UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEM PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

  Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais DISSERTAđấO DE MESTRADO OBTIDA POR

  Viviane Lilian Soethe

  DEPOSIđấO DE FILMES METÁLICOS SOBRE POLI (TEREFTALATO DE ETILENO) VIA TRIODO-MAGNETRON-SPUTTERING: INFLUÊNCIA DA CORRENTE E DA VOLTAGEM NAS PROPRIEDADES DOS FILMES.

  Apresentada em 25 / 03 / 2004. Perante a Banca Examinadora: Dr. Luís César Fontana - Presidente (UDESC) Dr. Evandro Luís Nohara (AMR – CTA/ UNITAU) Dr. Argemiro Soares da Silva Sobrinho (UFSC)

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM DISSERTAđấO DE MESTRADO Mestranda: VIVIANE LILIAN SOETHE – Licenciada em Física Orientador: Prof. Dr. LUÍS CESAR FONTANA CCT/UDESC – JOINVILLE DEPOSIđấO DE FILMES METÁLICOS SOBRE POLI (TEREFTALATO DE ETILENO) VIA TRIODO-MAGNETRON-SPUTTERING: INFLUÊNCIA DA CORRENTE E DA VOLTAGEM NAS PROPRIEDADES DOS FILMES.

  DISSERTAđấO APRESENTADA PARA OBTENđấO DO TễTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. LUIS CESAR FONTANA.

  Joinville 2004

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT COORDENAđấO DE PốS-GRADUAđấO - CPG “Deposição de filmes metálicos sobre poli (Tereftalato de Etileno) via Triodo- Magnetron-Sputtering: influência da corrente e da voltagem nas propriedades dos filmes”

  por

  Viviane Lilian Soethe

  Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

  MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  na área de concentração " Metais", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

  Dr. Luís César Fontana (presidente)

  Banca Examinadora: Dr. Evandro Luís Nohara

  (AMR/CTA/UNITAU) Dr. Argemiro Soares da Silva Sobrinho

  (UFSC) Dr. Sérgio Henrique Pezzin

  (UDESC)

  FICHA CATALOGRÁFICA NOME: SOETHE, Viviane Lilian DATA DEFESA: 25/03/2004 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 35 – CCT/UDESC FORMAđấO: Ciência e Engenharia de Materiais ÁREA DE CONCENTRAđấO: Metais

  

TÍTULO: Deposição de filmes metálicos sobre poli (Tereftalato de Etileno) via Triodo-

Magnetron-Sputtering: influência da corrente e da voltagem nas propriedades dos filmes.

PALAVRAS - CHAVE: Triodo-Magnetron-Sputtering (TMS), PET, filmes finos, materiais

absorvedores de radiação eletromagnética, caracterização eletromagnética.

  NÚMERO DE PÁGINAS: XVIII , 94 p. CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 4100201600P9 ORIENTADOR: Dr. Luís Cesar Fontana PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Luís Cesar Fontana

MEMBROS DA BANCA: Dr. Evandro Luís Nohara, Dr. Argemiro Soares da Silva Sobrinho, Dr.

  Sérgio Henrique Pezzin

  DEDICATÓRIA

  Dedico este trabalho e todo o meu esforço a meus pais Lúcia e Valdevino, por todo apoio, carinho e amor dados a mim durante esta caminhada e ao meu namorado Abel, por todo amor, dedicação e compreensão!

  

AGRADECIMENTOS

‰

  Agradeço acima de tudo a Deus, por ter me dado a vida e a capacidade de pensar, refletir, compreender e indagar o mundo que me cerca, tornando-me admiradora de suas criações.

  ‰

  Ao Abel, que sempre soube me ouvir, me alegrar, me incentivar e com seu modo todo especial de ser, me fazer acreditar que tudo é possível e que lutar vale a pena.

  

‰ Aos meus pais por todo o apoio, amor e carinho, além de todas as palavras de incentivo

e conforto dados a mim durante este percurso. ‰

  Ao meu irmão Volnei, a minha cunhada Maria Aparecida e ao meu sobrinho Ghabriel, que perto ou longe sempre estiveram presentes nesta caminhada.

  ‰

  Ao Professor e amigo Dr. Luís César Fontana, que com sua amizade e dedicação soube orientar e incentivar a realização deste trabalho.

  ‰

  A minha grande amiga Márcia que foi um presente que o mestrado me trouxe, a qual agradeço imensamente pelos momentos de alegria, pelas horas de descontração e por todo o carinho e amizade dedicada.

