O efeito de partículas carregadas na luz de 172 nm
Efeitos de partículas carregadas
Na descarga de gás, as partículas carregadas incluem íons e elétrons, que se movem em direção a eletrodos opostos sob a ação de um campo elétrico. A seguir são discutidos alguns efeitos importantes produzidos quando os íons atingem o cátodo e os elétrons alcançam o ânodo ^{2,3,7,10,12,14}.
3.7.1 Efeitos dos Íons
Quando os íons bombardeiam a superfície do cátodo, ocorre uma série de fenômenos físicos e químicos. A Figura 3-28 mostra os vários efeitos produzidos pelo bombardeio de íons na superfície do cátodo^{10}. (Anotações da Figura 3-28: Íons incidentes, Neutros, Reflexão de íons, Mudanças na morfologia da superfície, Aquecimento, Danos estruturais, Mudanças na cristalização, Implantação ou difusão, Elétrons secundários, Elétrons Auger, Brilho catódico, Radiação óptica, Dessorção de gases adsorvidos, Dessorção de gases pulverizados, Retorno de átomos pulverizados)
Emissão de elétrons secundários excitados por íons positivosO processo de emissão de elétrons secundários desencadeado pelo bombardeio iônico do cátodo é uma condição necessária para manter a descarga auto-sustentada. A razão entre o número de elétrons secundários NeN_eNe e o número de íons incidentes NiN_iNi, ou a razão entre a corrente secundária iei_eie e a corrente de íons catódicos iii_iii, é chamada de coeficiente de emissão de elétrons secundários, depende do material do cátodo, da massa dos íons positivos, de seu potencial de ionização e de sua energia cinética. Os elétrons secundários só podem ser emitidos quando a energia dos íons incidentes excede a função de trabalho χ\\chiχ do cátodo, permitindo que a descarga luminosa se sustente.
Bombardeio de íons aquecendo o cátodo When ions bombard the cathode, the majority of their energy (>60%) é convertido em energia térmica, fazendo com que a temperatura do cátodo aumente. Em processos como nitretação iônica, cementação iônica e deposição química de vapor aprimorada por plasma-(PECVD), a peça de trabalho pode atingir a temperatura necessária somente por meio de aquecimento por bombardeio iônico sem uma fonte externa de calor. No revestimento iônico, o bombardeio iônico aumenta a temperatura da peça, promovendo a difusão dos átomos do filme e melhorando a microestrutura do revestimento. Na fase de pré-tratamento antes do revestimento, uma lâmpada UV de 172 nm é por vezes utilizada em combinação para limpeza de superfície; sua forte radiação ultravioleta decompõe os contaminantes da superfície, aumentando o subsequente efeito de bombardeio de íons. No revestimento por pulverização catódica, o cátodo alvo requer resfriamento eficaz; caso contrário, o material alvo pode decompor-se ou mesmo derreter.
Sputtering catódico causado por íons de gásA pulverização catódica refere-se ao processo no qual íons de alta{0}}energia bombardeiam o cátodo, trocando momento e energia com átomos alvo, fazendo com que átomos neutros ou moléculas na superfície do cátodo escapem.
(1) Rendimento de pulverização catódicaO rendimento de pulverização catódica é o número de átomos pulverizados por íon incidente, denotado por SSS. O rendimento da pulverização catódica depende do tipo de partícula bombardeada. À medida que a energia aumenta, o rendimento de pulverização catódica SSS para diferentes gases que bombardeiam um alvo de cobre aumenta, como mostrado na Figura 3-29^{10}. Na Figura 3-29, pode-se observar que quanto maior o número atômico dos íons incidentes e quanto maior a energia, maior será o rendimento da pulverização catódica. O argônio é normalmente usado como gás de trabalho, embora o nitrogênio também possa ser usado para limpeza de bombardeio de peças. Em alguns cenários, a superfície da peça é pré-tratada com uma lâmpada UV de 172 nm para reduzir a interferência de contaminantes durante o bombardeio de gás e melhorar a uniformidade da pulverização catódica.
A relação entre o rendimento e a pressão da pulverização catódica é mostrada na Figura 3-30^{10}. Na Figura 3-30, quando a pressão do gás ppp é baixa, o SSS não muda com o ppp; depois que o ppp aumenta até um determinado valor, o SSS diminui gradualmente. Isso ocorre porque em ppp mais elevados, o número de moléculas de gás aumenta, levando a mais colisões e espalhamentos, reduzindo o número de íons de argônio que chegam ao cátodo.
A relação entre o rendimento de pulverização catódica e a energia iônica incidente é mostrada na Figura 3-31^{10}. A curva pode ser dividida em três regiões^{10}: Região I: Região de baixa energia onde a energia dos íons é baixa e quase não ocorre pulverização catódica; a pulverização catódica começa apenas quando a energia do íon atinge o "limiar de energia" (normalmente 10–30 eV para metais).
