Correlatore Marco Rossi

1. Nano-cristalli di diamante con morfologie selezionate per applicazioni tecnologiche Laureando Paolo De Stefanis Relatore Fabrizio Frezza Correlatore Marco Rossi Tesi di laurea in Ingegneria Elettronica Anno Accademico 2004-2005

3. OBIETTIVI • Collaudare un sistema di deposizione di film sottili Microwave Plasma Assisted CVD • Progettare e realizzare il sistema di controllo per il modulo di immissione polveri • Definire le condizioni di processo per l’ottenimento di materiali nano-strutturati con particolari morfologie Nano-cristalli di diamante con morfologie selezionate per applicazioni tecnologiche

4. PERCHE’ SINTETIZZARE IL DIAMANTE PROPRIETÀ OTTICHE PROPRIETÀ ELETTRONICHE PROPRIETÀ MECCANICHE PROPRIETÀ TERMICHE: PROPRIETÀ ACUSTICHE BIOCOMPATIBILITÀ Ha la maggiore durezza meccanica (10500 kg/mm2) e un coefficiente di attrito pari al teflon (0.05) • Isolante (band gap 5.4 eV, resistività 1014 Ωcm); • semiconduttore p con B, n? (azoto) Trasparente da UV fino a IR ( 220<λ<2500nm e λ>6000nm) E’ il materiale con la più alta conducibilità termica (20 Wcm-1K-1) E’ il materiale che conduce meglio il suono Stessa bio-compatibilità del titanio Applicazioni : isolante nei circuiti alta tensione, diodi e transistor fino a 1000 ºC (per ora solo per T> 600 ºC) Applicazioni: Dispositivi SAW (comunicazione wireless alta frequenza fino a 5 GHz), HI-FI Applicazioni : oblo’ missili e aerei, rivestimento di finestre in ambienti caldi e corrosivi, finestre ottiche per laser ad alta potenza Applicazioni : termo-dispersori circuiti VLSI Applicazioni : ricopertura degli utensili da taglio e perforazione, bisturi, applicazioni militari Applicazioni: protesi, biorilevamento

5. COME SI SINTETIZZA IL DIAMANTE Primi tentativi: HPHT, replicando le condizioni di formazione naturale Svantaggi: costo di processo, produzione di pietre e granelli Pressioni dell’ordine dei 120 kbar, temperature sui 3000 ºC

6. COME SI SINTETIZZA IL DIAMANTE Chemical Vapor Deposition Si opera nella regione di meta-stabilità del diamante, in cui la grafite è la forma termodinamicamente stabile Importanza del ruolo dell’ H

7. ATTIVAZIONE DELLA FASE GASSOSA • I gas di processo entrano in camera • Attraversano la regione di attivazione • CH4 si scinde in radicali reattivi, H2 H • Trasporto dei reagenti • Diffusione e reazione sul substrato

8. VARIE TECNICHE CVD + : SEMPLICE, AMPIE AREE, BUONA VELOCITA’ (0.3 – 40 µm/h) • HOT FILAMENT CVD - : CONTAMINAZIONE, STABILITA’ + : SEMPLICE, MOLTO VELOCE (30 – 200 µm/h) • COMBUSTION FLAME -: UNIFORMITA’ + : QUALITA’, VELOCITA’, RIPRODUCIBILITA’,VERSATILITA’ UNIFORMITA’ • PLASMA CVD RF PLASMA ECR PLASMA DC PLASMA - : COSTO MICROWAVE PLASMA

9. L’APPARATO SPERIMENTALE

10. IL SISTEMA DI CONTROLLO INTERFACCIA GRAFICA PC FLOPPY DISK FIELD POINT SENSORI POWER BOARD

11. LA CAMERA DI PROCESSO INTERNO DELLA CAMERA PORTA-CAMPIONE

12. IL SISTEMA DI POMPAGGIO

13. GENERATORE DI MICROONDE (2.45 GHz) MAGNETRON CIRCOLATORE CORTO CIRCUITO MOBILE USCITA DEL PLASMA ADATTORE TRIPLO STUB

14. GENERATORE DI RF (13.56 MHz) Il generatore è connesso all’elettrodo attraverso la rete di adattamento automatica L’elettrodo e’ in diretto contatto col substrato in molibdeno

