Estudo do comportamento magnético de plasma durante o processo de implantação iônica por imersão em plasma

Abstract

O estudo do efeito do campo magnético sobre o processo de implantação iônica por imersão em plasma (3IP) é de grande interesse para o tratamento de materiais. Sendo 3IP uma técnica relativamente nova e de grande relevância para diversas aplicações tecnológicas é importante que ela seja pesquisada e analisada detalhadamente. A aplicação de um campo magnético estático, transversal em relação ao campo elétrico formado durante este processo produz um sistema de campos cruzados ExB. Este sistema de campos cruzados gera um aumento significativo da densidade de plasma na vizinhança do alvo, resultando num maior corrente de implantação, e conseqüentemente um tratamento mais rápido e uma dose retida mais alta em relação ao processo 3IP convencional. Neste trabalho, analisamos mediante simulação numérica, o efeito da distribuição do campo magnético axial no processo 3IP. O campo magnético é produzido por um par de bobinas instaladas fora da câmara de vácuo cujos raios e distância de separação são variadas. Encontramos que a densidade de corrente de implantação depende essencialmente da configuração do campo magnético. Assim, com uma adequada configuração das bobinas (10,0 cm de raio e 42,0 cm de separação) obtivemos uma densidade de corrente quase uniforme de aproximadamente 1,5 mA/cm2 que é 1.5 vezes maior em relação ao caso do sistema 3IP sem campo magnético. O efeito da tensão aplicada assim como da pressão do gás sobre o plasma no processo 3IP é também investigado. O sistema 3IP com campos ExB cruzados é estudado utilizando a técnica de simulação numérica em duas dimensões. Esta simulação é realizada com o código computacional KARAT que emprega o algoritmo “particle-in-cell” (PIC) para simular o movimento de partículas carregadas no campo eletromagnético.

Detailed investigation of the effect of magnetic field on the process of plasma immersion ion implantation (PIII) is of great interest for the material treatment. Being a relatively novel and of great relevance for technological applications technique, the PIII demands further research and careful analysis. The application of static magnetic field, transversal in respect to the electric field established during this process, produces a system of crossed fields ExB. This system of crossed fields promotes an increase of the plasma density, resulting in higher implantation current, and consequently in a shorter treatment time and a higher retained dose in comparison to the conventional PIII process. In this work we have analyzed by means of numerical simulation the effect of magnetic field distribution on the PIII processing. The magnetic field is produced by a pair of external coils, whose radii and separation distance were varied. We found that the density of the implantation current essentially depends on the magnetic field configuration. Thus, with an appropriate configuration of the coils (10,0 cm radius and separation of 42,0 cm) we have obtained an almost uniform current density of approximately 1,5 mA/cm2 that is 1,5 times bigger in relation to the case PIII without magnetic field. The effect of the target bias as well as the gas pressure on the ion current incident on the target is also investigated. The PIII system with crossed ExB fields has been studied using two-dimensional numerical simulation. The simulation is accomplished by the computer code KARAT which employs the particle-in-cell (PIC) algorithm for simulating the movement of charged particles in the electromagnetic field.