Con il termine "nanotecnologie" si intendono tutte quelle tecniche che riguardano deposizione di  film sottili. Questa definizione, peraltro molto generica e forse non del tutto corretta, comunque consente in poche parole di dare un'idea del concetto.

La deposizione di films sottili avviene con diverse tecniche. Tra le più usate sicuramente troviamo le cosiddette tecniche di deposizione "sotto vuoto".
Qui di seguito si cercherà di fare una panoramica molto superficiale di alcune tecniche "sotto vuoto".


1) Ion Implantation (I.I.)

L'ion implantation è una tecnica tramite la quale si bombarda una superficie metallica con un fascio di ioni. La superficie deve essere pre-trattata in modo opportuno per evitare disomogeneità e in particolare deve essere esente da impurità. Generalmente, la finitura superficiale deve essere il più possibile accurata (levigatura e lucidatura a specchio), anche se si possono utilizzare superfici trattate più rozzamente (ad es. finitura alle carte SiC a grana fine o finissima). Qualsiasi imperfezione (corrugamenti, striature, etc.) può creare zone d'ombra in cui il bombardamento ionico può essere meno efficace . Inoltre, le impurità possono formare zone superficiali disomogenee che, a volte, possono risultare siti preferenziali di attacco corrosivo.

Fig. 1: schema di apparecchiatura per I.I.

L'atomo dell'elemento scelto per l'impianto viene ionizzato nella sorgente di ioni (1: ion source) per collisione con elettroni generati da una scarica elettrica in un gas a bassa pressione. Gli ioni appena generati vengono estratti elettrostaticamente (2: extraction electrode) attraverso un orifizio e introdotti in una regione sotto vuoto con energia moderata (10-25 KeV). Attraverso l'analizzatore magnetico (3) vengono separati gli isotopi.
L'isotopo selezionato entra nel tubo acceleratore (4), dove gli ioni vengono accelerati al livello di energia desiderato e messi a fuoco con una lente a quadrupolo che genera un raggio (non indicata nello schema). Lo scanner (5) assicura un uniforme distribuzione degli ioni sulla superficie. La camera bersaglio (6) è sotto vuoto e può essere riscaldata o raffreddata.
Il bersaglio può ruotare consentendo il bombardamento di una superficie più vasta di quella occupata dallo "spot" del raggio. Normalmente lo spot utile è di qualche centimetro quadrato. La profondità raggiunta dagli ioni entro il materiale bersaglio dipende dalla loro energia. Normalmente è delle migliaia di Å. Nella Tab.1 sono evidenziati i parametri di processo .

Tab. 1: caratteristiche dell'I.I.

In Fig.2 è evidenziata la differenza tra il profilo desiderato e quello ottenuto. La differenza è dovuta alla resistenza opposta dal substrato ed è tanto più rilevante, quanto più alte sono le energie utilizzate e le concentrazioni volute ,

Fig. 2: profili di deposizione teorico e reale ottenibili mediante la tecnica dell'I.I.

Vantaggi della I.I.

1) Non altera le proprietà del bulk, in altre parole il bombardamento è superficiale e non interagisce con la massa del sistema.
2) Si possono ottenere soluzioni solide a concentrazioni superiori ai limiti di solubilità. Il bombardamento consente l'immissione di un soluto a concentrazioni generalmente impossibili da raggiungere con altri metodi.
3) Si ottiene una soluzione superficiale omogenea.
4) Non ci sono problemi di adesione poiché non esiste interfaccia. 
5) Non ci sono variazioni significative nelle dimensioni del campione. Il deposito è molto sottile e questo può essere decisivo per sistemi in cui le dimensioni devono essere precise con tolleranze minime.
6) Profilo di distribuzione della profondità di impianto controllabile.
7) La composizione può essere variata senza intaccare le caratteristiche della lega
8) L'area impiantata può essere ben definita: si può scegliere, con schermature opportune, una ben definita area di impianto.
9) Il processo avviene sotto vuoto e a bassa temperatura.
10) L'I.I. permette di variare le caratteristiche di resistenza alla corrosione potendo cambiare la composizione superficiale della lega.

Limiti della I.I.

