Um contaminante ou impureza pode ser definido como qualquer material na superfície que interfere no processo de formação do filme, altera suas propriedade e influi na sua estabilidade de uma maneira indesejável. A garantia de um processo livre de contaminantes vai garantir a reprodutibilidade dos resultados.
A presença de materiais estranhos à deposição em um processo de sputtering tem várias origens e delas vão depender a qualidade e as propriedade dos filmes. Entre as fontes de conta- minação para uma deposição podemos citar:
Alvo
a presença de gases ou partículas presas ou adsorvidos pelo alvo durante sua fabricação ou uso serão liberados durante o sputtering.
Plasma
o plasma em contato com as superfícies carrega efetivamente átomos que estavam ad- sorvidos nestas. Estes átomo ativados, íons, reagem com o alvo ou com o material que está sendo depositado. Isto pode ser minimizado mantendo o sistema de bombeamento ativado removendo assim o material indesejado.
Câmara
quando o sistema é utilizado por longos períodos e com diferentes materiais, as paredes e partes fixas do sistema criam depósitos destes materiais fig. 3.11 que além de conta- minantes aumentam a porosidade e retenção de gases e vapores indesejáveis à deposição. Este efeito pode ser minimizado com uma limpeza periódica e controlando a disponibi- lidade de vapor de água durante o processo, quer por meio de um sistema de câmaras separadas mantendo aquecida (“baking”) as do sistema quando o sistema é aberto e entra em contato com o ambiente.
Substrato
Figura 3.11: Deposição de material nas partes fixa e paredes da câmara. Com o tempo dificul- tarão o atigimento do vácuo ideal para deposição e funcionarão como contaminantes para os filmes crescidos;(a)crosta formada;(b)crosta removida.
De especial interesse, no crescimento de filmes principalmente de materiais cristalinos, a qualidade da limpeza do substrato tem um papel fundamental e está sob o controle direto do operador. Os devidos cuidados com este procedimento quando não tomados causarão, em geral:
• baixa nucleação para formação do filme
• baixa adesão do filme ao substrato
Os procedimento de limpeza podem ser externos e/ou internos ao processo. Considerando que a superfície do substrato tem os requisitos necessário para a deposição, a limpeza externa se dará em geral por um processo mecânico como ultrasom, fig. 3.12, seguido do uso de agentes químicos (solventes) que não ataquem o substrato produzindo corrosão mas apenas remova os óxidos e compostos orgânico ali formados.
Figura 3.12: Limpeza do substrato com ultrasom e solventes (acetona/metanol) no béquer. Durante o transporte do substrato para a câmara de deposição este fica sujeito a reconta- minação por isto alguns sistemas de sputtering dispõem de mecanismos de limpeza dentro da câmara. Para maiores detalhes sobre procedimentos de limpeza e cuidados necessários para se depositar filmes de boa qualidade ver Mattox [76].
3.5 O Sistema de sputtering
O sistema de deposição catódica, sputtering, que foi utilizado para o crescimento dos fil- mes desta tese, é o sistema comercial Rapier/Orion fabricado pela AJA Inc. Este sistema está dividido nos blocos seguintes:
• Sistema de vácuo
• Alvos
• Fontes DC e RF
• Suporte de substratos com controle de temperatura
• Sistema de casamento de impedância
• Sistema fechado de refrigeração
Figura 3.13: Sistema para crescimento de filmes finos por sputtering.
3.5.1 Câmara de deposição
Este sputtering foi construído com uma câmara de vácuo em aço inoxidável com dimensões de 30 × 30 × 30 cm3, com acesso visual ao interior por uma janela óptica de aproximadamente
10 cm de diâmetro. Nas laterais temos 02 flanges para sensores de vácuo e outro de aproxi- madamente 250 mm (DN 250) que dá acesso ao alvo e susbtrato. Na parte traseira um flange para o sistema de vácuo e na inferior outro para o suporte de substrato. Estes acessos estão
mostrados na fig. 3.14.
Figura 3.14: Câmara sputtering Rapier/Orion - Aja Inc.
3.5.2 Sistema de vácuo
Um dos requisitos para se conseguir um bom plasma é ter um bom sistema de vácuo. Aqui vale ressaltar que para o processamento de plasma o sistema vácuo deve ter um condutância menor do que o sistema utilizado para produção de vácuo absoluto, minimizando assim a saída dos gases necessários ao processo.
O sistema de vácuo é formado por duas partes que podemos chamar de: • baixo vácuo - bomba mecânica
• alto vácuo - bomba turbomolecular.
