Modèles d’arbitrage coût durée en temps discret (DTCTP)

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 120o_{C 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 900o_C.

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.