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Processo de Deposição

de Filmes Finos

POSMATProf. 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?

9

6 etapas

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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 édefinida.

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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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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:

Detalhes de cada etapa...

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1. adsorção

� átomos e moléculas que chegam adsorvem na superfície

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

23

2. difusão

� átomos ou moléculas se movimentam pela superfície

difundem alguma distância, antes de serem incorporados pelo filme.

Adsorção (fisisorção) ↔ Ligação (quimisorção)

RTE

r

oos seJ

na

2/.

−=Λυ

comprimento de difusão na superfície (cm)

regime de soterramento (burial)

RTEE

oc

os scea2/)(

.−=Λ

υ

υ

comprimento de difusão na superfície (cm)

regime de desorção (evaporação)

RTEE

oc

os scea2/)(

.−=Λ

υ

υ

regime de desorção (evaporação)

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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

Esquema: adsorção – difusão -nucleação – incorporação – formação de platôs

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

33 34

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)

Nucleação 3D - Modelo Capilar

� Importância da tensão superficial

ffmc

cv AV

VG γµµ +−−=∆ )(

23

4)3/4(

)./ln( rV

rppRTG f

mcv πγπ +

−=∆

40

Modelo capilar – Raio crítico

Raio crítico

=

vmc

f

p

p

V

RTr

ln.

2*

γ

crescimento visto de cima

crescimento:

colunar aberto (wiskers) vs compacto

crescimento compacto => TSubstrato / Tfusão - estrutura44

ct EE /

0.02

0.5

1.5Deposição

energética (T=0 K)

45

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 (c) = condensado (g) = gás / vapor

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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Conclusões / processos de crescimento

� Dependem muito da superfície e do filme

� Etapas: válidas para a maioria dos processos de crescimento

Bibliografia

� Cap. 5 do Smith (crescimento)

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Lista de Exercícios

� Coeficientes da Deposição

6. 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)

Lista de Exercícios

� Regimes: Soterramento / Evaporação

5. a) Explique os regimes

b) Relação com o coeficiente de difusão

Comprimentos de difusão

RTE

r

oos seJ

na

2/.

−=Λυ

RTEE

oc

os scea2/)(

.−=Λ

υ

υ

regime de desorção (evaporação)

regime de soterramento (burial)

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

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GaN - Sputtering

Série II

a(nm)= 0,3

νos

(s-1)= 2,00E+13

νoc

(s-1)= 8,15E+12

Es(eV)=0,63

Ec(eV)=1,7

1000°C

580°C100°C

SoterramentoEvaporação

Co

mp

rim

en

to d

e D

ifu

sã

o (

µm

)

1000/T (K-1)

Soterramento

Evaporação

Grato pela atenção!