Cinética dos Gases - Unespjhdsilva/ctff_gases_vacuo.pdf · Diagrama p-V-T para uma quantidade fixa...
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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
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• 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 ?
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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
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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
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Tecnologia de Vácuo
Ciência e Tecnologia de Filmes Finos – Humberto/Posmat 200924
• por que vácuo ?
• como (produzir e usar) vácuo ?
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Vácuo
• Fundamental para a deposição de filmes de alta pureza (=> semicondutores)
• Exemplo anterior:
p ~ 10-10 torr / 1 µm/h
=> 2x1018 impurezas/cm3 (~dopagem)
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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)