Descargas Luminescentes e Sputtering

Transcrição

1 Descargas Luminescentes e Sputtering (Disciplina CTFF Prof. Humberto. Adaptado de Smith, Caps. 8 e 9) Sputtering O sputtering é um tipo de bombardeamento iônico o qual afeta a superfície de um material e também as regiões sub-superficiais. A erosão por sputtering de um material sólido é largamente utilizada como fonte de vapor para deposição de filmes finos por causa de uma combinação de vantagens sobre as outras técnicas: (i) qualquer material pode ser volatilizado por sputtering (ii) compostos são volatilizados estequiométricamente (ou quase) (iii) (iv) (v) a deposição pode ser realizada em grandes áreas a distribuição de energias cinéticas dos átomos ejetados por sputtering cai prioritariamente dentro de uma faixa na qual os átomos quando chegam à superfície do filme podem deslocar os átomos superficiais sem provocar danos sub-superficiais no filme. o sputtering pode ser usado para limpar os substratos antes da deposição Sputtering por feixe iônico: No sputtering por feixe iônico, os íons (geralmente de gases nobres) são gerados num plasma, porém este plasma é confinado espacialmente em um canhão iônico (Fig), de maneira que o plasma não tem contato direto com a superfície do alvo. Os íons gerados no plasma são posteriormente acelerados para o alvo (cátodo) em forma de feixe paralelo através da aplicação de uma diferença de potencial (~1kV). Após a colisão com o alvo os átomos deste são ejetados * emergem com uma distribuição aproximadamente cossenoidal. A melhor posição para colocar o substrato é diretamente em frente ao alvo. Quando o material do alvo é condutor o processo pode ser conduzido desta maneira sem nenhum problema, porém quando o alvo é isolante geralmente ocorre um efeito de carregamento: a corrente * chamaremos os átomos emitidos pelo processo de sputtering de sputerados - que o Português nos perdoe! 1

2 iônica (positiva) que chega tem a tendência de carregar o alvo positivamente, já que as partículas que emergem do alvo nesta configuração são geralmente neutras. Para contornar o problema geralmente utiliza-se um filamento aquecido emissor de elétrons nas proximidades para neutralizar a superfície. O processo de sputtering por feixe iônico realizado a baixas pressões (digamos menores que 10-4 torr, ou Kn > 1). Quanto menor for a pressão na câmara melhor. Isto é importante para evitar contaminações e também para evitar o choque dos íons acelerados com moléculas de gás presentes no sistema. Sputtering YIELD O yield de sputtering Y S é basicamente o número médio de átomos do alvo que um íon incidente (a determinada energia) consegue ejetar: Y S = número de átomos ejetados / número de íons incidentes O yield depende da energia do íon incidente, da relação de massas entre o íon incidente e do alvo, e das energias de ligação e deslocamento dos átomos do alvo. Para incidência perpendicular à superfície: onde: - calor latente de sublimação H S Y S = 4.2αS S H n 2

3 S n - potencial de frenagem nuclear α = α M t / M ) ( i Sputtering por descarga luminescente: Vamos ver com maior detalhe a seguir, após estudarmos as características das descargas. 3

4 9. Descargas Luminescentes 9.1 Reações por Impacto Eletrônico Efeito Frank-Condon (Fig.9.1) Exemplo: Reações de impacto SiH 4 (Fig.9.2) Condutividade do plasma: eq Estrutura do Plasma Comprimento de Debye Oscilações de plasma/ freqüência de plasma 4

5 Sheath: bainha, capa. Largura da bainha Região escura - colunas 9.3 Excitação DC Choque de elétrons com ânodo: L. p = 40Pa. cm PECVD Sputtering termalização íons negativos sputtering reativo magnetron 9.4 Efeitos de Frequência baixa freqüência transição para alta freqüência stress tensivo x compressivo Exemplos interessantes: PECVD: a-si:h PECVD: a-sin:h 5

6 9.7 Conclusões O plasma por descarga luminescente é uma fonte conveniente e versátil de partículas energéticas para ativação de processos de deposição de filmes finos. É caracterizado por baixa T do gás e por uma T dos elétrons muito maior, a qual é forçada pela injeção de energia elétrica ao sistema. Os radicais livres gerados pelo impacto dos elétrons podem ativar reações de CVD a temperaturas muito menores que as necessárias no CVD térmico, permitindo portanto a preparação de materiais sensíveis a altas temperaturas. A bainha de carga espacial positiva acelera os íons positivos para as superfícies circundantes. Os íons atingem estas superfícies com energias de 10 a 1000eV. Estes íons são úteis para o sputtering do material fonte e também para as modificações estruturais dos filmes durante as deposições. Glossário: Cátodo/catodo: do gr. káthodos, descida. A pronúncia correta, cátodo, quase não tem uso no Brasil. Cf. ânodo.] Referências D.L. Smith. B. Chapman. Glow Discharge Processes 6