A pulverização catódica, ou sputtering, é uma técnica de deposição física a partir da fase de vapor, tal como a evaporação térmica assistida por canhão de eletrões no entanto, não trata-se de um processo térmico. É muito utilizada para padronização de semicondutores, para limpeza de superfícies e para a erosão microscópica da superfície [64].
Nesta técnica ocorre bombardeamento de iões energéticos sobre uma superfície sólida. Quando a energia destes iões é superior à energia de ligação dos átomos ou moléculas da superfície, ocorre por transferência de momento a remoção desses átomos ou moléculas como representado na figura 3.5. Posteriormente, estes depositam-se na superfície do substrato formando um filme fino [59].
Figura 3.5: Processo de pulverização catódica. Adaptado de [59]
Nos sistemas de pulverização catódica um gás inerte é inserido dentro da câmara vácuo. Quando é aplicado uma diferença de potencial entre dois elétrodos, o cátodo (alvo) e o ânodo (porta-substrato), é gerado um eletrão livre que é acelerado pelo campo elétrico continuamente até colidir com um átomo do gás. Esta colisão designa-se por colisão de ionização e dá origem a outro eletrão livre e a um ião carregado positivamente, devido à perda de um eletrão do átomo do gás. Este processo gera continuamente eletrões livres e iões, quer pela colisão dos eletrões com os iões como pela colisão com o alvo, onde ocorre libertação de eletrões secundários. Todavia, eletrões e iões também são perdidos por colisões com os elétrodos e paredes da câmara até ocorrer um equilíbrio entre a perda e produção destes. Quando ocorre este equilíbrio estabelece-se entre os elétrodos uma descarga elétrica luminosa (plasma) estável. Durante este processo os eletrões são acelerados para o elétrodo positivo (ânodo) e, os iões carregados positivamente são acelerados em direção ao cátodo (alvo). Quando os iões energéticos (20 a 40 eV) colidem com a superfície do alvo, os átomos deste são removidos da superfície por transferência de momento e atravessam a câmara de vácuo na forma de vapor [59]. Este processo causa o desgaste do alvo.
pesado e abundante ( 1% da atmosfera). Outros iões de gases inertes como o Kr+ou iões
moleculares mais pequenos tais como o N2+e O2+são também muito utilizados como iões de bombardeamento[59, 64].
As condições de pressão de trabalho utilizadas nestes sistemas são da gama de 10−1e 10−2Pa [65], de forma estabelecer-se plasma estável. A pressão deve-se manter baixa para minimizar a dispersão entre os iões e os constituintes do plasma mas, suficientemente alta para garantir uma descarga sustentada [66].
Este processo é caracterizado pela baixa taxa de deposição, baixa eficiência de ionização do plasma e pelo grande aquecimento. Uma forma de aumentar a eficiência desta técnica é introduzir um magnetrão sobre o alvo. Este tipo de pulverização catódica designa-se por pulverização assistida por magnetrão. O magnetrão cria um campo magnético estático e paralelo à superfície do cátodo quando, os electrões secundários são emitidos do cátodo devido ao bombardeamento iónico ficam confinados junto ao cátodo pela combinação do campo magnético com elétrico. A confinação do plasma junto ao cátodo obriga os eletrões a percorrerem trajetórias helicoidais, ou seja, aumenta a distância percorrida pelos eletrões. Por conseguinte, aumenta a probabilidade de ionização,aumenta a taxa de deposição, decresce a pressão de trabalho e reduz o bombardeamento do alvo por eletrões diminuindo assim o seu aquecimento [59, 64].
A presença do magnetrão leva ao desgaste do alvo nas zonas em que o plasma está mais confinado mas, pelo ajusto da posição do alvo em relação ao magnetrão é possível minimizar esse problema e além disso, a uniformidade do filme pode ser otimizado[59, 65].
No entanto, este processo descrito só é possível se o alvo for de um material condutor pois, caso seja um material isolante a superfície do alvo acumula um excesso de carga que irá provocar o aumento de potencial e subsequente extinção da carga. Este problema resolve-se através da utilização de um fonte RF com um frequência típica de 13,56 MHz. Na figura 3.6 encontra-se um esquema de um sistema de pulverização catódica de RF assistida por magnetrão, onde o alvo está ligado a uma fonte externa de excitação RF e o restante sistema inclusive o substrato encontra-se ligado à massa. A fonte RF gera uma polarização alternada no alvo, provocando na alternância negativa a atração dos iões pelo cátodo, ficando polarizado positivamente, e na alternância positiva os eletrões são atraídos pelo alvo. Esta polarização alternada é responsável pelo descarregamento do alvo [65], não permitindo assim o excesso de cargas.
A pulverização catódica apresenta diversas vantagens em comparação com outras técnicas de deposição de filmes finos tais como [65]:
• Opera com baixas pressões de trabalho, permitindo a deposição de filmes com elevada pureza.
• Bombardeamento iónico melhora a adesão aos substratos assim como, permite temperaturas de deposição relativamente baixas. Outras técnicas só conseguem esta boa adesão com aquecimento dos substratos.
• Apresenta a possibilidade de rodar ou deslocar o substrato relativamente à fonte de vapor durante a deposição garantido uma maior uniformidade do filme fino. • Não intervêm qualquer produto ou solução tóxica.
Figura 3.6: Esquema de um sistema de pulverização catódica de RF assistida por magne- trão. Adaptado de [66]
Pelos motivos acima mencionados, para este trabalho utilizou-se um sistema de pul- verização catódica de rádio-frequência assistida por magnetrão. As deposições de filme fino de camada ativa, GIZO, foram feitas no equipamento de deposição PVD AJA ATC 1300F, figura 3.7, utilizando os alvos cerâmicos fabricados por AJA International enquanto que os contactos, fonte e dreno, de molibdénio foram depositados utilizando o PVD AJA ATC 1800F. Estes dois sistemas encontram-se na câmara limpa do CEMOP. A tabela 3.2 apresenta as condições e características das deposições feitas com recurso a esta técnica.
Figura 3.7: Sistema de pulverização catódica de radiofrequência assistida por magnetrão, AJA International, existente na câmara limpa do CEMOP
Tabela 3.2: Condições de deposição da camada ativa e contactos, fonte e dreno para TFTs
Características/Condições GIZO Mo
Composição GaO3, InO3, ZnO Mo
Proporção molar 1:2:1 1:1:1 1:2:2 1
Diâmetro do alvo 2” 3”
Equipamento AJA ATC 1300F AJA ATC 1800F
Rotação do substrato % 100 100
Temperatura (◦C) Temperatura Ambiente Temperatura Ambiente
Pressão inicial da câmara (Torr) 10−8 10−8
Pressão de deposição (mTorr) 2,3 1,8
Distância alvo-substrato (cm) 18 35
Fluxo de Ar (sccm) 14 50
Fluxo de O2(sccm) 0,5 -
Potência RF (W) 100 175
Tempo de deposição 13’30” 15 13’30” 13’
Espessura de filme depositado (nm) 40 60