  ‰

  Aos outros presentes do mestrado: Udo, Romário, Luciano, Valmir, Gilmar, Carmeane e demais colegas do curso. Estes os quais, de uma forma ou de outra sempre terei um grande carinho e admiração, e sempre estarão presentes no meu coração.

  ‰

  A Soninha e a Déia, por todo carinho, compreensão e apoio durante estes anos, que sem dúvida contribuíram em muito para o sucesso deste trabalho.

  ‰

  Aos meus tios e primos, cuja lista é imensa mas que possuem um lugar muito especial em meu coração, em especial a: tia Hilda, tio Simão, tia Rose, tio Miguel, e meus primos Maicon e Fabiano.

  ‰

  A todos os meus amigos e alunos do SENAI Joinville, por terem sempre me apoiado e me incentivado para a chegada até aqui, em especial á Márcia, Solange, Simone, Vânia e Moisés.

  

‰ Aos alunos do Laboratório de Plasma, que sempre me apoiaram e com um olhar e um

  sorriso sincero sempre buscaram me alegrar e me erguer, favorecendo minha chegada até aqui, em especial: César, Júlio, Fernando, Lilian, David, Thomaz, Fabiane e Patrícia.

  ‰

  Aos meus amigos Jorge, Marisa, Dna.Hilda, que ao meu lado sempre me ajudaram e me apoiaram.

  ‰

  As minhas grandes amigas Rafaela Leoni e Tatiana C. Salvador, que mesmo longe sempre estiveram perto e que de uma forma ou de outra se fizeram presentes durante esta caminhada.

  ‰

  Á todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de alguma maneira contribuíram para a realização deste trabalho.

  ‰

  Á todos os professores do Departamento de Física, em especial ao professor Júlio Pureza, por todo carinho e por todo o apoio dado desde o início até o término deste trabalho.

  ‰

  Aos bolsistas dos laboratórios do Departamento de Engenharia de Materiais, pelas realizações das análises.

  ‰

  Aos funcionários da Oficina Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica pelo pronto auxílio fornecido durante a elaboração de equipamentos, em especial ao João e ao professor Thorrens.

  ‰ Á coordenadoria da Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. ‰

  Á Professora Dra. Mirabel Cerqueira Rezende pela amizade e pelas contribuições fornecidas ao trabalho.

  ‰

  Ao Professor Dr. Evandro Luís Nohara pela amizade, contribuições e por todo o esforço realizado para obtenção dos resultados de atenuação de microondas.

  ‰

  Ao Professor Dr. Argemiro Soares da Silva Sobrinho pela amizade e por todas as contribuições fornecidas ao presente trabalho.

  ‰

  Ao Centro Técnico Aeroespacial (CTA), em especial á divisão de materiais (AMR) do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) e toda a equipe de funcionários e técnicos, pela disponibilidade dos laboratórios de caracterização e pela realização de ensaios que muito enriqueceram o presente trabalho.

  ‰

  Ao Laboratório de Plasma da UDESC que possibilitou a realização deste trabalho, disponibilizando todos os equipamentos e suprimentos necessários para as deposições.

  ‰ Á Dupont ® pela doação dos filmes de Mylar. ‰

  Ao Centro de Ciências Tecnológicas, e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infra-estrutura oferecida.

  ‰ Á Capes pelo suporte financeiro oferecido.

  SUMÀRIO

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  LISTA DE FIGURAS

  

  

Figura 2.14 : Gráfico representativo do Módulo de Young para os diferentes materiais utilizados pela indústria. ......................................................................................................... 28

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  LISTA DE TABELAS

  

Tabela 4.4 realizadas com corrente constante (0,5A), durante 5 minutos. ..............................63

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  XVII LISTA DE SÍMBOLOS Ar – Argônio.

  Cr – Cromo. Cu – Cobre. Al – Alumínio. B – Campo magnético. E – Campo elétrico. e – carga elétrica elementar. Rd – Razão de deposição. SC – Sputtering convencional ou diodo de corrente contínua. MSC – Magnetron sputtering convencional. TMS - Triodo magnetron sputtering convencional. LCM – Livre caminho médio. PVD – Physical vapour deposition. CVD – Chemical vapour deposition. DC – Tensão contínua. SCCM – Standard Cubic Centimeters per Minute AISI – American Iron and Steel Institute.

