Sputtering - Sputtering

Um sistema comercial de pulverização catódica AJA Orion no Cornell NanoScale Science and Technology Facility

Na física, a pulverização catódica é um fenômeno no qual partículas microscópicas de um material sólido são ejetadas de sua superfície, após o próprio material ser bombardeado por partículas energéticas de um plasma ou gás . Ocorre naturalmente no espaço sideral e pode ser uma fonte indesejável de desgaste em componentes de precisão. No entanto, o fato de que pode ser feito para agir em camadas extremamente finas de material é utilizado na ciência e na indústria - lá, ele é usado para realizar corrosão precisa , realizar técnicas analíticas e depositar camadas de filme fino na fabricação de revestimentos ópticos , dispositivos semicondutores e produtos nanotecnológicos . É uma técnica de deposição física de vapor .

Física

Quando íons energéticos colidem com átomos de um material alvo, ocorre uma troca de momento entre eles.

Sputtering de uma cascata de colisão linear. A linha grossa ilustra a posição da superfície, com tudo abaixo dela sendo átomos dentro do material, e as linhas mais finas os caminhos do movimento balístico dos átomos do início até eles pararem no material. O círculo roxo é o íon que entra. Círculos vermelhos, azuis, verdes e amarelos ilustram recuos primário, secundário, terciário e quaternário, respectivamente. Acontece que dois dos átomos se movem para fora da amostra, ou seja, eles são pulverizados.

Esses íons, conhecidos como "íons incidentes", desencadeiam cascatas de colisão no alvo. Essas cascatas podem tomar vários caminhos; alguns recuam em direção à superfície do alvo. Se uma cascata de colisão atingir a superfície do alvo e sua energia restante for maior do que a energia de ligação da superfície do alvo , um átomo será ejetado. Este processo é conhecido como "pulverização catódica". Se o alvo for fino (em escala atômica), a cascata de colisão pode atingir seu lado posterior; diz-se que os átomos ejetados dessa maneira escapam da energia de ligação da superfície "na transmissão".

O número médio de átomos ejetados do alvo por íon incidente é chamado de "rendimento de pulverização catódica". O rendimento do sputter depende de várias coisas: o ângulo no qual os íons colidem com a superfície do material, com quanta energia eles o atingem, suas massas, as massas dos átomos do alvo e a energia de ligação da superfície do alvo. Se o alvo possui uma estrutura cristalina , a orientação de seus eixos em relação à superfície é um fator importante.

Os íons que causam sputtering vêm de uma variedade de fontes - eles podem vir de plasma , fontes de íons especialmente construídas , aceleradores de partículas , espaço sideral (por exemplo, vento solar ) ou materiais radioativos (por exemplo, radiação alfa ).

Um modelo para descrever a pulverização catódica no regime de cascata para alvos planos amorfos é o modelo analítico de Thompson. Um algoritmo que simula a pulverização catódica com base em um tratamento mecânico quântico, incluindo remoção de elétrons em alta energia, é implementado no programa TRIM .

Outro mecanismo de sputtering físico é chamado de "sputtering de pico de calor". Isso pode ocorrer quando o sólido é denso o suficiente e o íon que entra é pesado o suficiente para que as colisões ocorram muito próximas umas das outras. Nesse caso, a aproximação de colisão binária não é mais válida, e o processo de colisão deve ser entendido como um processo de muitos corpos. As colisões densas induzem um pico de calor (também chamado de pico térmico), que essencialmente derrete uma pequena porção do cristal. Se essa porção estiver próxima o suficiente de sua superfície, um grande número de átomos pode ser ejetado, devido ao fluxo de líquido para a superfície e / ou microexplosões. A pulverização por pico de calor é mais importante para íons pesados ​​(por exemplo, Xe ou Au ou íons de cluster) com energias na faixa keV-MeV bombardeando metais densos, mas macios, com um baixo ponto de fusão (Ag, Au, Pb, etc.). A sputtering de pico de calor frequentemente aumenta de forma não linear com a energia e pode, para íons de pequenos aglomerados, levar a rendimentos dramáticos de sputtering por cluster da ordem de 10.000. Para ver as animações de tal processo, consulte "Re: Displacement Cascade 1" na seção de links externos .

