Pulverização catódica: diferenças entre revisões
m |
Todo o conteúdo da página. |
||
| Linha 1: | Linha 1: | ||
| ⚫ | |||
{{Wikificação|data=outubro de 2015}} |
|||
'''Pulverização catódica''' (em inglês '''''sputtering''''') é uma técnica de deposição de material usada para recobrir uma superfície. Essa técnica é largamente utilizada nos dias de hoje no recobrimento de [[disco rígido|discos rígidos]] para [[computador]]es. |
|||
'''Pulverização catódica''' (do inglês '''''sputtering'''''), é uma técnica de deposição de materiais usada para recobrir uma superfície. É uma das técnicas de crescimento de filmes semicondutores e metálicos mais usadas devido a ser um método simples, versátil e relativamente barato <ref>{{citar livro|título=Thin-Film Deposition - Principles and Practice|ultimo=SMITH|primeiro=Donald L.|data=22 de março de 1995|editora=McGraw-Hill Education|ano=1995|local=|páginas=616|pontofinal=.|acessodata=}}</ref> <ref name=":0">{{citar livro|título=Propriedades Estruturais, Ópticas e Magnéticas de Filmes de GaMnN|ultimo=LEITE|primeiro=Douglas Marcel Gonçalves|editora=Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho"|ano=2011|local=Bauru|páginas=128|pontofinal=.|acessodata=}}</ref>. O processo de ''sputtering'' envolve a ejeção de átomos de uma superfície alvo a partir do bombardeamento por íons energéticos <ref>{{citar livro|título=Estudos de Plasmas Fluorados Aplicados em Corrosão de Silício Usando Simulação de Modelo Global e Diagnósticos Experimentais|ultimo=PESSOA|primeiro=Rodrigo Sávio|editora=Instituto Tecnológico de Aeronáutica|ano=2009|local=São José dos Campos|páginas=229|pontofinal=.|acessodata=}}</ref> . |
|||
{{esboço-química}} |
|||
Quando uma tensão suficientemente alta é aplicada entre dois eletrodos, em uma determinada área à uma pressão reduzida, o gás inserido nesta câmara pode ser ionizado, gerando uma descarga elétrica. A desexcitação de estados de energia metaestáveis dos átomos e íons de gás gera uma emissão de luz <ref>{{citar livro|título=Magnetrons, Reactive Gases and Sputtering|ultimo=DEPLA|primeiro=Diederik|ano=2013|páginas=206|acessodata=}}</ref>.<!-- A página está em Edição! --> |
|||
| ⚫ | |||
<br /> |
|||
| ⚫ | |||
== Introdução - Histórico == |
|||
A história dos filmes finos data de mais de 5000 anos atrás, porém o crescimento desses filmes pela técnica de ''sputtering'' é bem mais recente. O surgimento desta técnica levou à necessidade de desenvolvimento na tecnologia de vácuo, como bombas de vácuo em 1600 e 1700. Em 1800 a deposição por ''sputtering'' surgiu e por volta de 1880 já dominava o mercado de revestimento óptico. Em 1891 foram divulgados os primeiros resultados da deposição de '''radiofrequência''' (RF). Os primeiros resultados de '''''magnetron sputtering''''' foram publicados no final da década de 1930, e a técnica foi evoluída até a década de 1990, sendo geradas diversas variantes. |
|||
Deposições por ''sputtering'' de óxido de metal e nitreto surgiram por volta de 1933, porém o termo '''''sputtering'' reativo''', usado para descrever esse processo só apareceu na literatura depois de 1953. Nos anos 1980 deu início o ''sputtering'' reativo de alta taxa, baseados non controle parcial da câmara de processos. Até a década de 1960, na literatura, o conceito ''sputtering'' resultava da evaporação de impacto, embora evidências teóricas e experimentais que demostravam que a pulverização catódica ocorre devido a transferência de momento induzidas por bombardeamento iônico já existissem desde o final de 1800 e início de 1900. A teoria moderna do ''sputtering'' é baseada em um modelo de transporte linear, publicado em 1969. Estudos sobre deposição de materiais por pulverização catódica já renderam prêmios Nobel de Física e Química para oito ganhadores <ref>{{citar periódico|ultimo=GREENE|primeiro=J. E.|data=2017|titulo=Review Article: Tracing the recorded history of thin-film sputter deposition: From the 1800s to 2017|url=https://avs.scitation.org/doi/10.1116/1.4998940|jornal=Journal of Vacuum Science & Technology|volume=35|paginas=61|acessodata=|pontofinal=.}}</ref>. Ainda hoje a deposição de filmes por ''sputtering'' é bastante popular na comunidade científica <ref>{{citar periódico|ultimo=DEPLA|primeiro=Diederik|ultimo2=MAHIEU|primeiro2=Stijn|ultimo3=GREENE|primeiro3=J. E.|data=dezembro de 2010|titulo=Sputter Deposition Processes|url=|jornal=|volume=|paginas=|acessodata=|pontofinal=.}}</ref>. |
