1

1

Cinética dos Gases

Ciência e Tecnologia de Filmes Finos – Humberto/Posmat 2009

Motivação (?)

2[Z.Ge, PhdThesis, Notre Dame, 2007]

3

Por que os processos a baixas

pressões (e em vácuo) são importantes para a deposição de

filmes finos?

4

Gases e Vácuo

• Alta pressão e soluções

(+ complexidade):molécula � molécula � solvente �superfície

• Simplicidade (baixa pressão):

molécula � superfície

2

5

Processos em solução:

alta complexidade

Processos em baixas pressões:

mais simples

6

• como os gases participam dos processos de crescimento de filmes ?

• quais as propriedades específicas de gases (e de vapores) são mais importantes para o crescimento?

7

Cinética dos Gases

• Alguns pontos importantes....

8

Diagrama p-V-T

Diagrama p-V-T para uma quantidade fixa de material

3

9Projeção do diagrama p-V-T sobre o plano p-T

10

−×

=

Tk

mv

Tk

mv

dv

dN

N BB

22/3

2 )2/1(exp

24

1

ππ

v(m/s); T(K); m(kg); kB (1,38.1023J/K)

Distribuição de velocidades

11

Distrib. Maxwell-BoltzmanArgônio, 300K

Smith – Fig. 2.4

12

Distribuição de velocidades para vapor de Al e H2 gasoso

4

13

quantas moléculas atingem

uma superfície / cm2.s1 ?

taxa de deposição de filmes

(gás (m); T (K))

14

Fluxo molecular incidente

M

RTnvnJ i

π

8

4

1

4

1==

Ji - moléculas/(m2.s)

n – moléculas/(m3.s)

15

Fluxo molecular incidente

><==

2

3

1. vmnTnkp B

pressão ���� energia cinética de translação ���� energia térmica

Tkvmp Bt2

3

2

1 2<=>><=<=> ε

16

Fluxo molecular incidente /

Equação de Knudsen

MRT

pN

sm

molécJ

A

iπ2

.

.2

=

MT

p

scm

molécJ i

22

21051,3

.×=

(torr, g, K)

(SI)

NA= 6,02x1023

5

17 18

Equação de Knudsen / Deposição

)/(

)/()./(

1067,1.

3

16

2molgM

cmghmdt

dh

sm

molécJ r

ρµ

×=

19

Exemplo

• Como estimar a máxima contaminação

(H2O residual) em MBE-GaAs ?

20

Exemplo

• Máxima contaminação

(H2O residual) em MBE-GaAs

1 monocamada = 1x1015(molec/cm2)

Pressão residual H2O Referência

p(torr) Ji (molec/cm2.s) Monoc/s s/Monoc ImpurezasPureza% = Nível de dopagem

1,00E-06 4,78E+14 4,78E-01 2,09E+00 4,00E-01 59,957 5,00E+22 1,00E+18

1,00E-08 4,78E+12 4,78E-03 2,09E+02 4,00E-03 99,600 2,00E-05

1,00E-10 4,78E+10 4,78E-05 2,09E+04 4,00E-05 99,996 (%) 0,002

Deposiçao

dh/dt (µm/h) Jr(molec/cm2.s) Monoc/s s/Monoc

1 1,19E+15 1,19E+00 8,38E-01

0,28 nm/s

2,8 A/s

6

21

Sumário

Estudamos conceitos básicos sobre cinética de gases que são importantes para a deposição de filmes

• Fluxo molecular incidente

• Formação de monocamada – vácuo: interação molécula superfície (isolada).

• Processos CVD: importante regime de escoamento / uniformidade Lista de exercícios/pausa

ou vácuo

23

Tecnologia de Vácuo

Ciência e Tecnologia de Filmes Finos – Humberto/Posmat 200924

• por que vácuo ?

• como (produzir e usar) vácuo ?

7

25

Vácuo

• Fundamental para a deposição de filmes de alta pureza (=> semicondutores)

• Exemplo anterior:

p ~ 10-10 torr / 1 µm/h

=> 2x1018 impurezas/cm3 (~dopagem)

26

Tecnologia de Vácuo

Regimes de Escoamento

Tratamento de Superfícies

Próximos:

27

Tecnologia de Vácuo

28

Bomba mecânica – palhetas rotativas

... do mais simples....

8

29

... ao mais sofisticado....

30

STM – microscópio de tunelamento

31 32

Sistema de MBE

9

33 34

• Bombas iônicas e de sublimação

35

Sistema de MBE

36

• Número de Knudsen• Kn > 1 – alto vácuo, colisões molécula-paredes• Kn << 0,01 – fluxo de fluido, colisões molécula-molécula• 0.01<< Kn < 1 – regime intermediário

Regimes de Escoamento

LlKn =

l = livre caminho médio

L=tamanho do sistema

10

37

Regimes de fluxo de gás dominantes em função das dimensões do sistema e pressão

38

Fluxo de gás /

Inomogeneidades

39

Distribuição de velocidades nas proximidades do susceptor (porta substratos).

40

Reator complexo (comercial)

11

41

Linhas de

fluxo de gás /

simetria

axial

42

Contaminação / Tratamento de

Superfícies

43 44

Adsorção (fisisorção) ↔↔↔↔ Ligação (quimisorção)

12

45

Tratada a adsorção na superfície, podemos falar algo sobre a remoção...

Sputtering de limpeza

Plasma etch...

Dizer que a contaminação pode vir

também do gás do processo...

Outgassing...

46

Outgassing...

Mostrar o que fazemos para minimizar...

Nanochem purifilter... (foto)