A pulverização catódica física tem um limite mínimo de energia bem definido, igual ou maior do que a energia do íon em que a transferência máxima de energia do íon para um átomo alvo é igual à energia de ligação de um átomo da superfície. Ou seja, isso só pode acontecer quando um íon é capaz de transferir mais energia para o alvo do que o necessário para que um átomo se liberte de sua superfície.

Esse limite é normalmente algo em torno de dez a cem eV .

A pulverização catódica preferencial pode ocorrer no início, quando um alvo sólido multicomponente é bombardeado e não há difusão de estado sólido. Se a transferência de energia for mais eficiente para um dos componentes-alvo, ou se estiver menos fortemente ligada ao sólido, ele será pulverizado com mais eficiência do que o outro. Se em uma liga AB o componente A é pulverizado preferencialmente, a superfície do sólido irá, durante o bombardeio prolongado, ficar enriquecida no componente B, aumentando assim a probabilidade de que B seja pulverizado de modo que a composição do material pulverizado finalmente retorne para AB.

Sputtering eletrônico

O termo sputtering eletrônico pode significar tanto sputtering induzido por elétrons energéticos (por exemplo, em um microscópio eletrônico de transmissão), ou sputtering devido a energia muito alta ou íons pesados ​​altamente carregados que perdem energia para o sólido, principalmente por potência de parada eletrônica , onde o excitações eletrônicas causam sputtering. A pulverização catódica produz altos rendimentos de pulverização catódica a partir de isoladores , pois as excitações eletrônicas que causam a pulverização catódica não são imediatamente extintas, como aconteceriam em um condutor. Um exemplo disso é a lua Europa coberta de gelo de Júpiter , onde um íon de enxofre MeV da magnetosfera de Júpiter pode ejetar até 10.000 moléculas de H 2 O.

Potencial pulverização catódica

Um sistema comercial de pulverização catódica

No caso de íons de projéteis carregados múltiplos, pode ocorrer uma forma particular de pulverização catódica que foi denominada pulverização catódica potencial . Nesses casos, a energia potencial armazenada em íons com carga múltipla (ou seja, a energia necessária para produzir um íon neste estado de carga de seu átomo neutro) é liberada quando os íons se recombinam durante o impacto em uma superfície sólida (formação de átomos ocos ). Este processo de sputtering é caracterizado por uma forte dependência dos rendimentos de sputtering observados no estado de carga do íon de impacto e já pode ocorrer em energias de impacto de íons bem abaixo do limite físico de sputtering. A pulverização catódica potencial só foi observada para certas espécies-alvo e requer um mínimo de energia potencial.

Ataque e pulverização química

A remoção de átomos por pulverização catódica com um gás inerte é chamada de moagem iônica ou corrosão iônica .

A pulverização catódica também pode desempenhar um papel na corrosão de íons reativos (RIE), um processo de plasma realizado com íons e radicais quimicamente ativos, para o qual o rendimento da pulverização catódica pode ser significativamente aumentado em comparação com a pulverização catódica física pura. Íons reativos são frequentemente usados ​​em equipamentos de espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) para aumentar as taxas de pulverização catódica. Os mecanismos que causam o aumento da pulverização catódica nem sempre são bem compreendidos, embora o caso do ataque com flúor do Si tenha sido bem modelado teoricamente.

A pulverização catódica observada ocorrer abaixo do limite de energia da pulverização física também é freqüentemente chamada de pulverização química. Os mecanismos por trás de tal pulverização nem sempre são bem compreendidos e podem ser difíceis de distinguir da corrosão química . Em temperaturas elevadas, a pulverização química do carbono pode ser entendida como sendo devida às ligações de enfraquecimento dos íons que entram na amostra, que então são dessorvidas por ativação térmica. A pulverização induzida por hidrogênio de materiais à base de carbono observada em baixas temperaturas foi explicada pela entrada de íons H entre as ligações CC e, assim, rompendo-as, um mecanismo chamado de pulverização química rápida .

