Processo de Deposição de Filmes Finos

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Renata Adriana Freire Santos
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1 1 Processo de Deposição de Filmes Finos POSMAT 2 Prof. José Humberto Dias da Silva Formação de Filmes Processo de Deposição Formação de filmes Geral: vale para diferentes tipos de crescimento (MBE, CVD, evap, sputt, etc...) 3 4

2 5 Processo de Deposição de Filmes Finos O que acontece quando os átomos ou moléculas da fase vapor encontram uma superfície? átomo/molécula superfície Será que eles aderem? A aderência é forte?...faz ligação química? Ocorre de imediato ou demora? O átomo fica parado no local ou se movimenta? 6 Formação do filme A deposição ocorre em ilhas que vão se formando ou camada por camada? (superfície rugosa ou lisa?) A estrutura do filme formado desordenada ou ordenada? O filme fica exatamente como no término da deposição ou se modifica com o tempo? Quais são as etapas da formação de um filme? 7 8

3 9 Etapas da deposição de filmes: 6 etapas 1. adsorção => átomos chegam, interagem com a superfície e aderem (fracamente) 10 Etapas da deposição de filmes: 2. difusão na superfície Etapas da deposição de filmes: 3. incorporação => átomos movimentam-se entre os sítios superficiais => ligações químicas são estabelecidas ou novas camadas são formadas soterrando os átomos adsorvidos 11 12

4 13 Etapas da deposição de filmes: 4. nucleação Etapas da deposição de filmes: 5. estruturação átomos adsorvidos encontram-se e estabelecem ligações => Com a união de vários núcleos formase o filme e a estrutura atômica é definida. 14 Etapas da deposição de filmes: 6. difusão de fase sólida => após o término da deposição pode haver difusão de espécies Etapas da deposição de filmes: 1. adsorção 2. difusão na superfície 3. incorporação 4. nucleação 5. estruturação e morfologia 6. difusão (de fase sólida) entre o filme e o substrato 15 16

5 Detalhes de cada etapa adsorção átomos e moléculas que chegam adsorvem na superfície Adsorção (fisisorção) Ligação (quimisorção)

6 Taxa de reação com a superfície (molec/cm 2.s) R i = kins = kinsoθ R r R r = Taxa de reação com a superfície J δ δ i = J i = J i. ζ + k / υ d k r od ( Er Ed ) RT s 1 + e υ or 1 / k i =υ e oi E / RT constante/taxa de reação i J i δ k d k r ζ = fluxo incidente = fração adsorvida = taxa de dessorção = taxa de reação = probabilidade de quimisorção 2. difusão Adsorção (fisisorção) Ligação (quimisorção) átomos ou moléculas se movimentam pela superfície difundem alguma distância, antes de serem incorporados pelo filme. 23

7 comprimento de difusão na superfície (cm) comprimento de difusão na superfície (cm) Λ = a υosn J r o. e E / 2RT s Λ = a υ os. e υ oc ( E E )/ 2 RT c s regime de soterramento (burial) regime de desorção (evaporação) 3. incorporação envolve a reação química das espécies adsorvidas com a superfície do filme em formação ou o soterramento por novos átomos que chegam 4. nucleação Agregação inicial na superfície do substrato Possível: existência de sítios especiais mais ativos para adsorção crescimento preferencial 27 28

(prl-v76,799,1996) Mobilidade atômica - nucleação Exemplo: Diamante sobre Si.

8 Esquema: adsorção difusão - nucleação incorporação formação de platôs Gómez-Rodrigues et al.(prl-v76,799,1996) Mobilidade atômica - nucleação Exemplo: Diamante sobre Si. Rugosidade da superfície => papel importante na nucleação em torno de pontos especiais favoráveis 5. desenvolvimento da estrutura Tensão superficial líquidos sólidos 32

9 33 34 Construção de Wulff Regimes de crescimento Volmer - Weber Pb/Grafite Van der Merwe camada por camada Volmer Weber ilhas Stranski-Krastanov intermediário: ilhas sobre camadas Stranski- Krastanov Frank- Van der Merwe γ- tensão superficial (J/m2) Pb/Ge(111) 35

10 Nucleação 3D - Modelo Capilar Importância da tensão superficial Modelo capilar Raio crítico G = ( µ V v µ c) + γ f A V f mc 3 G = RT ln( p / p ). (4 / 3) πr v V mc + γ f 4πr 2 40

11 Raio crítico crescimento visto de cima r γ * f = RT V mc 2.ln p p v crescimento: colunar aberto (wiskers) vs compacto E t / E c crescimento compacto => TSubstrato / Tfusão - estrutura 1.5 Deposição energética (T=0 K) 44

CVD (Deposição de Vapor Químico) (a) Vapores supridos adsorvem como moléculas (b) Moléculas sofrem reações que quebram

Exemplo: Compostos ZnSe : Fontes Zn(g) e Se(g) 2.

12 45 Deposição termicamente ativada 6. difusão (de fase sólida) posterior / entre o filme e o substrato 46 Exemplos de crescimento Ex: Filmes de Si por CVD 1. CVD (Deposição de Vapor Químico) (a) Vapores supridos adsorvem como moléculas (b) Moléculas sofrem reações que quebram suas ligações. (c) Ligações quebradas formam novas ligações com a superfície do filme. Exemplo: Compostos ZnSe : Fontes Zn(g) e Se(g) 2. Deposição de Compostos (a) Fontes separadas de suprimento (Ex: AB, ZnSe) (b) O vapor que adsorve liga-se na superfície muito mais fortemente ao outro componente SiH 4 (g)... SiH 4 (a) Si(c) + 2H 2 (g) (a) = adsorvido (c) = condensado (g) = gás / vapor Zn( g) + Se( a) ZnSe( c) Se( g) + Zn( a) ZnSe( c)

13 49 Conclusões / processos de crescimento Dependem muito da superfície e do filme Bibliografia Cap. 5 do Smith (crescimento) Etapas: válidas para a maioria dos processos de crescimento Lista de Exercícios Coeficientes da Deposição 6. Uma molécula tem coeficiente de condensação α c = 0.2 para deposição de um filme em sua própria fase sólida. Para esta molécula quais são os valores máximo e mínimo dos coeficientes de crescimento? (δ, S c, η) Lista de Exercícios Regimes: Soterramento / Evaporação 5. a) Explique os regimes b) Relação com o coeficiente de difusão 51

14 Comprimentos de difusão 10 GaN - Sputtering Série II Soterramento Evaporação Λ = a υos. e υ oc ( Ec Es ) / 2RT Λ = a υosno. e J r Es / 2RT regime de soterramento (burial) Comprimento de Difusão (µm) 1 0,1 0,01 1E-3 1E-4 1E C Evaporação 580 C Soterramento a(nm)= 0,3 ν os (s -1 )= 2,00E+13 ν oc (s -1 )= 8,15E+12 E s (ev)=0,63 E c (ev)=1,7 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 1000/T (K -1 ) 100 C regime de desorção (evaporação) Grato pela atenção!

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