascata, poiché gli ioni primari interagiscono con la struttura cristallina nel suo complesso, piuttosto che con un singolo atomo alla volta. L'energia cinetica del materiale emesso nel processo di erosione è variabile: gli ioni secondari atomici hanno energie molto basse, dell'ordine dei 20 eV. Gli ioni molecolari hanno energie inferiori, poiché l'energia cinetica ceduta dagli ioni primari alle molecole è convertita anche in energia rotovibrazionale. L'energia di ionizzazione degli elementi contenuti nel campione è il parametro decisivo per la generazione di ioni secondari positivi. Per quanto riguarda la creazione di ioni secondari negativi, il parametro di riferimento è invece l'affinità elettronica. Oltre a ciò, la probabilità di ionizzazione dipende fortemente dall'ambiente chimico che circonda l'atomo considerato (effetto di matrice). La forte influenza dell'effetto di matrice rende piuttosto complicata la quantificazione dei risultati delle analisi SIMS. Note
Voci correlateAltri progetti
Collegamenti esterni
|