  PET – poli (tereftalato de etileno) T- Temperatura TiN- Nitreto de Titânio ZrN- Nitreto de Zircônia V- Voltagem do alvo i- Corrente do Alvo d - Distância Tela/alvo t a

  / ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas MEV- Microscópio Eletrônico de varredura TGA- Análise Termogravimétrica DSC- Calorimetria Diferencial de Varredura RF- Radio Freqüência AFM- Microscopia de Força atômica

  RESUMO

  O Triodo Magnetron Sputtering (TMS) é um sistema de deposição de filmes caracterizado pela introdução de um terceiro eletrodo, que é constituído de uma tela móvel aterrada, situado entre o catodo (alvo) e o anodo (substrato). Esta tela tem o papel de capturar elétrons frios (menos energéticos) da descarga. Alterando-se a posição relativa desta tela ao catodo, alteram-se algumas das características do plasma como, por exemplo, a tensão de ignição. Baseado nisso, realizou-se um estudo investigando-se a relação entre a corrente e a voltagem do alvo alterando-se a posição relativa da tela ao alvo. Por meio deste estudo, pode-se verificar que é possível tornar independentes estes dois parâmetros de deposição para uma determinada faixa de trabalho. Devido ao controle destes parâmetros, verificou-se que é possível depositar filmes metálicos de qualidade, utilizando um equipamento de TMS sobre substratos poliméricos. Através da escolha adequada das condições de deposição, baseadas no estudo realizado anteriormente, realizou-se a deposição de filmes de Al sobre um substrato de poli(Tereftalato de Etileno). Pode-se observar por meio deste estudo que estes filmes apresentam-se estruturalmente íntegros e com pouca quantidade de defeitos. As deposições de filmes de Al sobre substratos poliméricos mantendo-se a corrente constante (0,5A) indica que a mudança na voltagem altera principalmente a energia das partículas que se depositam, não modificando de forma significativa as propriedades superficiais dos filmes. Pode-se observar ainda que a razão de deposição não sofre alterações significativas com o aumento da voltagem, o que é evidenciado pela pequena elevação da temperatura sofrida pelas amostras. Os filmes de Al depositados sob voltagem constante (-700V) apresentaram topografia superficial distinta em função da corrente utilizada. Pode-se verificar que a variação da corrente influencia de forma significativa a estrutura final do filme depositado. Além disso, este parâmetro está diretamente relacionado com a razão de deposição, sendo este o fator responsável pelo aumento na temperatura da amostra devido a elevação no calor de condensação dos átomos que se depositam. Pode-se desta forma, dizer que a temperatura da amostra é mais influenciada pela corrente que pela voltagem do alvo. Assim, é possível observar que deposições realizadas sob corrente constante provocam menor agressão ao polímero e ao filme depositado que aquelas realizadas sob voltagem constante. Por meio do TMS, é possível controlar-se as condições de deposição e conseqüentemente a razão de deposição de maneira precisa, o que proporciona um controle da camada depositada. Isto faz deste método uma alternativa eficiente para a deposição de filmes metálicos, passível de ser utilizado em muitos ramos de pesquisa. Atentando-se a este fato, realizou-se uma aplicação do estudo dos filmes depositados sobre polímero, alterando-se a corrente ou a voltagem do alvo independentemente. Para isso depositaram-se filmes de Al e Inconel (liga de níquel cromo) sobre Mylar®, um tipo de PET (poli (Tereftalato de etileno)), com a finalidade de investigar o comportamento deste filme quanto as suas características de atenuação de energia eletromagnética incidente. Esta aplicação é bastante vasta envolvendo equipamentos aeronáuticos, radares, e outros. Conhecida a razão de deposição da condição utilizada, pode-se alterar a espessura do filme obtido variando-se o tempo de deposição. Assim, fez-se um estudo da influência da espessura da camada e do material que constitui o filme (Al ou Inconel) nas características de atenuação de energia da onda eletromagnética. De acordo com os estudos, pode-se verificar que a espessura da camada depositada, e o material do filme influenciam nas características atenuadoras, sendo que os filmes de Al e Inconel depositados apresentaram uma atenuação de no máximo 13% . Isto nos leva a crer que filmes metálicos podem ser utilizados com materiais absorvedores de radiação eletromagnética, desde que se conheça a espessura ideal de trabalho e outras características intrínsecas do mesmo.

  Palavras chaves: Triodo-Magnetron-Sputtering (TMS) , PET, filmes finos, materiais absorvedores de radiação eletromagnética, caracterização eletromagnética.

