CVD: deposizione chimica da vapore

La deposizione chimica da vapore (CVD) è un processo chimico attraverso il quale si ottengono materiali solidi.
Essa è spesso usato nel settore fotovoltaico, della miniaturizzazione ed integrazione dei dispositivi elettronici ma anche in schermature elettromagnetiche, rivestimenti protettivi e coperture biocompatibili. La deposizione chimica da vapore è un processo in cui una sostanza gassosa o in vapore reagisce su un’interfaccia gas-solido per produrre una deposizione sulla superficie del materiale solido. Nel settore dei semiconduttori, il metodo è frequentemente impiegato per fabbricare fogli sottili.

Nella deposizione chimica un substrato è esposto a uno o più precursori volatili che reagiscono o si decompongono per dare un prodotto che si deposita sul substrato. Eventuali sottoprodotti sono allontanati da un flusso di gas che attraversa la camera di reazione. In un processo di deposizione chimica da vapore convenzionale , l’acqua (il substrato) è esposta a uno o più precursori volatili, che reagiscono e/o si degradano sulla superficie del substrato, formando il deposito desiderato. Spesso, vengono creati anche sottoprodotti volatili che vengono eliminati dal flusso di gas attraverso la camera di reazione

I gas precursori, abitualmente diluiti in gas inerti trasportatori vengono inviati nella camera di reazione a temperatura ambiente e, quando entrano in contatto con il substrato riscaldato reagiscono o si decompongono dando una fase solida che si deposita sul substrato.

I gas precursori devono essere volatili ma sufficientemente stabili da poter essere inviati al reattore e devono essere tali da consentire il deposito di un solo elemento o composto sul substrato mentre gli altri composti derivanti dalla decomposizione o dalla reazione devono essere gassosi in modo da poter essere allontanati. Tali gas che possono essere tossici, infiammabili o corrosivi devono essere quindi opportunamente trattati.

Esempi della deposizione chimica da vapore

Tra gli esempi più significativi di reazioni utilizzate nella deposizione chimica vi sono:

SiH_4(g) + O_2(g) → SiO_2(s) + 2 H_2(g)↑

4 PH_3(g) + 5 O_2(g) → P₂O_5(s) + 6 H_2(g)↑

3 SiH_4(g) + 4 NH_3(g) → Si₃N_4(s) + 12 H_2(g)↑

WF_6(g) + 3 H_2(g) → W + 6 HF_(g)↑

Nella deposizione chimica da vapore i materiali precursori sono abitualmente classificati nelle seguenti categorie:

1)      Alogenuri: TiCl₄, TaCl₅, WF₆ ecc.

2)      Idruri: SiH₄, GeH₄, AlH₃ ecc.

3)      Composti metallorganici

4)      Alcossidi metallici

5)      Alchil-metallo

6)      Metallo carbonili

7)      Altri ovvero composti metallorganici, complessi ecc.

Applicazioni

Una delle maggiori applicazioni della deposizione chimica da vapore consiste nel rivestimento di adeguati supporti con silicone policristallino ad elevata purezza usato nelle celle fotovoltaiche che può essere ottenuto tramite una serie di reazioni:

SiH_4(g) → Si_(s) + 2 H_2(g)↑

SiCl_4(g) + 2 H_2(g) → Si_(s) + 4 HCl_(g)↑

SiH₂Cl_{2 (g)} → Si_(s) + 2 HCl_(g)↑

SiHCl_{3 (g)} + H_2(g) → Si_(s) + 3 HCl_(g)↑

La tecnica CVD consente la deposizione di un’ampia tipologia di materiali come metalli, nitruri , carburi , ossidi , polimeri e altri elementi non metallici. La versatilità della CVD ha portato a una rapida crescita ed è diventata uno dei principali metodi di lavorazione per la deposizione di film sottili e rivestimenti per un’ampia gamma di applicazioni, tra cui semiconduttori; dielettrici, materiali ceramici refrattari , film metallici  e produzione o rivestimenti di fibre

La deposizione chimica da vapore trova applicazioni che spaziano dalla microelettronica all’optoelettronica, fino ai rivestimenti protettivi per componenti meccanici ed energetici. Ad esempio, nel settore dei semiconduttori, colossi come Applied Materials e Lam Research forniscono sistemi CVD avanzati per la realizzazione di strati isolanti e conduttivi all’interno dei microchip, indispensabili per l’evoluzione dei nodi tecnologici sempre più miniaturizzati.

La AIXTRON, invece, è leader mondiale nelle apparecchiature MOCVD, utilizzate per crescere materiali composti come nitruro di gallio (GaN) o arseniuro di gallio (GaAs), fondamentali per LED, laser e dispositivi di potenza. In ambito industriale e aerospaziale, la CVD Equipment Corporation ha sviluppato impianti per depositare rivestimenti ceramici su pale di turbine a gas, aumentando la resistenza all’usura e alle alte temperature. Allo stesso modo, realtà come Oerlikon Balzers e Ionbond applicano processi CVD per creare rivestimenti duri e antiusura su utensili da taglio e componenti meccanici ad alte prestazioni. Questi esempi mostrano come la CVD non sia una tecnologia confinata ai laboratori, ma un processo produttivo industriale maturo, con applicazioni trasversali che coinvolgono aziende leader a livello globale.

Tuttavia, il metodo CVD presenta diversi svantaggi, come il rischio di utilizzare gas precursori tossici, corrosivi, infiammabili e/o esplosivi. Un’altra preoccupazione sono le diverse velocità di vaporizzazione e pressioni per diversi materiali precursori , che ostacolano la deposizione di materiali multicomponenti e aumentano i costi di fabbricazione. Per superare questi svantaggi, sono emerse alcune tecniche alternative basate su CVD, come la CVD potenziata al plasma (PECVD), la CVD assistita da fiamma e la CVD assistita da aerosol.

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