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Processo de Deposição de Filmes Finos
CTFF2011 – Posmat
Prof. José Humberto Dias da Silva 2
Formação de Filmes
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Processo de Deposição
⇒ Formação de filmes
⇒ Geral: vale para diferentes tipos de crescimento (MBE, CVD, evap, sputt, etc...)
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Processo de Deposição de Filmes Finos
O que acontece quando os átomos ou moléculas da fase vapor encontram uma superfície ?
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átomo/molécula ���� superfície
� Será que eles aderem?
� A aderência é forte?
...faz ligação química?
� Ocorre de imediato ou demora?
� O átomo fica parado no local ou se movimenta?
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Formação do filme
� A deposição ocorre em ilhas que vão se formando....
.... ou camada por camada? (superfície rugosa ou lisa?)
� A estrutura do filme formado desordenada ou ordenada?
� O filme fica exatamente como no término da deposição ou se modifica com o tempo?
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Quais são as etapas da formação de um filme?
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6 etapas
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0. geração
Etapas da deposição de filmes:
=> etapa prévia, evaporação da fonte, geração de material
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1. adsorção
Etapas da deposição de filmes:
=> átomos chegam, interagem com a superfície e aderem (fracamente)
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2. difusão na superfície
Etapas da deposição de filmes:
=> átomos movimentam-se entre os sítios superficiais
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3. incorporação
Etapas da deposição de filmes:
=> ligações químicas são estabelecidas ou novas camadas são formadas soterrando os átomos adsorvidos
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4. nucleação
Etapas da deposição de filmes:
⇒ átomos adsorvidos encontram-se e estabelecem ligações
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5. estruturação
Etapas da deposição de filmes:
=> Com a união de vários núcleos forma-se o filme e a estrutura atômica é definida.
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6. difusão de fase sólida
Etapas da deposição de filmes:
=> após o término da deposição pode haver difusão de espécies
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0. geração
1. adsorção
2. difusão na superfície
3. incorporação
4. nucleação
5. estruturação e morfologia
6. difusão (de fase sólida) entre o filme e o substrato
Etapas da deposição de filmes:
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1. adsorção
� átomos e moléculas que chegam adsorvem na superfície
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Adsorção (fisisorção) ↔↔↔↔ Ligação (quimisorção)
Θ== soisii nknkR
RTE
oiiiek/−=υ
Taxa de reação com a superfície (molec/cm2.s)
constante/taxa de reação
ζ
υ
υ
δδ.
1/1 /)(
iRTEE
or
od
i
rd
i
r J
e
Jkk
JR
sdr
=
+
=+
=−−
iJ
δ
dk
rk
ζ
Taxa de reação com a superfície
= fluxo incidente
= fração adsorvida
= taxa de dessorção
= taxa de reação
= probabilidade de quimisorção
rR
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2. difusão
� átomos ou moléculas se movimentam pela superfície
difundem alguma distância, antes de serem incorporados pelo filme.
Esquema: adsorção – difusão -nucleação – incorporação – formação de platôs
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Adsorção (fisisorção) ↔ Ligação (quimisorção)
RTE
r
oos seJ
na
2/.
−=Λυ
comprimento de difusão na superfície (cm)
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3. incorporação
� envolve a reação química das espéciesadsorvidas com a superfície do filme em formação ou o soterramento por novos átomos que chegam
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4. nucleação
� Agregação inicial na superfície do substrato
� Possível: existência de sítios especiais mais
ativos para adsorção – crescimento preferencial
Gómez-Rodrigues et al.(PRL-V76,799,1996)
Mobilidade atômica -nucleação
Exemplo: Diamante sobre Si. Rugosidade da superfície => papel importante na nucleação em torno de pontos especiais favoráveis
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5. desenvolvimento da estrutura
� Tensão superficial
líquidos
sólidos
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Construção de Wulff
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Regimes de crescimento
Van der Merwe –camada por camada
Volmer Weber – ilhas
Stranski-Krastanov –intermediário: ilhas sobre camadas
γγγγ- tensão superficial (J/m2)
Volmer - Weber
Stranski-
Krastanov
Frank-
Van der Merwe
Pb/Grafite
Pb/Ge(111)
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Modelo capilar – Raio crítico
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crescimento visto de cimacrescimento:
colunar aberto (wiskers) vs compacto
crescimento compacto => TSubstrato / Tfusão - estrutura
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ct EE /
0.02
0.5
1.5Deposição
energética (T=0 K)
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Deposição termicamente ativada
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6. difusão (de fase sólida)posterior / entre o filme e o substrato
Exemplos de crescimentoEx: Filmes de Si por CVD
1. CVD (Deposição de Vapor Químico)
� (a) Vapores supridos adsorvem como moléculas
� (b) Moléculas sofrem reações que quebram suas ligações.
� (c) Ligações quebradas formam novas ligações com a superfície do filme.
� SiH4(g) →→→→ .... →→→→ SiH4(a) →→→→ Si(c) + 2H2 (g)
(a) = adsorvido (b) = condensado (g) = gás / vapor
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Exemplo:Compostos ZnSe : Fontes Zn(g) e Se(g)
� 2. Deposição de Compostos
(a) Fontes separadas de suprimento (Ex: AB, ZnSe)
(b) O vapor que adsorve liga-se na superfície muito mais fortemente ao outro componente
)()()( cZnSeaSegZn →+
)()()( cZnSeaZngSe →+
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Problema – 5.1 Smith
� Uma molécula tem coeficiente de
condensação αc = 0.2 para deposição de um filme em sua própria fase sólida. Para esta
molécula quais são os valores máximo e mínimo dos coeficientes de crescimento?
(δ, Sc, η, γ)
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Conclusões / processos de crescimento
� Dependem muito da superfície e do precursor
� Etapas vistas: válidas para a maioria dos processos de crescimento
� => Na próxima aula vamos analisar com mais detalhe a questão da tensão superficial e raio crítico
Bibliografia
� Cap. 5 do Smith (crescimento)
� Cap. 6 do Smith (epitaxia)
Grato pela atenção!