  ABSTRACT

  The Triode Magnetron Sputtering (TMS) is a system of depositing film characterized by the introduction of a third electrode, which is made up of a grounded mobile screen, located between the cathode (target) and the anode (substrate). The purpose of this screen is to capture cold electrons (at a lower energy level) of discharge. Changing its relative position to the cathode, some of the characteristics of the plasma are changed such as the ignition tension. Based on this, a study was made investigating the relationship between the current and the target voltage by changing the positioning of the screen to the target. Through this study, we could verify that, it’s possible to work independently with either of above parameters of deposition. As a result of controlling these parameters, we could verify that the deposition of quality metallic films is possible, by using a TMS equipment on polymeric substrates. By choosing the suitable conditions of deposition, based on a preliminary study, a deposition of Al film on a poly(ethylene terephthalate) substrate was made. It was observed through this study that these films prove to be structurally whole and with few faults. The maintenance of a constant current (0,5A) fir deposition of Al films on polymeric substrates indicates that the change in voltage alters mainly the deposition energy particles, not significantly the superficial property of films. We can still observe that the rate of deposition does not alter significantly with voltage increase, what is evidenced by the little temperature increase in the samples. The Al films deposited submitted to a constant voltage (-700V) displayed a distinct superficial topography due to the current used. The current variation influence was verified notably for the final structure of the deposited film. Besides this, this parameter is directly related to the deposition rate, this being responsible for a temperature increase of the sample caused by increase of condensation heat of deposited atoms. Thus we can say that the sample temperature is more influenced by target current than by target voltage. So, we can observe that depositions made under constant current cause less aggression to polymer and to deposited film than those made under constant voltage. Through TMS, it is possible to control deposition condition and consequently the deposition rate in an accurate way. This makes this method an efficient alternative to metallic film deposition. In view of above, an application of the study of deposited film on polymers was made, altering either the current or voltage of target. Films of Al an Inconel were deposited on Mylar® , a type of PET, with the purpose of investigating film behavior concerning its attenuation characteristics of incident electromagnetic energy. This application range is very wide, including aerospace equipment, radars an so on. When the rate of deposition for the condition used is known, the thickness of film can be altered by varying the time of deposition. A study was conducted of the influence of layer thickness and film material (Al or Inconel) on the characteristics of attenuation of electromagnetic wave energy. According to studies, it was observed that deposited layer thickness and film material influenced attenuating characteristics, so that Al and Inconel deposited films showed a maximum 13% attenuation. This leads us into believing that metallic films can be used with electromagnetic radiation absorbing materials, as long as ideal work thickness and its intrinsic characteristics are known.

  

Key-words: Triode-Magnetron-Supttering (TMS), PET, thin films, electromagnetic

radiation absorbing materials, electromagnetic characterization.

01- Introdução

  Capắtulo 1 - INTRODUđấO

  A busca da ciência pelo desenvolvimento de materiais que proporcionem concomitantemente excelentes propriedades mecânicas com amplas aplicações e menor agressão ao meio ambiente, torna alguns tipos de polímeros atraentes do ponto de vista tecnológico. A metalização de materiais poliméricos é atualmente uma das técnicas que vem se destacando em meio a outras por proporcionar melhoria nas características superficiais dos polímeros. Um exemplo desta vantagem é o aumento da resistência mecânica e térmica do polímero, por ser uma técnica pouco agressiva ao substrato e ao meio ambiente, por não proporcionar mudanças estruturais do material e por apresentar muitas aplicações tecnológicas. A substituição de displays de computadores, calculadoras, laptops e agendas eletrônicas por polímeros metalizados é um exemplo destas aplicações. Estudos mostram que muitas investigações têm sido feitas para a utilização de polímeros metalizados no recobrimento de equipamentos aeroespaciais em órbita na Terra com a finalidade de reduzir a erosão provocada pela ação da radiação ultravioleta proveniente do sol e do oxigênio atômico [UEDA et al, 2003]. A indústria automotiva também possui interesse neste tipo de processo, principalmente para a melhoria superficial das peças, elementos de máquinas e blocos de freios. Pode-se concluir que este processo é promissor e que ganha cada dia mais espaço na indústria e na ciência [FORTUNATO et al, 2002].