|||
Sempre que a superfície de um material sólido é bombardeada por átomos ou iões com energias de alguns eV ou KeV ocorrerá erosão da mesma, através da remoção de alguns átomos superficiais. Este fenómeno denomina-se pulverização (“sputtering”). Designa-se por alvo, o material a ser pulverizado, que é colocado numa câmara de vácuo juntamente com os materiais que se pretendem revestir os substratos. As espécies mais utilizadas neste bombardeamento são átomos inertes e pesados. Inertes de modo a reduzir a possibilidade de reacção com outros iões do plasma e pesados de modo a possuírem um maior momento linear no momento de impacto com o alvo. Por estas razões o árgon um dos gases mais utilizados. Para ionizar os átomos efectua-se uma descarga eléctrica, a baixa pressão, entre o cátodo e o ânodo. |
|||
<br /> |
|||
== Técnica de Sputtering == |
|||
A pulverização catódica possui algumas características importantes, das quais se salienta a sua grande versatilidade, uma vez que permite um controlo dos parâmetros de deposição e em segundo relativamente fácil, uma apreciável qualidade dos filmes produzidos. Para além destes é ainda de destacar a relativa facilidade com que se passa dos resultados laboratoriais para um nível mais industrial. |
|||
''Sputtering'' é uma técnica de deposição que faz parte dos processos conhecidos como PVD ('''''Physical Vapor Deposition''''' ou '''Deposição Física de Vapor'''), superando em funcionalidade e desempenho outras técnicas e processos de PVD. O processo de pulverização catódica é denominado como vaporização não térmica, pois a fonte é criada pelo impacto iônico no alvo. |
|||
Para além das características já referidas, existem outras que justificam a aplicação desta técnica na produção de filmes finos. De entre estas destacam-se [1]: |
|||
• o facto de ser ambientalmente pouco agressiva; |
|||
• possibilitar uma boa adesão à grande maioria de possíveis substratos; |
|||
• produzir revestimentos adaptáveis à forma do substrato; |
|||
• proporcionar taxas de deposição reactivamente elevadas (dependendo dos parâmetros de deposição); |
|||
• possibilitar o controlo da espessura dos revestimentos; |
|||
• produzir filmes com uma homogeneidade da espessura em superfícies planas. |
|||
No processo de ''sputtering'' os átomos são removidos da superfície de um material denominado alvo através de transferência de momento sustentável de uma partícula, através de bombardeamento energético de um íon gasoso acelerado a partir de um plasma, onde estão presentes elétrons, íons e espécies neutras. Para obter-se a deposição por ''sputtering'', é necessário que a câmara de processos esteja vácuo <ref name=":0" /><ref>{{citar periódico|ultimo=ABEGUNDE|primeiro=Olayinka Oluwatosin|ultimo2=AKINLABI|primeiro2=Esther Titilayo|ultimo3=OLADIJO|primeiro3=Oluseyi Philip|ultimo4=AKINLABI|primeiro4=Stephen|ultimo5=UDE|primeiro5=Albert Uchenna|data=13 de março de 2019|titulo=Overview of thin film deposition techniques|url=http://www.aimspress.com/journal/Materials|jornal=AIMS Materials Science|publicado=|volume=6|paginas=174-199|acessodata=|pontofinal=.}}</ref>. |
|||
O material a ser pulverizado é chamado de alvo, e é colocado em uma câmara de vácuo juntamente com o substrato, que é o material ao qual deseja-se revestir. Para o bombardeamento são usados, na maioria dos casos, átomos inertes e pesados para reduzir a possibilidade de reação com outros íons do plasma e possuir um maior momento na hora do impacto com o alvo, como o argônio, que é um dos gases mais utilizados. Para ionizar os átomos efetua-se uma descarga elétrica, a baixa pressão, entre o catodo e o anodo. |
|||
Pulverização por rádio-frequência |
|||
<br /><references /> |
|||
