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

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

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

PLASMASAplicaciones

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: Transferencia de energía a un flujo gaseoso