Os filmes finos de a-Si:H foram depositados por pulverização catódica e a utilização dos melhores parâmetros da literatura: temperatura de deposição na faixa de 100 a 350°C; pressão parcial de hidrogênio de 0,05 a 1,2mTorr; pressão parcial de Argônio de 1,0mTorr; taxa de deposição entre 20 e 220Å/min e concentração de hidrogênio de 2 a 40% (Abelson et al., 1990; Pinarbasi et al., 1989; Cherfi et al., 2009).
Para se atingir tais parâmetros, dada a gama de variáveis presentes e devido às especificidades do reator BAS 450 PM Balzer, houve a necessidade de se fazer um estudo base com os indicadores da literatura para se chegar às melhores condições para a deposição neste equipamento de modo a se auferir os requisitos de qualidade dos FF (Filmes Finos) de a-Si:H com band gap superior na faixa de 1,8 a 1,9eV e concentração de Hidrogênio presente no filme acima de 10%.
Definidos os parâmetros de deposição, fez-se, primeiramente, o pré sputtering do alvo de maneira a se remover impurezas e possíveis óxidos presentes na superfície do mesmo. Após isso, deu-se início à deposição do silício amorfo sobre o substrato.
4.1.1.1
“Avaliação do fluxo de H
2e da temperatura de deposição”
Estes primeiros experimentos destinaram-se à verificação do ambiente de deposição com a utilização dos melhores parâmetros retirados da literatura. Com base nestes resultados, foram realizados outros experimentos descritos a partir do item 4.1.1.2. Variaram-se a temperatura de deposição e o fluxo de Hidrogênio para a formação do filme fino de a-Si:H na atmosfera do reator BAS 450 PM. Os seguintes parâmetros de deposição foram mantidos fixos:
Pressão de trabalho: 2,5E-3mbar;
Tempo de deposição: 300s; Potência: 200,0W;
44 Percentual de Argônio: 62,5%.
Os demais parâmetros utilizados nestes experimentos estão relacionados na tabela IV.1:
Tabela IV.1 Avaliação do fluxo H2 e da temperatura de deposição.
Amostra
“Am” Temperatura de deposição (⁰C) Fluxo de H2 (%) 1 138,0 16,7 2 166,0 28,6 3 105,0 37,5
Para alcançar a temperatura de deposição teve-se o auxílio de quatro lâmpadas de 1000W e tensão de 220V. Atingido o valor desejado, este era mantido constante por meio de um controlador de temperatura, cujo termopar tipo k situava-se entre o alvo e o porta amostras, conforme ilustrado na figura 4.1. A entrada dos gases foi feita por meio de um tubo de aço inox perfurado posicionado lateralmente junto ao alvo em toda a sua extensão vertical, justamente por ser nele que o plasma se concentra devido ao magnetron. A saída desses gases estava localizada na parte inferior do reator, em seu centro, onde se localiza a bomba criogênica, conforme ilustrado também na figura 4.1. A distância entre o alvo e o substratos, ambos posicionados paralelamente um ao outro, era de 5cm. A atmosfera de deposição atingiu uma pressão de base de 1,0E-6mbar.
45
Figura 4.1 Esquema interno do reator BAS com as entradas e saídas dos gases e do termopar.
Descrição do reator BAS 450 PM:
Alvo: situado no catodo do reator, é dele que se evapora o material para deposição no substrato ao ser pulverizado pelo plasma denso e concentrado pelo magnetron sobre ele. É nele que é aplicada a fonte de potência DC, DC pulsada, AC ou RF para que se tenha a formação do plasma.
Magnetron: é um imã plano com geometria adequada, o qual dá origem a um campo magnético toroidal, em que as linhas de campo formam um percurso fechado sobre a superfície do alvo e concentra o plasma na região do alvo para uma maior evaporação do material.
Porta substrato: é um suporte preso na parte superior do reator no qual são afixados os substratos para deposição do material ejetado do alvo. Sua distância do alvo é de 5cm.
46 Motor do porta substrato: é o motor que faz girar o porta amostra antes, durante ou
depois do processo de deposição do material.
Lâmpadas de tungstênio: são quatro lâmpadas de 230V, 1500W, para aquecer os substratos, as amostras e as partes internas do reator antes, durante ou após a deposição do material. Estão localizadas no reator em oposição ao alvo.
Shutter: é um suporte em aço inox que permite fazer várias deposições sem desfazer o vácuo. Ele tem a função de proteger ou cobrir os substratos que não serão depositados em um dado momento.
Motor do Shutter: é um motor responsável por girar o shutter e possibilitar as variações de deposição.
Saída de gases: é a válvula que permite a saída dos gases do processo de deposição. Entrada de Ar: é a válvula que permite a entrada do gás Ar para formação do plasma. Entrada de H: é a válvula que permite a entrada do gás H para formação de a-Si:H. Termopar: é o instrumento de medida da temperatura de deposição.
4.1.1.2
“Avaliação do fluxo de H
2”
A influência do fluxo de hidrogênio foi avaliada na hidrogenação dos filmes finos de a-Si:H pela fixação do tempo, da potência e da temperatura de deposição. Visou-se determinar a melhor proporção do gás reativo na formação do referido filme no reator de deposição BAS 450 PM que possibilite uma hidrogenação superior a 10%.
Foram fixados os seguintes parâmetros de deposição: Pressão de trabalho: 2,5E-3mbar;
Tempo de corrida: 300s;
47 Potência: 200W;
Percentual de Argônio: 62,5%.
A tabela IV.2 apresenta os valores utilizados para o fluxo de hidrogênio neste experimento:
Tabela IV.2 Avaliação do fluxo de H2.
Amostra “Am” Fluxo de H2 (%) Temperatura de deposição (°C) 4 16,7 105,0 5 28,6 105,0 6 37,5 105,0
O reator BAS 450 PM apresentava fuga expressiva e, antes do experimento, passou por manutenção para eliminar o problema. Após novos testes de fuga, verificou-se que a mesma havia sido reduzida ao valor permissível, o qual se situa em torno de 2x10-4mbar.l/sec, o que possibilitou trabalhar com uma atmosfera de deposição melhor com uma pressão de base igual a 1,0E-7mbar.
4.1.1.3
“Avaliação da temperatura de deposição”
A avaliação do efeito da temperatura de deposição na hidrogenação dos filmes finos de a-Si:H foi feita com a utilização de um termopar tipo k fixado no reator de maneira que se situasse entre o alvo e o porta amostras, sem, no entanto, impedir a deposição do material conforme ilustrado na figura 4.1. Foi feita a fixação dos seguintes parâmetros:
Pressão de trabalho: 2,5E-3mbar; Pressão de base: 1,0E-7mbar; Tempo de deposição: 300s; Percentual de hidrogênio: 37,5%; Percentual de argônio: 62,5%;
48 Potência: 200W.
Buscou-se determinar a temperatura de deposição que possibilitasse a maior inserção de hidrogênio no filme fino formado.
Os valores do parâmetro variável utilizado nesse caso são relacionados na tabela IV.3:
Tabela IV.3 Avaliação da temperatura de deposição.
Amostra
“Am” Temperatura de deposição (⁰C) Fluxo de H2 (%) 7 35,00 37,5 8 105,0 37,5 9 200,0 37,5 10 300,0 37,5 11 400,0 37,5