El efecto de las partículas cargadas sobre la luz de 172 nm.
Efectos de las partículas cargadas
En la descarga de gas, las partículas cargadas incluyen iones y electrones, que se mueven hacia electrodos opuestos bajo la acción de un campo eléctrico. A continuación se analizan algunos efectos importantes que se producen cuando los iones llegan al cátodo y los electrones alcanzan el ánodo^{2,3,7,10,12,14}.
3.7.1 Efectos de los iones
Cuando los iones bombardean la superficie del cátodo se producen una serie de fenómenos físicos y químicos. La Figura 3-28 muestra los diversos efectos producidos por el bombardeo de iones en la superficie del cátodo^{10}. (Anotaciones de la Figura 3-28: Iones incidentes, Neutros, Reflexión de iones, Cambios en la morfología de la superficie, Calentamiento, Daño estructural, Cambios de cristalización, Implantación o difusión, Electrones secundarios, Electrones sinfín, Resplandor catódico, Radiación óptica, Desorción de gases adsorbidos, Desorción de gases pulverizados, Retorno de átomos pulverizados)
Emisión de electrones secundarios excitados por iones positivosEl proceso de emisión de electrones secundarios desencadenado por el bombardeo iónico del cátodo es una condición necesaria para mantener una descarga autosostenida. La relación entre el número de electrones secundarios NeN_eNe y el número de iones incidentes NiN_iNi, o la relación entre la corriente secundaria iei_eie y la corriente de iones catódicos iii_iii, se denomina coeficiente de emisión de electrones secundarios y depende del material del cátodo, la masa de los iones positivos, su potencial de ionización y su energía cinética. Los electrones secundarios sólo pueden emitirse cuando la energía de los iones incidentes excede la función de trabajo χ\\chiχ del cátodo, lo que permite que la descarga luminosa se sostenga.
Bombardeo de iones calentando el cátodo When ions bombard the cathode, the majority of their energy (>60%) se convierte en energía térmica, lo que provoca un aumento de la temperatura del cátodo. En procesos como la nitruración iónica, la carburación iónica y la deposición química de vapor mejorada con plasma- (PECVD), la pieza de trabajo puede alcanzar la temperatura requerida únicamente mediante calentamiento por bombardeo iónico sin una fuente de calor externa. En el revestimiento iónico, el bombardeo iónico eleva la temperatura de la pieza de trabajo, promoviendo la difusión de los átomos de la película y mejorando la microestructura del revestimiento. En la etapa de pretratamiento antes del recubrimiento, a veces se usa en combinación una lámpara UV de 172 nm para la limpieza de superficies; su fuerte radiación ultravioleta descompone los contaminantes de la superficie, potenciando el posterior efecto de bombardeo iónico. En el recubrimiento por pulverización catódica, el cátodo objetivo requiere un enfriamiento efectivo; de lo contrario, el material objetivo podría descomponerse o incluso derretirse.
Sputtering catódico causado por iones de gasLa pulverización catódica se refiere al proceso en el que iones de alta-energía bombardean el cátodo, intercambiando impulso y energía con los átomos objetivo, lo que provoca que los átomos o moléculas neutros de la superficie del cátodo escapen.
(1) Rendimiento de pulverizaciónEl rendimiento de la pulverización catódica es el número de átomos pulverizados por ion incidente, indicado por SSS. El rendimiento del bombardeo depende del tipo de partícula bombardeada. A medida que aumenta la energía, aumenta el rendimiento de la pulverización catódica SSS para diferentes gases que bombardean un objetivo de cobre, como se muestra en la Figura 3-29^{10}. En la Figura 3-29 se puede ver que cuanto mayor es el número atómico de los iones incidentes y mayor es la energía, mayor es el rendimiento de la pulverización catódica. Normalmente se utiliza argón como gas de trabajo, aunque también se puede utilizar nitrógeno para la limpieza por bombardeo de la pieza de trabajo. En algunos escenarios, la superficie de la pieza de trabajo se trata previamente con una lámpara UV de 172 nm para reducir la interferencia de contaminantes durante el bombardeo de gas y mejorar la uniformidad de la pulverización.
La relación entre el rendimiento de la pulverización catódica y la presión se muestra en la Figura 3-30^{10}. Según la Figura 3-30, cuando la presión del gas ppp es baja, la SSS no cambia con la ppp; Después de que la ppp aumenta hasta cierto valor, la SSS disminuye gradualmente. Esto se debe a que a mayor ppp, la cantidad de moléculas de gas aumenta, lo que genera más colisiones y dispersión, lo que reduce la cantidad de iones de argón que llegan al cátodo.
La relación entre el rendimiento de la pulverización catódica y la energía iónica incidente se muestra en la Figura 3-31^{10}. La curva se puede dividir en tres regiones^{10}: Región I: Región de baja energía donde la energía de los iones es baja y casi no se produce chisporroteo; la pulverización comienza sólo cuando la energía iónica alcanza la "energía umbral" (normalmente entre 10 y 30 eV para los metales).