A bomba mecânica é uma Alcatel Vacuum Technology, série 2005 SD de 02 estágios. Ela é responsável por levar o vácuo na câmara da pressão atmosférica até ≈ 10−3
mbar. Atingindo esta pressão a bomba turbomolecular Pfeiffer Vacuum TMU 0710, fig. 3.15, entrará em fun- cionamento para baixar a pressão até ≈ 10−6
condições normais estes valores são atingidos entre 20 − 30 min. Devido a adsorção de ma- terial e vapor d’agua nas paredes e partes fixas da câmara, periodicamente deve-se efetuar um baking (aquecimento da câmara), fig. 3.16, com o uso de uma cinta resistiva com temperatura de 120oC por algumas horas enquanto é feito o vácuo.
Figura 3.15: Bombas de vácuo do sistema de sputtering do DFTE/UFRN;(a)bomba mecâ- nica;(b)bomba turbomolecular.
Figura 3.16: Aquecimento da câmara (“baking”) para que se consiga um vácuo maior devido a liberação de vapores e materiais adsorvidos pelas partes fixas e parades.
Depois de conseguirmos o melhor vácuo do sistema (≈ 10−6
a formação do plasma, a introdução na câmara de um gás inerte (Ar+, Kr+, Hg+) e/ou um reativo
(O+,N+
2). Estes gases fazem com a pressão da câmara cresça para a faixa de ≈ 10−3−10−2mbar
é o que chamamos de pressão de trabalho ou pressão de sputtering. O acesso dos gases à câmara é controlado por duas válvulas, ver fig. 3.17.
Figura 3.17: Válvula de controle do gás de sputtering;(a) válvula de passagem; (b) válvula tipo “agulha” para ajuste fino do fluxo gasoso.
Quando em sputtering reativo o gás de sputtering e o gás reativo são misturados externa- mente ao sistema nas concentrações desejadas.
3.5.3 Alvos e porta-substratos
A configuração do sputtering que dispomos permite crescer 02 materiais diferentes sem a necessidade de quebrar o vácuo. Entretanto a deposição é feita de somente um alvo por vez. A mudança dos alvos é feita externamente com uma alavanca na parte superior.
Para a troca dos alvos e colocação dos substratos no suporte tem-se o acesso à câmara através de um flange DN 250 conforme mostrado na fig. 3.18
Figura 3.18: Acesso para troca de alvo e sustrato do sistema de sputtering do DFTE/UFRN;(a)acesso a câmara;(b)alvo-porta substrato.
O porta substrato modelo SHQ 15A, fig. 3.19, está adaptado com um sistema de aque- cimento e controle eletrônico de temperatura tipo PID que nos permite fazer deposições com temperatura do susbtrato variando de 25 a 900oC.
Figura 3.19: Porta-substrato do sputtering Rapier/Orion - Aja Inc.(a)porta-substrato;(b)controle eletrônico de temperatura.
3.5.4 Fontes DC e RF
Como visto anteriormente podemos fazer a deposição usando a técnica DC para condutores e também usando alta-frequência RF. Neste caso presisamos de duas fontes.
A deposição DC é feita com o uso de uma fonte de 500W modelo MDX DC 500 AE da Advanced Energy, fig. 3.20. É uma fonte de potência que permite selecionar externamente o tipo de regulação que será utilizada durante a deposição: tensão (0 a 600 V ) ou corrente (0 a 1 A). Escolhido o método, o ponto de operação é ajustado através de um potenciômetro com trava para permitir, quando necessário, que se utilize a mesma configuração para sucessivas deposições.
Figura 3.20: Fonte DC do sputtering Rapier/Orion - Aja Inc.
Esta fonte está equipada com um sistema de proteção que evita a formação de arcos voltáicos que podem danificá-las e também favorecem a perdas excessiva de material do alvo.
Mesmo para deposição RF utilizamos a fonte DC como ignição para o plasma RF e depois então podemos desligá-la.
AJA 100/300 como mostrado na fig. 3.21
Figura 3.21: Fonte RF do sputtering Rapier/Orion - Aja Inc.
A fonte de RF opera a uma frequência de 13, 56 MHz e potência máxima de 50 W .
A impedância formada pelo plasma no sistema RF muda com os parâmetros da deposição: pressão de trabalho, fluxo de gás de sputtering, potência direta de rf e etc. Desta forma para que se garanta a taxa de deposição para uma determinada potência de RF gerada pela fonte o sistema fonte-plasma-alvo devem estar com as impedâncias aproximadamente iguais para que se garanta a máxima transferência de potência. Este casamento de impedâncias é feito por um conjunto auxiliar de indutores e capacitores ajustáveis contido no AJA 100/300 MM3X, fig. 3.22.
Figura 3.22: Conjunto para casamento de impedâncias do circuito alvo-plasma-fonte RF. Para monitorar a transferência de potência, pode-se visualizar no visor da fonte os parâme- tros: potência direta que está sendo gerada pela fonte e potência refletida, quanto menor esta última melhor o casamento de impedência.