15. INNOVAZIONE Plasma da MW • Solo gli elettroni riescono a seguire le rapide variazioni del campo e acquisiscono energia • Lo scambio energetico tra elettroni e molecole della fase gassosa avviene attraverso urto anelastico • Determina la densità di ionizzazione Plasma da RF • Induce un potenziale di polarizzazione (bias) negativo costante sul substrato • Accelera verso il campione le specie cariche positivamente, incentivando la nucleazione

16. MESSA A PUNTO DEL MACCHINARIO Problematiche: • Rilevazione della temperatura • Plasma interno

17. RILEVAZIONE DELLA TEMPERATURA CAUSE: Effetti : difficoltà nel porsi nelle esatte condizioni di processo SOLUZIONI: Pirometro ottico Taratura con una termocoppia di riferimento Diamante

18. PLASMA INTERNO Effetti: deposito di materiali carboniosi conduttivi all’interno del cilindro riscaldatore, interruzione dell’isolamento elettrico, scariche e frattura dell’allumina (costo di lavorazione altissimo) Cause: non adeguato schermaggio dell’antenna RF da parte dell’allumina Simulazione HFSS Soluzioni: calza in molibdeno

19. UPGRADE DEL SISTEMA Immissione polveri: perché? DROGAGGIO NANOTUBI

20. IMMISSIONE POLVERI – SISTEMA DI CONTROLLO FIELD POINT

21. SOFTWARE SVILUPPATO SOFTWARE SVILUPPATO

22. RISULTATI SPERIMENTALI • Ottimizzazione della fase di nucleazione • Crescita del diamante • Nanotubi di carbonio • Nano-coni di diamante

23. OTTIMIZZAZIONE DELLA FASE DI NUCLEAZIONE Substrato wafer di Si monocristallino [100] Valutazione dell’effetto della polarizzazione e confronto con altre tecniche di pre-trattamento (seeding, scratching) Condizioni di processo : t= 15’, MW = 300 W, CH4= 4 sccm, H2= 99 sccm

24. SCRATCHING

25. SEEDING

26. BIASING (DOPO 10’ e 15’, CON VBIAS=250V)

27. DETERIORAMENTO DEL FILM AD UN AUMENTO DELLA POLARIZZAZIONE NON CORRISPONDE SEMPRE UN AUMENTO DELLA NUCLEAZIONE…ANZI

28. 70 V

29. 150 V

30. 200 V

31. 250 V

32. 300 V

33. 400 V

34. DETERIORAMENTO DEL FILM PER IMPATTO ENERGETICO

35. FASE DI CRESCITA T= 240’, MW = 350W, RF=0

36. DIAMANTE

37. DIAMANTE

38. NANO-CONI DI DIAMANTE Tecniche di sintesi Proprietà emettitive Minore tensione di soglia Zhang: Nucleazione+Crescita+Erosione Maschera • AFM: MIGLIORA LA STABILITA’, LE PERFORMANCE E IL CICLO DI VITA Applicazioni: • EMISSIONE DI CAMPO: DISPLAY A SCHERMO PIATTO • CENTRALI TERMONUCLEARI: PARETI INTERNE • CELLE SOLARI: MIGLIORA L’EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA Svantaggi: dimensione dei coni Svantaggi: 24h di deposizione

39. TECNICA SVILUPPATA IN QUESTA TESI • Sfrutta la sinergia tra MW e RF • Crescita ed erosione contemporaneamente • Risultati già dopo 15’ !

40. PARAMETRI DI PROCESSO • Campioni di Si pre-trattati con seeding • MW = 400 W, T=650ºC, p=8.6 mbar • Si sono alternati 5’ di crescita con plasma composto da CH4= 4 sccm e H2= 99 sccm a 5’ di plasma di solo H • La potenza a RF è stata variata per valutare l’effetto della polarizzazione

41. 50 V

42. 70 V

43. 150 V

44. 250 V

45. 250 V

46. 250 V

47. SPETTROSCOPIA RAMAN

48. DIFFRAZIONE RHEED

49. FIELD EMISSION APPARATO SPERIMENTALE

50. APPARATO SPERIMENTALE: SCHEMA