(2) Tasa de farfullaLa cantidad de material catódico pulverizado por unidad de tiempo se denomina velocidad de pulverización, denotada por RRR. RRR es proporcional al producto de la densidad de iones incidentes JiJ_iJi y el rendimiento de pulverización catódica:
Una mayor densidad de iones incidentes o un mayor rendimiento de pulverización catódica dan como resultado una mayor tasa de pulverización. En algunos procesos de recubrimiento de alta-precisión, el efecto de activación de la superficie de una lámpara UV de 172 nm se combina para mejorar la eficiencia de escape de los átomos objetivo, lo que mejora indirectamente la estabilidad de la tasa de pulverización catódica.
(3) Distribución de energía y velocidad de átomos pulverizadosLos átomos evaporados suelen tener energías de 0,1 a 0,2 eV, mientras que los átomos pulverizados, debido al intercambio de energía con iones incidentes de alta-energía, tienen energías cinéticas de 1 a 2 órdenes de magnitud más altas (generalmente 5 a 10 eV). Por ejemplo, con la pulverización catódica de iones de nitrógeno de 1200 eV, la energía del átomo es de aproximadamente 10 eV; para pulverizar aluminio/tungsteno/platino, la energía del átomo es de aproximadamente 35 eV. Las curvas de distribución de energía cinética de los átomos bombardeados por iones de argón a diferentes voltajes de pulverización (Figura 3-32^{10}) siguen una distribución Maxwelliana, y la mayoría de los átomos tienen energías en el rango de 5 a 10 eV.
(4) Implantación de ionesComo se muestra en la Figura 3-31, cuando la energía iónica incidente es > 30 000 eV, se producen efectos de implantación (el rendimiento de la pulverización disminuye) y las partículas de bombardeo penetran más profundamente en el objetivo, lo que aumenta los defectos del cristal en la capa superficial del cátodo. La profundidad de implantación es de 5 a 10 nm/keV. La implantación de iones es un método importante para la modificación de la superficie de materiales. A veces se combina con el efecto de modificación de la superficie de una lámpara UV de 172 nm, donde la irradiación ultravioleta introduce grupos funcionales superficiales, lo que permite un control más preciso del rendimiento de la superficie junto con la implantación de iones.
(5) Excitación de partículas características mediante haces de iones de alta-energíaLos instrumentos de análisis de microáreas de película (por ejemplo, espectrometría de masas con sonda de iones o espectrometría de retrodispersión de Rutherford) funcionan utilizando líneas espectrales características excitadas por iones.
3.7.2 Efectos de los electrones
Emisión de electrones secundarios por bombardeo de electronesEn el vacío, cuando los electrones bombardean una superficie metálica con suficiente energía de electrones primarios, se emite una gran cantidad de electrones secundarios.
Bombardeo de electrones calentando el ánodoLos electrones que bombardean el ánodo convierten la energía cinética en energía térmica, que puede incluso fundir y evaporar el material del ánodo.
Excitación de partículas características mediante electrones de alta-energíaLos instrumentos de prueba de películas (por ejemplo, microscopía electrónica de transmisión, espectroscopia electrónica Auger) funcionan utilizando electrones Auger, rayos X-y otras partículas características excitadas por haces de electrones.
3.8 Movimiento de partículas cargadas
La tecnología de revestimiento iónico se realiza en plasma de descarga de gas a baja-presión, donde el espacio de revestimiento contiene una gran cantidad de iones y electrones. En los últimos años, los investigadores de películas delgadas-han utilizado campos electromagnéticos para controlar el movimiento de partículas cargadas y aumentar la densidad del plasma. Algunos procesos también integran una lámpara UV de 172 nm en la cámara de recubrimiento para ayudar a regular la actividad del plasma y optimizar las trayectorias de las partículas.
3.8.3 Movimiento de partículas cargadas en campos electromagnéticos
Movimiento en campos electromagnéticos cruzadosLas partículas cargadas están sujetas a la acción combinada de la fuerza del campo eléctrico y la fuerza de Lorentz^{9,10,23}. La fuerza sobre los electrones es:
Movimiento en campos electromagnéticos radialesLas partículas cargadas están sujetas a fuerzas radiales (fuerza de campo eléctrico radial, fuerza de Lorentz, fuerza centrífuga) y fuerza de Lorentz transversal. Las trayectorias se muestran en la Figura 3-39^{10}: los electrones tienen radios de rotación pequeños y frecuencias altas, y se desplazan hacia el ánodo; Los iones tienen grandes radios de rotación y bajas frecuencias, desplazándose hacia el cátodo, logrando la separación del plasma.
3.9 Aplicación de campos electromagnéticos
En los últimos años, para preparar películas delgadas de alto-rendimiento, las máquinas de recubrimiento se han equipado con varios campos electromagnéticos. El diseño adecuado de campos electromagnéticos y la utilización de energía de plasma pueden ser útiles para todo el proceso de recubrimiento. La incorporación simultánea de equipos auxiliares, como lámparas UV de 172 nm, puede mejorar aún más la pureza de la película y la consistencia del rendimiento.
(Contenido siguiente: Tecnología moderna de revestimiento iónico)
