Estudo do Processo de implantação Iônica por Imersão em Plasma em Dielétricos, Através de Técnicas Experimentais e de Simulação Computacional
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Implantação Iônica por Imersão em Plasma (3IP) é um método bastante conhecido de modificação superficial de materiais. Entretanto, algumas limitações aparecem quando esta técnica é aplicada a materiais dielétricos. A implantação de íons na superfície de um material isolante causa o seu carregamento elétrico, que tem um efeito negativo sobre o processo. Neste trabalho estuda-se o processo de 3IP em substratos dielétricos através de diferentes abordagens. Simulações computacionais foram realizadas, através da resolução numérica de um modelo unidimensional simples da magnetohidrodinâmica, utilizando um programa de computador que foi desenvolvido para este propósito na linguagem FORTRAN90. Uma metodologia para a resolução deste modelo foi apresentada e diversos parâmetros de simulação foram investigados. Uma técnica experimental em que se pode realizar medidas do potencial na superfície de um substrato dielétrico durante a implantação iônica foi estudada. Visando minimizar os efeitos negativos resultantes do carregamento do substrato dielétrico, foram estudados diferentes parâmetros de pulso de alta-tensão aplicado durante o 3IP. Através da Espectroscopia de Elétrons Auger, foi possível obter o perfil de concentração atômica dos elementos na superfície do substrato. Estes dados foram utilizados para calcular a dose de íons nitrogênio implantados em amostras de silício colocadas sobre o dielétrico, para estas diferentes condições experimentais. Resultados de simulação foram comparados com os resultados experimentais. Foi possível então concluir que materiais poliméricos apresentam comportamento diferente de materiais cerâmicos durante o 3IP. Também foi observado que os parâmetros de pulso de alta-tensão têm influência sobre os efeitos de carregamento em dielétricos e sobre a dose de íons retida, tanto em substratos dielétricos quanto em substratos condutores, tendo grande importância na eficiência do processo 3IP.
Plasma Immersion Ion implantation (PIII) is a well known method for surface modification of materials. However, some limitations appear when this technique is applied to dielectric materials. Ion implantation on the surface of an insulating material causes its electric charging, which have a negative effect over the process. In this work, the process PIII on dielectric substrates was studied by different approaches. Computer simulations were performed, through the numerical solution of a simple one-dimensional magnetohydrodynamic model, using a computer program that was developed for this purpose in the FORTRAN90 language. A methodology for the solution of this model is presented and various simulation parameters were investigated. An experimental technique that measures the potential on the surface of a dielectric substrate during ion implantation was studied. In order to minimize the negative effects caused by electric charging of the dielectric substrate, different high-voltage pulse parameters were investigated. Auger Electron Spectroscopy was used to obtain the atomic concentration profiles of elements on the surface of the substrates. With this data it was possible to calculate the retained ion dose for nitrogen implanted in silicon samples placed on top of dielectric substrates for different experimental conditions. Simulation results were then compared with experimental results. It was possible to conclude that polymeric materials behave differently of ceramic materials during PIII. It was also observed that high-voltage pulse parameters have an influence over the charging effects for dielectric substrates, and the retained ion dose, for both dielectric and conductor substrates, having an important influence over the efficiency of the PIII process.
