plasmas e interacciones partículas -superficies · 2015-06-19 · y transporte de corrientes...
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Plasmas e InteraccionesPartículas -Superficies
Ingeniería de Superficies Departamento de Química Inorgánica
Universidad de Sevilla
Plasma fríoPlasma de baja temperaturaPlasma fuera del equilibrioDescarga luminosaPlasma no térmico.
PLASMASDescargas eléctricas en gases
Física de plasmasEstudio de los procesos de generación, mantenimiento y transporte de corrientes
eléctricas en gases ionizados
PLASMASDescargas eléctricas en gases
Primeros estudios: s. XVIII
Primeros desarrollos: s. XIXLámparas de arco (c.c.)
Final s. XIX e inicio s. XX: Plasmas de RF y MW
Término “PLASMA” introducido por Langmuir en 1929
A partir de años 60: aplicaciones en procesado de materiales y capas
delgadas (superficies)
PLASMASAplicaciones
Ingeniería mecánica
Joyería, relojería, …
Tecnología de la informaciónPaneles planos, TV
EléctricaQuímicaConstrucción
Automóvil
Aeroespacial
…Medio ambiente, descontaminaciónTextil SemiconductoresProcesado de plásticos
EmpaquetamientoÓpticaMetalIngeniería médica
PLASMASDescargas eléctricas en gases
FORMACIÓN DE UN PLASMA
Potencial V1: Gas aislante → no hay paso de corriente eléctrica
Potencial V2: Gas conductor
Campo eléctrico E=V/d → capas de ionizar el gasGenera cargas + y - que conducen la corriente
Proceso de ionización → ruptura eléctricaMedio conductor → plasma
PLASMASParcialmente ionizado, de baja
temperatura o plasmas frios
COMPOSICION DE UN PLASMA
Especies neutras, positivas y negativas →balance eléctrico neutro
Concentración de especies cargadas↓
Densidad del plasma
Procesos de recombinación + procesos de ionización (colisión de electrones y
neutros)
1.010-1
10-3
10-3
10-6
10-4
10-5
1. Gas2. Radicales3. Electrones4. Iones pos.5. Metastable6. Iones neg.7. Fotones
DensidadRelativa
PLASMASPropiedades
TEMPERATURA DE LOS ELECTRONES
Electrones acelerados por E → energías elevadas
Baja probabilidad de colisión electrón-especies pesadas↓
Desequilibrio térmico (Te ≠ Tg)
Altas presiones (102 torr) → Equilibrio térmico
PLASMASPropiedades
1-300.025-1
0-301-302-15
ElectronesIonesMetastablesFotones visible/UVEnlaces moleculares
Energía (eV)
Especies
2.02.61.64.51.69.85.2
Br2Cl2F2H2I2N2O2
Energía de enlace (eV)
Molécula
3.12 ≤ E ≤ 95.313 ≤ λ ≤ 397Ultravioleta
1.59 ≤ E ≤ 3.26380 ≤ λ ≤ 780Visible
0.00124 ≤ E ≤ 1.70730 ≤ λ ≤ 106Infrarroja
Energías (eV)Longitudes de onda (nm)Región espectral
PLASMASPropiedades
NEUTRALIDAD ELECTRICA
Cargas homogéneamente distribuidas
Longitud de Debye (λD) → Desviación de la neutralidad
λD = 69 (Te/Ne)½ (10-5 - 10-3 m)
Plasma en contacto con una superficieZona de apantallamiento: funda, vaina o sheath
↓Dimensiones de la longitud de Debye
PLASMASPropiedades
PLASMA - SUPERFICIE
Mayor velocidad de los electrones → Paredes cargadas negativamente
Caída de potencial desde el plasma a la pared
Potencial de pared: V0 = Te/2
Potencial del plasma: Vp = -Teln(mi/me)½
Electrones confinados en el plasma
PLASMASPropiedades
Potencial de pared: V0 = Te/2
Potencial del plasma: Vp = -Teln(mi/me)½
Iones positivos atraidos a la superficie → a mayor masa mayor energía
↓↓↓↓
!!! Interés en procesado de materiales (plasma “etching”)!!!
Uso de Ar como gas de “sputtering”
PLASMASClasificación
PRESIONBaja → Plasmas fríos (no térmicos)
Medios muy reactivos (distribución de especies equivalente a 5000 K)Alta → Plasmas térmicos
Aplicaciones como fuentes de calor (metalurgia)FRECUENCIA DE EXCITACIÓN
Descargas en CCDescargas en CA
PLASMAS
Descargas en CC
•Descarga oscura →
→ baja densidad de especies
•Descarga luminosa (glow discharge)→ emisión de luz (ruptura dieléctrica)
Aplicaciones como fuentes de iones y para depósito de láminas delgadas(“thin films”)
•Descargas en arco → efectos térmicos, alta luminosidad y baja caidade potencial (~10V)
Aplicaciones como fuentes de calor (corte, soldadura), y para depósito de materiales duros (diamante o refractarios) o síntesis química
PLASMASDescargas en CA
Plasmas de mayor densidad, mayor confinamiento y menor presión•Descargas capacitivas (reactor de placas)
1kHz-100MHz (13.56 MHz)
Usados en procesado de materiales y superficies
Bombardeo de iones positivos en el cátodo de descarga
PLASMASDescargas en CA
Plasmas de mayor densidad, mayor confinamiento y menor presión•Descargas capacitivas (reactor de placas)•Descargas inductivas de radiofrecuencia (RF)
10kHz-30MHz (13.56 MHz)Arrollamiento (sin electrodos) → sin contaminación (microelectrónica)Baja presión (<5.10-2 torr)Densidades electrónicas superiores (un orden de magnitud)RF de alta presión (ICP) → “plasma spraying”, tratamiento químico de superficies o análisis químico (MS-ICP)
Descargas en CAPlasmas de mayor densidad, mayor confinamiento y menor presión
•Descargas capacitivas (reactor de placas)•Descargas inductivas de radiofrecuencia (RF)•Descargas de microondas (MW)
Región microondas (2.45 GHz)Hasta 760 torr
Densidad electrónica y Te elevada (3-15 eV)
ECR – Electron Cyclotron Resonance10-6 – 0.01 torr
Aplicaciones en procesado de materiales y superficies
PLASMAS
PLASMASTécnicas de diagnosis
•Métodos EspectroscópicosEspectro de emisión y absorción → Caracterización de especies
•Métodos ElectrostáticosSondas de Langmuir → Ne, Te, curva I-V
Parámetros del plasma•Densidad electrónica•Temperatura electrónica•Potencial del plasma•Distribución de energía
de los iones•Concentración de especies
PLASMASAplicaciones
Procesos•Depósitos de capas delgadas•Ataques y tratamiento superficiales•Plasmas como fuentes de iones
DEPOSITO DESDE LA FASE VAPOR•Físicas: “sputtering (bombardeo
catódico, P<0.05 Torr)“Transferencia de momento”
•Químicas: PECVD (P<20 torr)
ATAQUE POR PLASMA (“etching”)“Sputtering”, Ataque químico, RIE
PLASMATRON