· Il pre-trattamento (lucidatura etc.) può risultare difficoltoso e costoso.
· Gli spessori ottenibili sono molto sottili e quindi non sempre adeguati, per esempio, a proteggere dalla corrosione il metallo impiantato. Tuttavia, il trattamento per I.I. evidenzia, con numerosi esempi riportati in letteratura, un rallentamento della corrosione alla protezione dalla corrosione in situazioni ambientali particolarmente aggressive (diminuzione della corrente di corrosione e aumento del potenziale di corrosione).

2) Ion Beam Mixing (IBM)

L'IBM è un processo a due stadi:
1) Deposizione di un elemento (es. per evaporazione, elettrodeposizione, etc.)
3) Ion implantation con ioni inerti (es. Argon).
In questo modo, dapprima la superficie viene ricoperta con uno strato protettivo (coating) dell'elemento o lega di interesse e successivamente il rimescolamento (back-mixing) porta all'eliminazione dell'interfaccia.
Rispetto all'I.I., che forma una lega direttamente sulla superficie trattata, il fatto di poter depositare uno strato protettivo sopra il substrato metallico, prima dell'operazione di back-mixing, può essere un vantaggio. Il limite rimane lo spessore, che normalmente non oltrepassa i 1000-3000 Å, visto che gli ioni usati per il back-mixing devono attraversare l'interfaccia.

3) Ion Beam Assisted Deposition (IBAD)

Questa tecnica è comunemente nota come PVD.
In realtàconsiste nel depositare contemporaneamente un metallo per condensazione (PVD) e nell'impiantare ioni di elementi inerti tramite I.I. Gli ioni "vedono" l'interfaccia solo all'inizio del processo, quando avviene il mescolamento. Successivamente il deposito cresce sotto il bombardamento dell'I.I., che serve a rendere il deposito denso e non poroso.

Se lo ione bombardato è reattivo, può formare composti con l'elemento depositato con ben definita stechiometria (es. TiN, Ti2N, AlN, Si3N4, etc.).

La Fig.3 mostra uno schema di funzionamento dell'apparecchiatura IBAD.
Il campione (1) è posizionato al centro di una camera di 30 cm di diametro e può ruotare, così da essere esposto contemporaneamente all'evaporatore e al raggio ionico.
Lo spessore e la velocità di deposito (tra 1 e 8 Å s -1) sono misurati con un monitor (2). I depositi per PVD e per IBM sono contemporanei. Si possono variare le fenditure per regolare il deposito di ioni e il bombardamento su aree specifiche del substrato.
In genere, i parametri adottati per il processo IBAD sono i seguenti:
· Energia da 1 a 40 KeV
· Flusso da 1014 a 1015 ioni cm-2 s-1
· N2 liquido genera un muro freddo (3) che intrappola eventuali gas che potrebbero contaminare il substrato.
· Pressione della camera 5.10-7 Torr
· Pressione del gas circa 10-5 Torr
Un esempio di IBAD è la tecnica di deposizione di nitruro di Titanio (TiN): il Titanio è sublimato nell'evaporatore a raggio elettronico e depositato sul substrato contemporaneamente ad un bombardamento di N2+ a 30 KeV (pressione 10-5 torr). E' possibile introdurre anche ammoniaca.
Il vantaggio principale della tecnica IBAD consiste nello spessore depositabile che può arrivare oltre il m, decisamente superiore a quello ottenibile con l'I.I.

Fig. 3: schema di apparecchiatura per IBAD

Confronto tra le tecniche

Vale la pena, a questo punto, fare un confronto tra le tecniche discusse per valutarne le differenze. In Fig.4 si può vedere uno schema del tipo di deposito ottenibile con le varie tecniche.
L'I.I. produce una lega superficiale molto sottile (qualche centinaio di Å).
L'IBM dà luogo a formazione di leghe anche sotto un sottile strato superficiale di metallo depositato.
Il deposito IBAD è simile a quello ottenibile con l'IBM, anche se delle differenze esistono:
· Il deposito del metallo avviene per condensazione
· Deposito e I.I. sono contemporanei.  

Fig. 4: confronto fra tipi di deposizione

Bibliografia

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