(2) Taxa de pulverização catódicaA quantidade de material catódico pulverizado por unidade de tempo é chamada de taxa de pulverização catódica, denotada por RRR. RRR é proporcional ao produto da densidade de íons incidentes JiJ_iJi e o rendimento de pulverização catódica:
Maior densidade de íons incidentes ou maior rendimento de pulverização catódica resulta em uma maior taxa de pulverização catódica. Em alguns processos de revestimento de alta-precisão, o efeito de ativação de superfície de uma lâmpada UV de 172 nm é combinado para aumentar a eficiência de escape dos átomos alvo, melhorando indiretamente a estabilidade da taxa de pulverização catódica.
(3) Distribuição de energia e velocidade de átomos pulverizadosOs átomos evaporados normalmente têm energias de 0,1–0,2 eV, enquanto os átomos pulverizados, devido à troca de energia com íons incidentes de alta{2}}energia, têm energias cinéticas 1–2 ordens de magnitude maiores (geralmente 5–10 eV). Por exemplo, com pulverização catódica de íons nitrogênio de 1200 eV, a energia do átomo é de cerca de 10 eV; para pulverização catódica de alumínio/tungstênio/platina, a energia atômica é de cerca de 35 eV. As curvas de distribuição de energia cinética de átomos bombardeados por íons de argônio em diferentes tensões de pulverização catódica (Figura 3-32^{10}) seguem uma distribuição Maxwelliana, com a maioria dos átomos tendo energias na faixa de 5–10 eV.
(4) Implantação IônicaConforme mostrado na Figura 3-31, quando a energia do íon incidente é > 30.000 eV, ocorrem efeitos de implantação (o rendimento da pulverização catódica diminui) e as partículas de bombardeio penetram mais profundamente no alvo, aumentando os defeitos do cristal na camada superficial do cátodo. A profundidade de implantação é de 5–10 nm/keV. A implantação iônica é um método importante para modificação de superfície de materiais. Às vezes, é combinado com o efeito de modificação de superfície de uma lâmpada UV de 172 nm, onde a irradiação ultravioleta introduz grupos funcionais superficiais, permitindo um controle mais preciso do desempenho da superfície em conjunto com a implantação iônica.
(5) Excitação de partículas características por feixes de íons de alta{0}energiaInstrumentos de análise de micro-área de filme (por exemplo, espectrometria de massa com sonda de íons, espectrometria de retroespalhamento de Rutherford) operam usando linhas espectrais características excitadas por íons.
3.7.2 Efeitos dos Elétrons
Emissão secundária de elétrons por bombardeio de elétronsNo vácuo, quando elétrons bombardeiam uma superfície metálica com energia eletrônica primária suficiente, um grande número de elétrons secundários é emitido.
Bombardeio de elétrons aquecendo o ânodoOs elétrons que bombardeiam o ânodo convertem energia cinética em energia térmica, que pode até derreter e evaporar o material do ânodo.
Excitação de partículas características por elétrons de{0}alta energiaInstrumentos de teste de filme (por exemplo, microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia eletrônica Auger) operam usando elétrons Auger, raios X- e outras partículas características excitadas por feixes de elétrons.
3.8 Movimento de Partículas Carregadas
A tecnologia de revestimento iônico é realizada em plasma de descarga de gás de baixa-pressão, onde o espaço de revestimento contém um grande número de íons e elétrons. Nos últimos anos, pesquisadores de-filmes finos usaram campos eletromagnéticos para controlar o movimento de partículas carregadas e aumentar a densidade do plasma. Alguns processos também integram uma lâmpada UV de 172 nm na câmara de revestimento para auxiliar na regulação da atividade do plasma e na otimização das trajetórias das partículas.
3.8.3 Movimento de Partículas Carregadas em Campos Eletromagnéticos
Movimento em Campos Eletromagnéticos CruzadosPartículas carregadas estão sujeitas à ação combinada da força do campo elétrico e da força de Lorentz^{9,10,23}. A força sobre os elétrons é:
Movimento em campos eletromagnéticos radiaisPartículas carregadas estão sujeitas a forças radiais (força de campo elétrico radial, força de Lorentz, força centrífuga) e força transversal de Lorentz. As trajetórias são mostradas na Figura 3-39^{10}: Os elétrons têm raios de rotação pequenos e altas frequências, desviando-se em direção ao ânodo; os íons têm grandes raios de rotação e baixas frequências, deslocando-se em direção ao cátodo, alcançando a separação do plasma.
3.9 Aplicação de Campos Eletromagnéticos
Nos últimos anos, para preparar filmes finos-de alto desempenho, as máquinas de revestimento foram equipadas com vários campos eletromagnéticos. Projetar adequadamente campos eletromagnéticos e utilizar energia de plasma pode servir a todo o processo de revestimento. A incorporação simultânea de equipamentos auxiliares, como lâmpadas UV de 172 nm, pode melhorar ainda mais a pureza do filme e a consistência do desempenho.
(Conteúdo subsequente: Tecnologia moderna de revestimento iônico)