  Existem vários processos de metalização, dentre os quais pode-se destacar: o processo CVD (chemical vapour deposition) e o processo PVD (physical vapour deposition). No processo PVD a geração e o transporte de vapores a partir da fonte geradora até o substrato é realizado por meio físico. Estes processos ocorrem a baixas pressões. Podem-se obter as espécies vaporizadas do material sólido por meio de evaporação térmica ou através do bombardeamento de partículas energéticas, sendo o primeiro caso chamado de evaporação a vácuo e o segundo de sputtering. A produção do filme nestes processos se dá por meio da condensação de unidades atômicas ou

01- Introdução

  do substrato por meio do bombardeamento deste por partículas energéticas, sendo que para a deposição sobre substratos sensíveis a elevação da temperatura, como substratos poliméricos, utiliza-se o magnetron sputtering. Esta técnica possui algumas vantagens com relação às demais, dentre as quais podemos destacar: simplicidade do equipamento, altas taxas de deposição, menores pressões de trabalho, maior eficiência, menor bombardeamento do substrato por partículas energéticas, possibilitando a deposição de filmes sobre substratos sensíveis a temperatura, maior densidade do filme depositado, boa aderência e baixo custo de manutenção. A fim de aumentar a eficiência do processo, FONTANA et al (1997), inseriu um terceiro eletrodo ao aparato do magnetron sputtering, constituindo o Triodo Magnetron Sputtering (TMS). Neste esquema, uma tela de aço inoxidável introduzida entre o catodo e o anodo, recolhe os elétrons frios do plasma, aumentando com isso a eficiência do mesmo. O presente estudo tem como objetivo principal verificar o comportamento da voltagem e da corrente do alvo através da alteração da distância entre a tela e o magnetron, observando a faixa de trabalho na qual é possível manter estes dois parâmetros independentes. Por meio do conhecimento deste comportamento pode-se controlar, de maneira mais precisa, as condições de deposição em termos da energia dos átomos que se depositam e da razão de deposição. Este controle se faz necessário quando se deseja recobrir materiais poliméricos, que possuem sensibilidade a elevação da temperatura. O interesse pelo recobrimento destes materiais reside no fato de que os polímeros apresentam amplas aplicações tecnológicas devido principalmente as suas características de leveza, maleabilidade, isolação térmica e elétrica. Baseado no estudo realizado anteriormente, verificou-se a influência da voltagem e da corrente, independentemente, na estrutura final de filmes de Al depositados sobre substrato polimérico constituído de PET. Além disso, baseado em um estudo realizado por BLAT et

  

al em 1998, através da possibilidade do controle dos parâmetros de deposição e

  conseqüentemente da espessura do filme depositado, depositou-se filmes de Al e Inconel (liga de níquel e cromo) com diferentes espessuras, verificando a influência da espessura do filme e do material que o constitui nas características de atenuação da energia da onda eletromagnética na faixa de freqüências compreendidas entre 8 e 12GHz.

  02 –Revisão Bibliográfica Capítulo 2 ESTUDO BIBLIOGRÁFICO

  Este capítulo destina-se a uma abordagem geral sobre os conceitos relacionados com a física de plasmas e deposição de filmes finos. Far-se-á um estudo dos processos de deposição via sputtering, tais como magnetron sputtering, sputtering convencional, entre outros, justificando a escolha do processo utilizado no decorrer do trabalho. Além disso, discutir-se-á sobre algumas características dos polímeros, material este utilizado como substrato de deposição, assim como as suas propriedades de atenuação da energia da onda eletromagnética (8-12GHz), isto é a sua capacidade em reduzir o coeficiente de reflexão de um metal (100% refletor), demonstrando sua importância tecnológica, suas principais aplicações e evidenciando assim, a importância de tal pesquisa no âmbito cientifico tecnológico.

2.1. O que é Plasma?

  Pode-se considerar o plasma como um meio eletricamente neutro, constituído de íons positivos e elétrons em um mar de átomos neutros, como representado esquematicam

  

Figura 2.1: Esquema representativo do plasma com seus constituintes [CHAPMANN,

  1980]

  02 –Revisão Bibliográfica

  Os mecanismos essenciais no plasma são excitação e relaxação, ionização e recombinação [CHAPMANN, 1980]. O grau de ionização pode variar de 100% a valores

  • 4 -6

  muito baixos (da ordem de 10 a 10 para gases parcialmente ionizados). O plasma é conhecido também, como o quarto estado da matéria e consiste da maior parte da matéria visível existente, uma vez que todo o conteúdo estelar é por ele constituída [BOGAERTS- et al , 2002].

