Obținerea unor structuri multistrat prin depunere din plasmă - caracterizare structurală prin microscopie electronică

CAPITOLUL I

PLASMĂ ŞI REACŢII ÎN PLASMĂ

1.1. Plasma

Plasma este considerată a patra stare de agregare a materiei, în care o parte sau toţi atomii sunt, ori moleculele sunt disociaţi, formând ioni. Plasmele sunt formate dintr-un amestec de particule neutre, ioni pozitivi şi electroni care se mişcă aleatoriu.

Plasma este conducătoare de electricitate, dar un volum de plasmă cu dimensiuni mai mari decât aşa-zisa lungime „Debye” se va comporta neutru din punct de vedere electric.

De obicei fenomenele plasmatice nu se petrec pe Pământ în mod natural, cu excepţia fulgerelor. În timpul descărcărilor electrice se formează dâre subţiri de molecule de aer ionizate în procent de aproximativ 20%. Alte fenomene plasmatice sunt fulgerele globulare şi aurora boreală.

Deşi pe Pământ plasma se găseşte în cantităţi neglijabile, ea constituie 95% din materia Universului. este constituentul stelelor şi al norilor interstelari ionizaţi. În plasmele foarte fierbinţi particulele acumulează suficientă energie pentru a se angaja în reacţii nucleare în timpul ciocnirilor. Astfel de reacţii sunt sursa de căldură în miezul stelelor.

Starea de plasmă este caracterizată de densitatea de particule încărcate electric cu sarcina: ne ≈ ni ≈ n particule/m3, aflate în echilibru la temperatura T. Unele substanţe necesită temperaturi mai mari în comparaţie cu altele pentru a trece în starea de plasmă. De aceea la o temperatură dată se defineşte fracţia ionizată dintr-o plasmă:

Unde ng este densitatea de gaz neutru. În cazul plasmelor complet ionizate xi este aproape 1, iar în cazul celor ionizate xi <<1.

La presiuni joase electronii şi ionii dintr-o plasmă nu se află în echilibru termic, nici între ei, nici cu mediul înconjurător. În aceste condiţii energia folosită pentru menţinerea plasmei este transferată preponderent electronilor cu gazul neionizat sau între ei. Din acest motiv temperatura electronilor este mult mai mare decât cea a ionilor, Te>>Ti în plasmă.

Plasmele de presiuni joase sunt caracterizate de temperatură a electronilor Te cuprinsă în intervalul 1 – 10V şi o densitate de particule ionizate variind între 108 - 1013 particule/cm3. În aceste plasme gazele introduse, precursorii, sunt descompuse în ioni pozitivi şi specii chimice active care ajung în substrat şi reacţionează cu acesta fizic sau chimic. Energia transferată substratului de către ioni, prin ciocnire, este folosită pentru favorizarea reacţiilor şi nu pentru încălzirea substratului. Plasmele la presiuni joase sunt caracterizate de presiuni de lucru cuprinse între 1m Torr şi câţiva Torr.

Plasmele la presiuni înalte sunt caracterizate de Te ≈ 0,1 – 2V şi 1014 – 1019 cm3, iar particulele uşoare şi cele grele sunt aproape la echilibru: Ti ≤ Te. Scopul acestor plasme este de a transfera căldura substratului pentru a creşte rata reacţiilor de suprafaţă, a topi sau evapora substratul. Deşi ni şi ne pot fi cu până la 5 ordine de mărime mai mici ca ng, particule încărcate sunt în mare măsură responsabile de menţinerea descărcării şi de reacţiile de pe substrat. Cum Te >> Ti, electronii sunt cei care disociază gazele pentru a crea radicali liberi şi precursori pentru depunere. De asemenea electronii sunt cei care ionizează gazul generând ionii pozitivi care ulterior bombardează substratul, crescând ratele de reacţie, curăţând straturile care nu ar permite creşterea filmelor, implantând ioni în material.

Plasmele cvasineutre (ni ≈ ne) prezintă la interfaţa cu pereţii reactorului un strat subţire încărcat pozitiv. Acest fenomen caracteristic tuturor descărcărilor se datorează următorului fapt: să considerăm o plasmă aflată între doi pereţi metalici legaţi la pământ (potenţial nul). Întrucât densitatea de sarcină netă ρ = e (ni – ne) este zero, potenţialul electric şi câmpul sunt nuli în tot volumul plasmei. Electronii cu energii mari nefiind combinaţi sunt repede absorbiţi de pereţi, astfel, în foarte scurt timp, o parte din electronii din imediata vecinătate a pereţilor sunt absorbiţi de aceştia şi densitatea de sarcină în această regiune va fi pozitivă.

Forţa care va acţiona asupra electronilor (-eEx) va fi orientată către interiorul plasmei, iar electronii are se îndreaptă către pereţi vor fi întorşi către plasmă. Considerând potenţialul plasmei ca fiind Vp (raportat la potenţialul pereţilor), acesta trebuie dă fie de câteva ori mai mare decât Te pentru a confirma marea majoritate a electronilor, iar energia ionilor care bombardează pereţii va fi de ordinul Te.

1.1.1. Descărcări cuplate inductiv

Descărcările cuplate inductiv sau plasmele generate prin cuplaj inductiv se caracterizează prin densităţi mari şi presiuni de lucru mici. Puterea este transferată către plasmă prin intermediul unui mediu dielectric. Acest tip de transfer asigură potenţiale mici în toate straturile plasmei, la nivelul substratului şi pe pereţii reactorului. Potenţialul plasmei şi energia de accelerare a ionilor este de aproximativ 20 până la 40V.

Într-o descărcare inductivă semnalul puternic de radio-frecvenţă este aplicat unei bobine, a cărei frecvenţă de rezonanţă este diferită de frecvenţă acestuia – bobina nerezonantă. Aceste tipuri de instalaţii sunt avantajoase datorită metodei constructive simple.

Descărcările inductive generează plasme cu densităţi de 1011 – 1013 pentru care transferul de putere este mare. Acest tip se descărcări este cunoscut sub mai multe denumiri: TCP (Transformer – Complet – Plasma), ICP (Inductively – Compled - Plasma), REI (RF indutive plasma).