Aplicações e fenômenos

A pulverização catódica só acontece quando a energia cinética das partículas que chegam é muito maior do que as energias térmicas convencionais ( ≫ 1 eV ). Quando feito com corrente contínua (sputtering DC), são usadas tensões de 3-5 kV. Quando feito com corrente alternada ( pulverização catódica RF ), as frequências estão em torno da faixa de 14MHz.

Limpeza por pulverização catódica

Superfícies de sólidos podem ser limpas de contaminantes usando pulverização física no vácuo . A limpeza por pulverização catódica é frequentemente usada em ciências de superfície , deposição a vácuo e revestimento iônico . Em 1955, Farnsworth, Schlier, George e Burger relataram o uso de limpeza por pulverização catódica em um sistema de ultra-alto vácuo para preparar superfícies ultra-limpas para estudos de difração de elétrons de baixa energia (LEED). A limpeza por pulverização catódica tornou-se parte integrante do processo de revestimento iônico . Quando as superfícies a serem limpas são grandes, uma técnica semelhante, limpeza de plasma , pode ser usada. A limpeza por pulverização catódica tem alguns problemas potenciais, como superaquecimento, incorporação de gás na região da superfície, danos por bombardeio (radiação) na região da superfície e rugosidade da superfície, especialmente se for feito em excesso. É importante ter um plasma limpo para não recontaminar continuamente a superfície durante a limpeza por pulverização catódica. A redeposição de material pulverizado no substrato também pode causar problemas, especialmente em altas pressões de pulverização catódica. A pulverização catódica da superfície de um composto ou material de liga pode resultar na alteração da composição da superfície. Freqüentemente, a espécie com a menor massa ou a maior pressão de vapor é aquela que é pulverizada preferencialmente da superfície.

Deposição de filme

Artigo principal: Deposição de pulverização catódica

A deposição por pulverização catódica é um método de deposição de filmes finos por pulverização catódica que envolve a erosão de material de uma fonte "alvo" em um "substrato", por exemplo, uma pastilha de silício , célula solar, componente óptico ou muitas outras possibilidades. A reconstrução , ao contrário, envolve a reemissão do material depositado, por exemplo, SiO 2 durante a deposição também por bombardeio de íons.

Os átomos pulverizados são ejetados na fase gasosa, mas não estão em seu estado de equilíbrio termodinâmico e tendem a se depositar em todas as superfícies da câmara de vácuo. Um substrato (como um wafer) colocado na câmara será revestido com uma película fina. A deposição por pulverização catódica geralmente usa um plasma de argônio porque o argônio, um gás nobre, não reage com o material alvo.

Gravura

Na indústria de semicondutores, a pulverização catódica é usada para gravar o alvo. A corrosão por pulverização catódica é escolhida nos casos em que um alto grau de anisotropia de corrosão é necessário e a seletividade não é uma preocupação. Uma grande desvantagem dessa técnica é o dano do wafer e o uso de alta tensão.

Para análise

Outra aplicação da pulverização catódica é remover o material alvo. Um exemplo ocorre em espectrometria de massa de íons secundários (SIMS), onde a amostra alvo é pulverizada a uma taxa constante. Conforme o alvo é pulverizado, a concentração e a identidade dos átomos pulverizados são medidas usando espectrometria de massa . Desta forma, a composição do material alvo pode ser determinada e mesmo concentrações extremamente baixas (20 µg / kg) de impurezas detectadas. Além disso, como a pulverização catódica continuamente grava mais profundamente na amostra, os perfis de concentração em função da profundidade podem ser medidos.

No espaço

A pulverização catódica é uma das formas de meteorização espacial, um processo que altera as propriedades físicas e químicas de corpos sem ar, como asteróides e a lua . Em luas geladas, especialmente Europa , a pulverização de água fotolisada da superfície leva à perda líquida de hidrogênio e ao acúmulo de materiais ricos em oxigênio que podem ser importantes para a vida. A pulverização catódica também é uma das maneiras possíveis pelas quais Marte perdeu a maior parte de sua atmosfera e que Mercúrio continuamente reabastece sua tênue exosfera limitada pela superfície .


Referências

links externos