  

Figura 2.2: Características corrente-voltagem de uma descarga luminescente em gases

  [Vossen - Kern, 1991] Comumentemente classificado como uma descarga elétrica em gases, o plasma pode ser gerado em distintos regime comportamentos voltagem versus corrente (V x i) em uma descarga luminescente. O plasma é gerado pela aplicação de uma tensão dc entre dois eletrodos imersos num gás a baixa pressão. Cada regime da descarga possui características específicas da relação entre corrente e voltagem sendo que, para a produção de filmes, com o uso do processo de sputtering utiliza-se o regime de descarga luminescente anormal. Neste tipo de descarga, um aumento na tensão produz um aumento correspondente na corrente, apresentando características resistivas [SPALVINS, 1986].

  Ao atingir-se um valor muito elevado de voltagem (limitado pela impedância de saída da fonte de potência) entra-se num regime de descarga indesejável, nomeado regime de arco, no qual a corrente aumenta rapidamente com um decréscimo abrupto da voltagem. Esta região apresenta características de resistência negativa, o que pode danificar o cátodo e equipamentos eletrônicos de medida.

  02 –Revisão Bibliográfica

  Quando uma diferença de potencial suficientemente grande (centenas de volts) é aplicada entre dois eletrodos imersos em um gás a baixa pressão, ocorre uma aceleração de partículas carregadas que dão origem à descarga. Ao aplicar-se esta diferença de potencial, as partículas carregadas, existentes no meio gasoso, são aceleradas pelo campo elétrico entre os eletrodos, colidindo com as partículas de gás presentes na descarga. Esta colisão resulta em importantes fenômenos, dentre os quais podemos destacar as colisões inelásticas que geram excitação e ionização. As colisões que resultam em excitação, seguidos de relaxações com a emissão de radiação luminosa, são responsáveis pelo nome característico da descarga luminescente. O processo de ionização é responsável pela criação de novos elétrons e íons que são novamente acelerados pelo campo elétrico e são responsáveis por novas ionizações e pela manutenção da descarga. A Figura 2.3 mostra esquematicamente esse processo de geração e manutenção do plasma.

  Figura 2.3: Esquema representativo dos fenômenos ocorridos na geração e manutenção de

  descarga dc em um gás a baixa pressão. Quando uma diferença de potencial é aplicada entre dois eletrodos, o gás, como por exemplo o argônio, é ionizando. Estes íons ao chocarem-se com o alvo podem ejetar elétrons do alvo, chamados de elétrons secundários, sendo estes os responsáveis pela manutenção da descarga [BOGAERTS et al, 2002].

  A tensão de ignição, conhecida como

  V B , depende da pressão do gás de trabalho e

  da distância entre os eletrodos. Na Figura 2.4 apresenta-se um gráfico dessa dependência, tensão em função de p.d, onde p.d é o produto entre a pressão e distância dos eletrodos, conhecida como Lei de Paschen.

  02 –Revisão Bibliográfica

Figura 2.4: Lei de Paschen, relacionando a tensão de ignição com o produto pressão

versus separação dos eletrodos.

   a tensão de ignição com dois dos parâmetros mais importantes a serem analisados para a produção da descarga, a pressão e a separação catodo/anodo. Segundo esta lei, se a pressão do gás de trabalho for baixa, e a separação catodo/anodo for pequena, os elétrons secundários não terão atingido um número suficiente de colisões com outras partículas da descarga antes de se chocarem com o anodo, diminuindo assim, o índice de ionização e formação de espécies quimicamente ativas. Ao contrário, se a distância entre os eletrodos e a pressão forem grandes o livre caminho médio dos elétrons diminui de forma que não adquirem energia suficiente entre dois choques sucessivos para promover ionização. Dessa forma é necessário aumentar a tensão para compensar essa perda de energia.

2.2. Deposição de filmes finos por sputtering

  A técnica de deposição de filmes finos por Sputtering surgiu na década de 70 e vem se sobressaindo em relação às outras, tais como CVD, eletrodeposição e evaporação. Essa técnica apresenta várias vantagens, dentre elas a elevada razão de deposição devido, principalmente, ao confinamento magnético do plasma nas proximidades do alvo [BILAC - FARAH, 1991]. Outras vantagens são a simplicidade de equipamentos, maior densidade do material depositado, aderência e custo reduzido de manutenção. Além disso é possível a deposição de diferentes ligas metálicas bem como de compostos reativos, proporcionando

  02 –Revisão Bibliográfica

2.3 O processo de sputtering

  O fenômeno de Sputtering foi primeiramente observado no século XIX [GROVE, 1852] e sua utilização inicial como processo de deposição de filmes data de 1877 [WRIGHT, 1877].