No processo tradicional de pulverização catódica por corrente contínua, a pulverização é provocada pelos iões do plasma que, ao serem acelerados pelo campo eléctrico, vão embater no alvo arrancando assim os átomos do mesmo. Se o material de que é constituído o alvo não for condutor, este não poderá funcionar como um eléctrodo, levando a uma acumulação de cargas positivas no alvo, aumentando o potencial e diminuindo até um valor nulo a capacidade do “cátodo” de atrair os iões positivos do plasma. Este problema resolve-se substituindo a fonte de tensão contínua por uma fonte de tensão alternada de frequência elevada (rádio-frequência, r.f.), com frequências variando tipicamente entre os 5 e os 30 MHz, sendo 13.56 MHz a frequência actualmente mais utilizada. A utilização de uma fonte alternada de frequência elevada, permite a pulverização de quase todo o tipo de materiais. A polarização alternada do alvo faz com que durante a alternância negativa, o cátodo atraia iões do plasma, pulverizando o alvo. Durante a alternância positiva verifica-se a atracção de electrões, que deste modo anulam alguma acumulação de carga positiva, que possa ocorrer no ciclo anterior, balançando ao mesmo tempo o potencial no alvo. Como a mobilidade dos electrões é superior à dos iões, devido à sua menor inércia, serão atraídos mais electrões do que iões para a superfície do alvo, durante os meios ciclos, surgindo então uma carga eléctrica estática negativa no alvo, criando assim um potencial continuo negativo (potencial de auto-polarização). Assim os iões passarão a ser atraídos mais pelo potencial negativo induzido do que pelo potencial r.f. propriamente dito [2]. |
|||
O campo eléctrico contínuo assim criado permite acelerar os iões do plasma, adquirindo energia suficiente para pulverizar o alvo. Os electrões ao oscilarem no campo eléctrico, aumentam a distância percorrida em relação ao processo de pulverização catódica clássico, aumentando o número de colisões e consequentemente o número de iões criados por cada electrão. Desta forma é possível diminuir a tensão de descarga. |
|||
Pulverização em Magnetrão |
|||
A aplicação de um campo magnético no alvo através da colocação de magnetes, vai provocar um confinamento magnético do plasma, obrigando os electrões a descrever trajectórias do tipo helicoidal à volta das linhas de força do campo magnético. O percurso percorrido pelos electrões até atingirem o alvo, embora restrito às proximidades do alvo, vai ser assim bastante superior à distância entre o cátodo e o ânodo, aumentando significativamente a probabilidade de colisão dos electrões com os átomos de gás e na consequente ionização destes últimos. Este facto, vai permitir a pulverização a tensões de trabalho relativamente mais baixas (na ordem dos 500 a 600 V), a par de uma redução no bombardeamento do substrato pelos electrões. Por outro lado, o aumento da densidade iónica acontece somente numa zona muito próxima do alvo onde os iões terão boas hipóteses de serem atraídos pelo cátodo. Permitindo o aumento da taxa de deposição e a diminuição da pressão de trabalho, diminuindo assim a possibilidade de contaminação do filme fino.Assim, induz-se o aumento da taxa de deposição e a diminuição da pressão de trabalho, diminuindo assim a possibilidade de contaminação dos filmes produzidos. |
|||
{{DEFAULTSORT:Pulverização Catódica}} |
|||
[1]M. Ohring, “The Materials Science of Thin Films”, Academic press Inc., San Diego, 1992. |
|||
__FORCARTDC__ |
|||
[2]P.J. Burnett and D. S. Rickerby, Thin Solid Films 154 (1987) 403. |
|||
| ⚫ | |||
Revisão das 18h59min de 28 de maio de 2019
Pulverização catódica (do inglês sputtering), é uma técnica de deposição de materiais usada para recobrir uma superfície. É uma das técnicas de crescimento de filmes semicondutores e metálicos mais usadas devido a ser um método simples, versátil e relativamente barato [1] [2]. O processo de sputtering envolve a ejeção de átomos de uma superfície alvo a partir do bombardeamento por íons energéticos [3] .
Quando uma tensão suficientemente alta é aplicada entre dois eletrodos, em uma determinada área à uma pressão reduzida, o gás inserido nesta câmara pode ser ionizado, gerando uma descarga elétrica. A desexcitação de estados de energia metaestáveis dos átomos e íons de gás gera uma emissão de luz [4].
