Pulverizarea catodică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Pulverizarea catodică, pulverizarea catodică sau vaporizarea catodică [1] (în engleză sputtering , "pulverizare") este un proces pentru care atomii , ionii sau fragmentele moleculare sunt emise dintr-un material solid numit țintă ( țintă ) bombardat cu un fascicul de particule energetice ( în general ioni ).

Procesul de pulverizare catodică

Un ion energetic (de exemplu, Ar + ) se ciocnește pe suprafața țintă, provocând emisia de atomi și fragmente moleculare (cascada de coliziune nu este schematizată). Atomii materialului (în albastru) și impuritățile (în roșu) sunt erodate indistinct.

În domeniul energetic al ionilor implicați de obicei în pulverizare (de obicei mai puțin de 1 keV pentru aplicațiile de gravare sau depunere), interacțiunea dintre ionul incident și atomii țintă și interacțiunile ulterioare dintre aceștia din urmă, pot fi tratate ca o serie de binare ciocniri .

Ionul incident lovește atomii împachetați și îi împrăștie în toate direcțiile (un fenomen numit „cascadă de coliziune”), inclusiv cel care îi scoate din țintă. Materialul este evacuat din țintă după o cascadă de coliziuni și nu după un singur incident de particulă de impact - atomul țintă deoarece nu este posibil ca un singur impact să provoace o schimbare în direcția momentului suficient pentru ca atomul țintă să aibă un componentă de viteză îndreptată spre direcția de sosire a ionului incident.

Pe baza unor considerații geometrice, este clar de ce incidența oblică a ionilor care lovesc ținta crește randamentul de pulverizare: cu incidență non- perpendiculară , este mai ușor pentru coliziuni să confere o componentă de viteză directă către exteriorul țintei către atomii țintei. la fel.

De obicei, într-un proces de pulverizare, particulele energetice care bombardează ținta sunt formate din ioni; cel mai mare randament apare atunci când ionii incidenți au o masă comparabilă cu cea a atomilor țintă, deoarece în acest caz există un schimb mai eficient de energie între ionul incident și atomul țintă.

Materialul este emis în principal din țintă sub formă de particule neutre din punct de vedere electric (atomi neionizați, fragmente de molecule etc.)

Randament de pulverizare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: randament de pulverizare .

Randamentul prin pulverizare este definit ca numărul de atomi erodați de țintă pentru fiecare ion incident.

Cascada coliziunilor

Fenomenele care apar într-o cascadă de coliziuni sunt utilizate pentru a înțelege aplicațiile pulverizării. Următoarele procese, nu neapărat toate, pot avea loc la țintă:

  • Un atom poate fi evacuat (și se numește ion secundar)
  • ionul incident poate fi implantat sau reflectat, probabil la fel de neutru și probabil cu o pierdere mare de energie.
  • Impactul ionului și cascada de coliziune rezultată poate provoca o mare reamenajare structurală în jurul punctului de coliziune.
  • un electron secundar poate fi evacuat
  • se emit fotoni (vizibili, UV și X, în funcție de energiile implicate)

Aplicații practice

Procesul de pulverizare are mai multe aplicații practice, de obicei în sectorul industrial (industria semiconductoarelor sau a acoperirii de suprafață, de exemplu) sau în cercetarea științifică (fizică în stare solidă, știința materialelor), dar tehnicile bazate pe pulverizare sunt acum utilizate în diferite domenii: de la arheologie la analiza probelor de probă.

Cu toate acestea, cele două aplicații industriale principale ale pulverizării sunt:

  • Curățarea prin pulverizare anodică : eroziunea progresivă a țintei poate fi utilizată pentru a curăța suprafața de contaminanții de suprafață sau pentru a o subția. Alternativ, cu utilizarea măștilor adecvate plasate peste țintă, tehnica poate fi utilizată pentru a eroda selectiv unele zone de interes.
  • Depunerea prin pulverizare catodică : atomii emiși de țintă se recondensează pe suprafețele interne ale camerei de vid, acest fenomen poate fi exploatat pentru acoperirea artefactelor: pur și simplu introduceți piesa de tratat în camera de vid pentru un timp suficient pentru formarea unui strat de material emis de țintă pe suprafața sa. Depunerea prin pulverizare permite obținerea de filme de o calitate excelentă practic pentru orice tip de material și cu precauții speciale permite realizarea de acoperiri cu structură și proprietăți diferite de materialul de pornire în faza masivă. Industria discurilor compacte și a Blu Ray, care poate fi scrisă, folosește pulverizarea pentru depunerea stratului subțire de aluminiu, care permite laserului să citească datele gravate pe filmul organic de mai sus. De obicei, grosimea acoperirilor realizate cu această tehnică variază de la zeci de nm la μm .
Depunerea prin pulverizare face parte din setul de tehnici grupate sub denumirea de depunere fizică prin vapori , adică depunere cu metode fizice de fază de vapori.

Intrând în detaliu, tehnicile de pulverizare pot fi practic împărțite în trei categorii:

  • Sputtering cu magnetron : sistemul de depunere folosește un dispozitiv pasiv capabil să genereze un câmp magnetostatic ; în general, în acest scop, magneții NdFeB sunt introduși sub ținta căreia urmează să fie depus un strat. În acest fel, particulele și ionii încărcați electric care sunt supuși forței Lorentz sunt deviați de configurația particulară a liniilor de câmp și se limitează mai aproape de țintă, crescând semnificativ randamentul procesului.
  • Pulverizare RF : această tehnică este denumită în general pulverizare activată de o frecvență radio ( Radio Frequency ); această tehnică este utilizată pentru depunerea materialelor izolante, deoarece în acest caz este posibilă dispersarea încărcăturii care rămâne acumulată în interiorul țintei. Variația câmpului electromagnetic are scopul de a dispersa sarcinile acumulate.
  • DC sputtering: varianta sputtering tradițională în care se menține o tensiune continuă înaltă (Direct Current) între obiectivul de evaporat și substratul care trebuie acoperite, în cazul în care prima este un material metalic conductiv.

Există, de asemenea, aplicații în care pulverizarea este utilizată în scopuri analitice.

Analiza SIMS

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: SIMS .

Pulverizarea catodică este, de asemenea, procesul care stă la baza spectrometriei de masă a ionilor secundari (SIMS), o tehnică foarte sofisticată de analiză chimică a probelor, utilizată pe scară largă în industrie și cercetare.

Procesul de coliziune în cascadă, în acest tip de tehnică, afectează în general primele 10 nm ale eșantionului, totuși, în timpul unei analize SIMS în condiții tipice, aproximativ 95% din materialul reemis provine din primii 1-2 nm, deci rezoluția adâncimea SIMS este de aproximativ 3 ÷ 10 nm. În cazul probelor sub formă cristalină, penetrarea ionilor primari este în general mai mare, datorită prezenței direcțiilor privilegiate în cristale (acesta este așa-numitul proces de canalizare ). În acest caz, metoda coliziunilor în cascadă nu poate fi aplicată, deoarece ionii primari interacționează cu structura cristalină ca un întreg, mai degrabă decât cu un singur atom la un moment dat.

Energia cinetică a materialului emis în procesul de eroziune este variabilă: ionii atomici secundari au energii foarte mici, de ordinul a 20 eV. Ionii moleculari au energii mai mici, deoarece energia cinetică transferată de ionii primari către molecule este, de asemenea, convertită în energie rotovibrațională.

Energia de ionizare a elementelor conținute în eșantion este parametrul decisiv pentru generarea de ioni secundari pozitivi. În ceea ce privește crearea ionilor secundari negativi, parametrul de referință este în schimb afinitatea electronică . În plus, probabilitatea ionizării depinde puternic de mediul chimic care înconjoară atomul considerat ( efectul matricei ). Influența puternică a efectului matrice face cuantificarea rezultatelor analizei SIMS destul de complicată.

Notă

  1. ^ Spruzzamento , în Treccani.it - ​​Treccani Vocabulary online , Institute of the Italian Encyclopedia. Adus pe 19 septembrie 2017 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85127061 · GND (DE) 4182614-0 · BNF (FR) cb121281963 (data) · NDL (EN, JA) 01.155.699