  No Sputtering, o alvo funciona como o cátodo no circuito e tem alta voltagem negativa DC a ele aplicada. O substrato serve como o anodo. Um gás inerte é colocado na câmara de tratamento a uma pressão específica. Ao aplicar-se uma tensão, surge uma pequena corrente elétrica, devido a presença de íons e elétrons. Isso provoca a aceleração dos elétrons, que acabam por colidirem com os átomos do gás inerte, ionizando alguns destes átomos, produzindo íons e mais elétrons, responsáveis pela manutenção da descarga [BILAC e FARAH, 1991]. O meio no qual ocorrem as reações é denominado plasma. Assim, as partículas carregadas também são aceleradas pelo campo elétrico, sendo que os elétrons dirigem-se para o anodo e os íons positivos para o cátodo, gerando assim uma corrente elétrica no circuito.

  Ao atingir o cátodo, os íons arrancam alguns átomos do alvo. Estes átomos não têm direção preferencial espalhando-se por toda a câmara. Porém, alguns destes átomos atingem o substrato, ali se condensam e formam o filma do princípio básico de sputtering, com analogia a um jogo de bilhar atômico, onde a bola incidente representa o íon e os demais os átomos do alvo, demonstrando assim o comportamento não direcional dos átomos ejetados deste [CHAPMANN, 1980].

  Bola Tacada (Bombardeamento Alvo (Substrato) Iônico) Situação após bombardeamento iônico

Figura 2.5: Analogia de um jogo de bilhar com o comportamento dos átomos ejetados do

  alvo durante o bombardeamento iônico [CHAPMANN, 1980] A este processo dá-se o nome de sputtering, devido ao arrancamento e subseqüente deposição dos átomos. A forma de deposição se dá por um processo físico, através do

  02 –Revisão Bibliográfica

  transporte por feixes moleculares, caracterizando este processo como PVD (Phisical Vapour Deposition).

  Alguns fenômenos característicos do processo de sputtering podem ser visualizados na Figura 2.6.

  Íon Íons e nêutrons Incidente refletidos

  • Elétrons Secundários Átomos arrancados Superfície (Alvo) Possíveis mudanças

  estruturais O bombardeamento iônico pode gerar implantação Colisão em O átomo pode Resultar na ejeção de ou seqüência: terminar dentro do átomos do alvo alvo (sputtering)

Figura 2.6: Fenômenos atômicos decorrentes da incidência dos íons no alvo durante o

processo de sputtering [CHAPMANN, 1980].

  A energia do íon e a natureza do alvo são determinantes para a ocorrência destes fenômenos, e dentre elas destacam-se: [ROHDE e MUNZ, 1991] Reflexão de íons; - Ejeção de elétrons do alvo devido a colisões iônicas, produzindo elétrons - secundários, responsáveis pela manutenção da descarga.

  Penetração dos íons no alvo, sendo este fenômeno conhecido como implantação - iônica. Usa-se este princípio na microeletrônica principalmente.

  02 –Revisão Bibliográfica

  Rearranjo na estrutura cristalina do material devido ao impacto, podendo - provocar mudança na posição dos átomos na rede, criação de vacâncias e defeitos cristalinos. Colisão em cadeia do íon com os átomos do alvo, podendo ocorrer ejeção de - alguns destes átomos, sendo este especificamente o fenômeno de sputtering.

  Um parâmetro importante nos processos de sputtering é o ganho ou rendimento (Yield) do material, que é definido pelo número de átomos ejetados da superfície do alvo por íon incidente. O rendimento depende de alguns fatores como:

  Características do material do alvo, como por exemplo, energia de ligação e - natureza cristalina. Energia e ângulo de incidência dos íons que atingem a superfície do alvo. - Massa do íon incidente. -

  O rendimento do sputtering é expresso em função da energia do íon incidente (E) e das massas atômicas do íon e do alvo, e pode ser encontrado utilizando-se a Equação 01, para valores de energia menores que 1kev.

  3 4 m m α 1 2 E

  

Y ( E ) = (01)

2 2

  • 4 ( m m ) U π
  • 1 2 Onde: Y(E): Rendimento do sputtering (átomo/íon) m

      1 = massa do íon incidente

      m

      2 = massa do átomo do alvo

      = energia cinética do íon incidente

      E

      U = energia de ligação do átomo da superfície Para valores de energia do íon incidente, menores que a energia de ligação dos

      átomos do alvo, o valor do rendimento é nulo até que seja alcançada uma energia mínima,

      02 –Revisão Bibliográfica

      da rede cristalina para que estes possam ser ejetados do alvo. Também, a energia com que o átomo arrancado do alvo abandona o mesmo, é proporcional à energia do íon incidente. Cada tipo de material possui um comportamento característico para este rendimento que pode ser me

      

    Tabela 2.1: Rendimento do Sputtering (Yield) de elementos em descargas com diferentes

    gases a -500eV [ROHDE e MUNZ, 1991].

