Estudo do processo de implantação iônica por imersão em plasma com campo magnético externo usando técnicas numéricas e experimentais

Abstract

Implantação iônica por imersão em plasma com campo magnético (3IPCM) foi investigada usando técnicas numéricas e experimentais. O campo magnético considerado é essencialmente não uniforme e é produzido por duas bobinas magnéticas posicionadas ao redor da câmara de vácuo. O estudo é centrado na análise do efeito de dois dos parâmetros mais importantes: tensão e pressão no processo 3IPCM. Outro tema importante como a dinâmica dos elétrons secundários foi também abordado neste trabalho. Neste contexto, o processo 3IPCM foi pesquisado inicialmente usando o código computacional KARAT. Os resultados numéricos mostraram um incremento da densidade do plasma ao redor do alvo durante a variação dos parâmetros de tensão, pressão e campo magnético considerados. Como consequência deste aumento, um incremento da densidade de corrente iônica sobre o alvo foi observado. Os resultados numéricos mostraram que o sistema de campos cruzados E×B intensifica o processo 3IPCM. Posteriormente, 3IPCM foi realizado experimentalmente. Resultados experimentais mostraram que a densidade de corrente foi incrementada em aproximadamente 100 % em relação ao caso sem campo magnético quando os parâmetros externos foram variados. Todos estes resultados numéricos e experimentais são explicados através do mecanismo de ionização do gás por colisão com os elétrons magnetizados realizando movimento de deriva em campos E×B. Finalmente, para analisar os efeitos do processo 3IPCM no tratamento de materiais foram realizados implantações em amostras de silício. Os resultados mostraram que o processo 3IPCM promove mudanças nas propriedades superficiais das amostras, tornando-as hidrofóbicas. Esta técnica mostra ser atrativa posto que foi possível incrementar a dose e a profundidade de implantação em alta tensão.

Plasma immersion ion implantation (PIII) with magnetic field has been investigated using numerical and experimental methods. The magnetic field in consideration is essentially non-uniform and is generated by two magnetic coils installed outside the PIII vacuum chamber. The study is focused on analysis of the effect of two of the most important process parameters: voltage and gas pressure on the PIII with magnetic field. Another important subject such as the dynamics of secondary electrons has also been considered in this work. In this context, the PIII process with magnetic field has been initially analyzed numerically using the 2.5D computer code KARAT. The numeric results have shown an increase of the plasma density around of the target in the range of the considered parameters, voltage, pressure and magnetic field. As consequence of this an enhancement of the ion current density on the target was observed. The simulation results have demonstrated that the system of crossed E×B fields intensifies the PIII process with magnetic field. Later, the PIII process with magnetic field has been carried out experimentally. Experimental results have shown an increase of the current density in about 100 % in relation to the case without magnetic field when the external parameters have been varied. The numerical and experimental results are explained through the mechanism of gas ionization by collision with electrons drifting in crossed E×B field. Finally, to analyze the effect of the PIII process with magnetic field in material treatment implantation in Silicon samples has been carried out. The results indicate that the PIII process with magnetic field promotes changes of the samples surface properties, turning them hydrophobic. This PIII technique is attractive since it can increase the dose and the depth of implantation at high voltage.