Introdução - Histórico
A história dos filmes finos data de mais de 5000 anos atrás, porém o crescimento desses filmes pela técnica de sputtering é bem mais recente. O surgimento desta técnica levou à necessidade de desenvolvimento na tecnologia de vácuo, como bombas de vácuo em 1600 e 1700. Em 1800 a deposição por sputtering surgiu e por volta de 1880 já dominava o mercado de revestimento óptico. Em 1891 foram divulgados os primeiros resultados da deposição de radiofrequência (RF). Os primeiros resultados de magnetron sputtering foram publicados no final da década de 1930, e a técnica foi evoluída até a década de 1990, sendo geradas diversas variantes.
Deposições por sputtering de óxido de metal e nitreto surgiram por volta de 1933, porém o termo sputtering reativo, usado para descrever esse processo só apareceu na literatura depois de 1953. Nos anos 1980 deu início o sputtering reativo de alta taxa, baseados non controle parcial da câmara de processos. Até a década de 1960, na literatura, o conceito sputtering resultava da evaporação de impacto, embora evidências teóricas e experimentais que demostravam que a pulverização catódica ocorre devido a transferência de momento induzidas por bombardeamento iônico já existissem desde o final de 1800 e início de 1900. A teoria moderna do sputtering é baseada em um modelo de transporte linear, publicado em 1969. Estudos sobre deposição de materiais por pulverização catódica já renderam prêmios Nobel de Física e Química para oito ganhadores [5]. Ainda hoje a deposição de filmes por sputtering é bastante popular na comunidade científica [6].
Técnica de Sputtering
Sputtering é uma técnica de deposição que faz parte dos processos conhecidos como PVD (Physical Vapor Deposition ou Deposição Física de Vapor), superando em funcionalidade e desempenho outras técnicas e processos de PVD. O processo de pulverização catódica é denominado como vaporização não térmica, pois a fonte é criada pelo impacto iônico no alvo.
No processo de sputtering os átomos são removidos da superfície de um material denominado alvo através de transferência de momento sustentável de uma partícula, através de bombardeamento energético de um íon gasoso acelerado a partir de um plasma, onde estão presentes elétrons, íons e espécies neutras. Para obter-se a deposição por sputtering, é necessário que a câmara de processos esteja vácuo [2][7].
O material a ser pulverizado é chamado de alvo, e é colocado em uma câmara de vácuo juntamente com o substrato, que é o material ao qual deseja-se revestir. Para o bombardeamento são usados, na maioria dos casos, átomos inertes e pesados para reduzir a possibilidade de reação com outros íons do plasma e possuir um maior momento na hora do impacto com o alvo, como o argônio, que é um dos gases mais utilizados. Para ionizar os átomos efetua-se uma descarga elétrica, a baixa pressão, entre o catodo e o anodo.
- ↑ SMITH, Donald L. (22 de março de 1995). Thin-Film Deposition - Principles and Practice. [S.l.]: McGraw-Hill Education. 616 páginas.
- ↑ a b LEITE, Douglas Marcel Gonçalves (2011). Propriedades Estruturais, Ópticas e Magnéticas de Filmes de GaMnN. Bauru: Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho". 128 páginas.
- ↑ PESSOA, Rodrigo Sávio (2009). Estudos de Plasmas Fluorados Aplicados em Corrosão de Silício Usando Simulação de Modelo Global e Diagnósticos Experimentais. São José dos Campos: Instituto Tecnológico de Aeronáutica. 229 páginas.
- ↑ DEPLA, Diederik (2013). Magnetrons, Reactive Gases and Sputtering. [S.l.: s.n.] 206 páginas
- ↑ GREENE, J. E. (2017). «Review Article: Tracing the recorded history of thin-film sputter deposition: From the 1800s to 2017». Journal of Vacuum Science & Technology. 35. 61 páginas.
- ↑ DEPLA, Diederik; MAHIEU, Stijn; GREENE, J. E. (dezembro de 2010). «Sputter Deposition Processes».
- ↑ ABEGUNDE, Olayinka Oluwatosin; AKINLABI, Esther Titilayo; OLADIJO, Oluseyi Philip; AKINLABI, Stephen; UDE, Albert Uchenna (13 de março de 2019). «Overview of thin film deposition techniques». AIMS Materials Science. 6: 174-199.