Apparato per la deposizione chimica da vase vapore (CVD) di materiali a bassa dimensionalità (2D)

La CVD installata al CNR-IMM di Agrate è un sistema di deposizione di tipo a furnace tubulare. Consta di due zone termiche indipendenti e usa Ar, N2 e forming gas come gas di processo. Il processo di deposizione è completamente automatizzato e controllato da PC per i flussi di gas e la temperatura. La CVD è usata per la crescita di dicalcogenuri di metalli di transizione 2-dimensionali combinando Mo, Te (calcogeni) e Mo, W, Sn (metalli), consistenti in pochi strati e/o un singolo strato atomi

Descrizione

La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un metodo e una tecnologia ben nota ed diffusa per la crescita di film sottili e rivestimenti sia in ambenti di ricerca sia in ambito industriale. La CVD si basa sull’impiego di uno o più precursori che contengono l’elemento di interesse per il film od il ricoprimento desiderato, che sono trattati per ridurli in fase gas in un atmosfera in cui è presente un gas inerte di trasporto, tipicamente N₂, Ar or forming gas nel nostro apparato, che ha lo scopo di far fluire i precursori verso la regione della camera di reazione in cui è posizionato il substrato. Nel processo avviene una reazione chimica o chimico-fisica o in fase vapore o mediata dalla superficie del substrato che consente la crescita del film o ricoprimento desiderato. Il materiale così ottenuto è strutturalmente amorfo, poli-cristallino o a cristalli singoli, in funzione del tipo di substrato e del parametri del processo di crescita. In alcuni casi, l’enfasi è messa sul flusso di gas che è sostenuto dai gas inerti, un metodo di deposizione noto anche come trasporto chimico da fase vapore (CVT), per evidenziare la distanza tra la localizzazione dei precursori e il posizionamento del substrato, laddove tale distanza gioca un ruolo determinante nella crescita. In ogni caso, i residui non reagiti sono eliminati attraverso un sistema di pompaggio ed espulsi dalla camera di reazione.

I precursori dell’elemento calcogeno e del metallo di transizione usati per formare il dicalcogenuro sono inseriti nel sistema CVD in forma solida, tipicamente polvere o film pre-depositati tramite evaporazione. La quantità di polvere, ovvero lo spessore del film pre-deposto è accuratamente misurato per controllare la concentrazione del singolo elemento precursore nella camera di reazione, cioè la sua pressione parziale. La posizione dei precursori al centro di ciascuna delle zone termiche permette di controllare la temperatura raggiunta da ognuno dei precursori indipendentemente e con accuratezza. Questo aspetto è particolarmente rilevante perchè il processi di condizionamento può essere ottimizzato per ciascun precursore controllandone la temperatura in ogni fase del processo. Inoltre, la possibilità di controllare il flusoo del gas di trasporto permette il controllo della pressione in ogni fase del processo di crescita. Infine, l’elevato controllo di processo permette la crescita conformale di film sottili fino al singolo strato atomico nella forma di uno strato continuo o di domini isolati monostrato e monocristallini.

Il metodo CVD è largamente diffuso su scala mondiale per due ragioni principali: flessibilità ed economicità. La flessibilità è dovuta alla grande disponibilità di precursori chimici, al controllo ed ottimizzazione dei parametri di processo, alla facile trasferibilità dei processi implementabili su scala industriale anche su substrati particolarmente grandi, con le geometrie più disparate e con ratei di deposizione particolarmente elevati. In particolare, nella microelettronica l’opportuna scelta di reagenti e parametri di crescita permette la deposizione su grandi areee, anche sui wafer di silicio da 300 mm.

L’apparato CVD installato press oil CNR-IMM di Agrate è un Sistema Planartech consitutito da 2 fornaci controllabili in maniera indipendente e da una camera di reazione consistente in un tubo di quarzo del diametro di 2 pollici; il sistema è in grado di gestire substrati con dimensione laterale 2 cm x 4 cm. I gas di processo in uso sono N₂ and Ar e, in particolari condizioni, anche forming gas. La tipica pressione di crescita è la pressione atmosferica e per questo l’appelativo di CVD a pressione atmosferica (AP-CVD) è talvolta utilizzato per riferirsi a queste condizioni di crescita. Sono disponibili differenti precursori per l’elemento calcogeno (S, Te,…) e per i metalli di transizione (Mo, MoO₃, W, WO₃,…), tutti in forma solida. Gli strati di TMD sono depositati su substrati lisci di SiO₂/Si.

Campo di applicazione

La CVD è utilizzata nei più svariati ambiti della scienza applicate e della tecnologia: micro- e nano-elettronica, optoelettronica, fotonica, energetica, chimica e ambiente, per l’ottenimento di ricoprimenti e efilm molto sottili funzionali. Inoltre, rivestimenti protettivi ottenuti per CVD trovano impiego in elettrochimica, metallurgia, tribologia, biotecnologia, industria alimentare e, praticamente, in tutti i campi dell’ingegneria. Per esempio, i materiali prodotti per CVD con la maggiore diffusione commerciale sono: polisilicio, biossido di silicio, nitruro di silicio, metalli, diamante sintetico, grafene e materiali calcogeni.

Nell’ambito del progetto I-ZEB, l’interesse nell’uso dell’apparato CVD in Agrate è focalizzato sulla crescita di composti per la nanoelettronica, il fotovoltaico e l’efficenza energetica. A questo scopo, è stato sviluppato un protocollo per la crescita standard di un film continuo di MoS₂ a singolo strato atomico esteso su aree di diversi mm². Le proprietà del fil così ottenuto sono correlabili con il suo carattere semiconduttivo, con un band-gap modulabile in base al numero degli strati atomici deposti e una transizione da gap indiretto a gap diretto quando si ottiene lo strato atomico singolo. L’ampiezza di questo gap diretto è di interesse per lo sfruttamento in dispositivi optoelettronici e fotovoltaici. Ulteriori applicazioni sono attese in chimica e ambiente dovute alla possibilità di controllare la numerosità dei difetti specifici di un solo elemento consitutente lo strato di MoS₂, per esempio vacanze di zolfo.

Prestazioni

Il Sistema CVD installato press il CNR-IMM di Agrate Brianza è in grado di produrre film continui e monostrato di MoS2 che si estendono su aree di diversi mm2. Questo alto ricoprimento è possibile grazie all’implementazione di un protocollo standard per il processo di deposizione, che garantisce la buona riproducibilità del materiali 2D deposto, come verificato e controllato dalle diverse caratterizzazione effettuate dopo la crescita.

In Figura 1, l’immagine da microscopia elettronica a scansione (SEM) mostra un film di MoS₂ che si estende su larga area e che è costituito da domini di singoli strati atomici di MoS₂.

Inoltre, la Figura 2 evidenzia in dettaglio le caratteristiche del singolo dominio di uno strato atomico di MoS₂. E’ possibile ottenere domini cristallini singoli, di forma triangolare, con la lunghezza di lato fino a 122 μm. Da notare che la forma triangolare è intimamente correlata con la geometria esagonale attesa per il singolo strato monocristallino di MoS₂ quando assume la struttura denominata 2H.

Ulteriori indagini sono state effettuate su substrati patternati per studiare le caratteristiche della deposizione su substrati diversi da SiO₂/Si liscio e per indurre in modo estrinseco proprietà anisotropiche negli strati di MoS₂.

Bibliografia

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