      Elemento Íon

      He Ne Ar Kr Xe Al 0,16 0,73 1,05 0,96 0,82

      Ti 0,07 0,43 0,51 0,48 0,43 Cr 0,17 0,99 1,18 1,39 1,55 Fe

      0,15 0,88 1,10 1,07 1,00

      Ni 0,16 1,10 1,45 1,30 1,22 Zr 0,02 0,38 0,65 0,51 0,58

      Mo 0,03 0,48 0,80 0,87 0,87 Ag 0,20 1,77 3,12 3,27 3,32

      Ta 0,01 0,28 0,57 0,87 0,88 W 0,01 0,28 0,57 0,91 1,01

      Au 0,07 1,08 2,40 3,06 3,01 Th 0,00 0,28 0,62 0,96 1,05

      U - 0,45 0,85 1,30 0,81 No caso do Al, é possível concluir que para cada íon de argônio incidente, existe a ejeção de um átomo de Al do alvo. Pode-se dizer, dessa forma que a razão de deposição é elevada se comparada com outros elem

      A Figura 2.7 mostra o comportamento do rendimento (Yield) em função da energia dos íons incidentes para um alvo de alumínio. Pode-se observar pelo gráfico que o rendimento para o Al é linear para uma determinada faixa de energia, ou seja, quanto maior for a energia do íon incidente, maior a quantidade de átomos ejetados da superfície do alvo. Para valores superiores de energia, observa-se que existe implantação dos átomos incidentes, devido a sua elevada energia cinética e devido a isto, ocorre uma redução no rendimento.

      02 –Revisão Bibliográfica

    Figura 2.7: Variação do rendimento em função da energia do íon incidente para átomos de

    alumínio bombardeados com argônio [CHAPMANN, 1980].

      Vários sistemas de Sputtering são conhecidos, dentre os quais podemos citar: Sputtering Convencional (SC), Magnetron Sputtering Convencional (MSC), Triodo Magnetron Sputtering (TMS) e Sputtering via radio freqüência.

    2.3.1 Sputtering Convencional

      O sputtering convencional é um processo de deposição relativamente simples, utilizando corrente contínua com dois eletrodos efetuado numa câmara a baixa pressão

    • 2 -1 (10 a 10 Torr) [BILAC- FARAH, 1991].

      Neste processo o material do qual se deseja fazer o sputtering (alvo) é o cátodo do sistema. O substrato, no qual se deseja realizar a deposição, é o ânodo, situado a uma distância de alguns centímetros do cátodo. Produz-se o plasma por meio da aplicação de uma tensão entre os eletrodos (da ordem de milhares de volts) permeados por um gás inerte

      02 –Revisão Bibliográfica

      a baixa pressão. Desta forma, os íons positivos produzidos na descarga são acelerados em direção ao alvo (catodo) e podem arrancar átomos do mesmo devido a transferência de momento no choque. Alguns átomos chegam ao substrato, lá condensam-se e formam o filme.

      A pressão do gás de trabalho (geralmente argônio) usada neste sistema é relativamente alta, tornando o livre caminho médio dos átomos pequeno. Assim, os átomos arrancados do alvo, por sputtering, perdem energia no percurso alvo-substrato (devido aos sucessivos choques com átomos do gás de trabalho) e atingem o substrato com baixa energia cinética. Dessa forma a ativação da difusão superficial dos átomos adsorvidos é pequena, prejudicando a densificação e a aderência do filme ao substrato.

      Além disso, os elétrons secundários gerados pela própria descarga são orientados pelo campo elétrico na direção do substrato. O bombardeamento do substrato por elétrons altamente energéticos gera aquecimento local deste, restringindo os tipos de materiais possíveis de serem recobertos por meio desta técnica.

      Os filmes depositados por sputtering convencional podem ser de uma grande variedade de materiais, como por exemplo, os metais e suas ligas. A única condição imposta é que o material do alvo tenha uma boa condutividade elétrica e térmica. Neste processo, de 75 a 95% da energia da fonte de alimentação do plasma é dissipada na forma de calor na água do circuito de refrigeração do alvo. Este aquecimento é devido ao intenso bombardeamento iônico sobre o alvo.

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