Sputtering Flashcards
Processo
Vaporização física (não térmica) de átomos de uma superfície por transferência de momento do bombardeamento de partículas energéticas de tamanho atómico que se depositarão num substrato.
* Bom vácuo, normalmente melhor que 10−5 Torr
* Baixa pressão, cerca de 5 mTorr usando um gás para formar um plasma (sem colisão com átomos pulverizados)
* Alta pressão, acima de 5 mTorr até 50 mTorr (com colisão com átomos pulverizados)
Desvantagens
(1) taxas de deposição lentas
(2) porque os iões que bombardeiam a superfície são um gás, podem normalmente ser encontrados vestígios do gás nas películas revestidas e os gases aprisionados afectam por vezes negativamente as propriedades mecânicas.
Livro
- Se a superfície de um sólido (ou líquido) for bombardeada por partículas atómicas de energia suficientemente elevada
- Os átomos individuais da superfície podem adquirir energia suficiente devido à colisão para serem ejetados da superfície por transferência de momento - Sputtering
- A forma mais conveniente de partícula de alta energia é um gás ionizado, como o árgon, energizado por meio de um campo elétrico para formar um plasma.
- Como um processo PVD, a sputtering envolve o bombardeamento do material de revestimento catódico com iões de árgon (Ar), fazendo com que os átomos da superfície escapem e sejam depositados num substrato, formando uma fina película na superfície do substrato.
- O substrato deve ser colocado próximo do cátodo e é normalmente aquecido para melhorar a ligação dos átomos do revestimento.
- Enquanto a evaporação sob vácuo se limita geralmente aos metais, a pulverização catódica pode ser aplicada a quase todos os materiais - elementos metálicos e não metálicos, ligas, cerâmicas e polímeros.
- As películas de ligas e compostos podem ser depositadas por sputtering sem alterar as suas composições químicas.
- As películas de compostos químicos também podem ser depositadas utilizando gases reativos que formam óxidos, carbonetos ou nitretos com o metal pulverizado.
Camara ao vacuo?
- Camara não em vácuo – quase nunca está
- Gás da camara forma plasma e é acelerado na presença de campo elétrico e colide com alvo – que queremos depositar
- Na colisão de iões positivos com elemento são ejetados átomos perdigotados do susbtrato
- Campo elétrico entre alvo (carregado negativamente) e que atrai iões positivos
Parametros
- Pressão de trabalho (gás plasmático)
- Potência/corrente
- Composição/propriedades alvo
- Tempo de deposição
- Fixação na câmara de deposição
- Temperatura (alvo e substrato)
Yield-Rendimento
- O rendimento é dado pelo número de átomos pulverizados dividido pelo número de iões incidentes.
- O ângulo de incidência (θ) é o ângulo entre o feixe e o normal da superfície alvo.
- Para o argônio o máximo ocorre a cerca de 70º fora do normal e pode atingir até 2-3 vezes maior do que a incidência normal θ = 0°.
- Evaporação térmica – energia cinetica das particulas
- No sputtering temos e cinética superior e a veloidade e massa delas
- Carbono yield baixo em relação ao outros- é leve mas forças de ligação c-c são muito altas
- Energia tem de ser tal que maximizo quantidade de atomos arrancados
- Ag há aumento e depois há manutenção
- Massa e velocidade de iao bombardeado contra superfície
- Átomos arrancados depende da ligação e da massa
- Átomos leves n são facilmente arrancadas devido as ligações
Sputtering Magnetron DC
- O modo de corrente contínua (CC) é o mais comum
- A principal vantagem: Um plasma denso pode ser formado perto do cátodo a baixas pressões para que os iões possam ser acelerados do plasma para o cátodo sem perda de energia devido a colisões físicas e de troca de carga
Notas:
* Concentra plasma junto ao alvo
* Se não houver nada a captar plasma ele expande se pela camara, mas com campos magnéticos captam se partículas carregadas magneticamente
* Trabalhar com menos gás e perder menos energia
* Imanes debaixo do alvo que criam campo magnético e capturam plasma junto ao alvo
Pros e contras
Prós
* Alta taxa de pulverização - Taxa de deposição mais elevado – bombardeamento mais intenso devido a mais iões a bombardear e ptt mais ioes a sair
* Menor potencial do que a configuração convencional de diodo CC (várias centenas de volts)
Consome menor energia
Contras
* A configuração do magnetron planar é que o plasma não é uniforme sobre a superfície alvo (em configuração plana);
* O padrão de deposição depende da posição do substrato em relação ao alvo;
* Vários tipos de fixação devem ser usados para estabelecer a equivalência de posição para o(s) substrato(s);
* A utilização do alvo não é uniforme (às vezes com apenas 10-30% do material alvo sendo usado antes que o alvo seja reciclado).
Alvos planares- ejeção de material não uniforme – porta amostras que façam oscilação do substratos para que taxa de deposição uniforme
Pulverização de RF
Pressões de gás mais baixas
* O alvo funciona como um capacitor (shunt em frequências mais altas)
* Alto CTE de alvos isolantes (propensos a rachaduras)
Corrente alternada para alternar corrente do alvo e do substrato
1 meio ciclo - ioes positivos pulverizados contra substratp
2. Meio ciclo eletroes para o alvo para neutralizar iões + para n haver building up
Pulverização de RF - Pulverização de ligas e compostos
Pulverização de ligas e compostos
* Cada camada de átomos é removida antes da segunda camada (sem difusão).
* O fluxo de átomos pulverizados tem a mesma composição que o volume, mesmo que as espécies atómicas presentes tenham rendimentos diferentes (exceto quando a diferença é muito elevada onde o depósito terá com diferentes proporções.
o Exemplo extremo disso é um alvo contendo Al e W;
Al com ser sputtered enquanto W não.
Na maioria das vezes, a pulverização de ligas complexas é muito mais fácil do que a evaporação térmica.
- Notas:
o Deposição de ligas
o Podemos ter uma liga como isto é depositado camada a camada- para se depositar 3 a camada tem de ser sair a segunda
o Se composição da liga for homogenea – al sai e fica mais ti e v e por ai fora
o Com yields muito diferentes podemos não conseguir tirar outro elemento
Pulverização de ligas e compostos
- Com compostos, o sputtering tende a perder alguns dos constituintes mais voláteis da molécula (ex. TiO2) enriquecimento do elemento menos volátil na superfície alvo e uma perda na estequiometria.
- Solução: Deposição quase reativa
- A deposição reativa pode ser usada, enquanto o gás dentro da câmara pode conter oxigênio para reagir com os elementos que estão sendo pulverizados (ex. O + Ti).
o O oxigénio ou o azoto podem ser utilizados como gases reativos.
o Os gases reativos podem formar uma camada composta na superfície do alvo (chamado envenenamento do alvo) diminuindo a taxa de pulverização e a eficiência do processo.
o Como ocorre na evaporação térmica, a pureza alvo é essencial para alcançar as propriedades desejadas do filme.
o O condicionamento alvo (pré-pulverização) deve ser usado para limpar o alvo (depositando com um obturador ligado) e remover óxidos e contaminação (espécies adsorvidas). - Notas:
o Gas na camara e é útil para depositar materiais com óxidos e nitretos
o Oxigénio pode contaminar superfície do alvo
