Os átomos são atraídos para a superfície por momentos de dipolos e quadrupolo elétrico de átomos superficiais e perdem sua energia em pouco tempo, se a energia cinética não for muito alta (AHMED, G., 1987). Esses átomos, ao chegarem à superfície, cedem (2.8)
energia para outros da rede cristalina e ficam fracamente ligados à mesma. A adsorção de átomos sobre o substrato favorece a posterior difusão superficial desses, trocando energia e reagindo com outras espécies adsorvidas. Neste estágio da deposição, os átomos podem voltar ao plasma por pulverização ou serem aprisionados em sítios de baixa energia. Esse processo ocasiona a formação de “ilhas” de deposição, que crescem para formar um filme contínuo. Na Fig. 2.8 é ilustrado o mecanismo de formação do filme durante o período de deposição, sofrendo bombardeamento de espécies energéticas do plasma que transfere energia, momento e carga para a superfície (AHMED. G., 1987).
Figura 2.8: Esquema demonstrativo das etapas de formação de filme crescido por plasma. Na etapa (1) tem-se o aumento da mobilidade na superfície, na etapa (2), a nucleação, o crescimento dos núcleos e aceleração na fase inicial de formação do filme, na etapa (3) criam ou ativam locais que estimulam locais de nucleação; na etapa (4) são desenvolvidas as orientações de núcleo em um único cristal aumentando a concentração de pequenos centros de condensação; na etapa (5) cria-se um efeito de recristalinização dos núcleos ativados pela energia de íons incidente, na etapa (6) tem-se o coalescimento do núcleo, dando origem a um filme uniforme. Substrato Filme contínuo Substrato Átomos incidindo Substrato Nucleação Substrato Agregação Substrato Formação de ilha Migração, colisão e combinação de átomos.
Substrato 1
2
3 4 5 6O processo é, dessa forma, controlado por muitos parâmetros importantes como rugosidade da superfície, temperatura do substrato durante a deposição, taxa de deposição, ângulo de incidência do fluxo de evaporação e pressão do gás. Por exemplo, numa superfície lisa, o crescimento preferencial de uma área pode existir como resultado das diferenças de mobilidades resultantes da orientação de graus. Esse crescimento preferencial conduz a uma orientação de grão dominante, resultando na variação da rugosidade com a espessura do filme (DIRKS; LEAMY, 1977). Por outro lado, a temperatura do substrato afetará a morfologia através do aumento da difusão dos átomos adsorvidos, permitindo que ocorra recristalização (VINCETT et al., 1977; WIEDER, 1970). Esses efeitos conduziram Movchan e Demchishin (1969) a desenvolver um modelo de zona de estrutura de materiais depositados a diferentes temperaturas. O modelo que é mostrado na Fig. 2.9, envolve a formação de três zonas que são determinadas pela relação da temperatura de superfície do substrato (T) para o ponto de fusão do material depositado (Tm). Zona 1 acontece para T/Tm < 0.3, quando a difusão de átomos não é suficiente para preencher os espaços vazios, resultando numa estrutura de coluna com baixa densidade. As colunas individuais são policristalinas e, normalmente, com tamanho de grão pequeno. A superfície, geralmente, é arredondada. Zona 2 acontece na zona (0.3 < T/Tm < 0.5), na qual a difusão domina e a estrutura de coluna consiste em grãos maiores com limites de densidade mais altos entre as colunas. A morfologia de superfície do material da zona 2 é, geralmente, mais regular que o material da zona 1. A superfície tem uma aparência lisa. Zona 3 acontece na região (0.8 < T/Tm < 1) e consiste em grãos quebrados com uma superfície luminosa. A difusão da propriedade do material e recristalização domina nessa zona. Nela, a estrutura e propriedades correspondem a um metal completamente recozido.
Figura 2.9: Modelo de crescimento por zona de camada proposta por Movchan e Demchishin (1969) FONTE: Ion Plating Technology Pag. 114.
Por outro lado, Sanders (1971) sugeriu cinco regiões baseando-se na classificação dos processos físicos dominantes. As três mais baixas são semelhantes à Mavchan e Demchishin; na zona 1 (T/Tm < 0.1), a sombra domina; na zona 2 (0.1 < T/Tm <0.3) a difusão domina a superfície; na região 3 (0.3 <T/Tm < 1) o comportamento da difusão é significativo. As regiões de T/Tm mais altas recorrem à condensação líquida.
Em mais um estudo, (THORNTON et al, 1977) adicionou um eixo para a pulverização do gás argônio (VINCETT et al., 1977), mostrando os efeitos de temperatura e pressão de argônio em um diagrama tridimensional ilustrado na Fig. 2.10 e introduziu uma nova zona T entre as zonas 1 e 2. Assim, na zona pronunciada 1, a estrutura é promovida por aspereza do substrato e pressão de argônio alta. A zona de transição T consiste em uma ordem densa de grãos fibrosos pobremente definidos sem limites de vácuo. A zona 2 consiste em grãos de coluna que têm superfícies altamente faceadas. A T/Tm é alta e a superfície é lisa, com
contorno granular de encaixe. A zona 3 consiste em estrutura de grão recristalizado e é caracterizada através de processos de difusão do substrato.
Figura 2.10: Modelo de estrutura de zona para crescimento de camada proposto por Thorton para camada de sputtered Thornton, 1974. FONTE: The Material Science of Thin Films Pag.
224.
Vários são os métodos para deposição por plasma. Eles são distribuídos em diferentes famílias que podem estar associadas com a energia das partículas, aplicação, semelhança de coeficiente, etc. O organograma apresentado na Fig. 2.11 já é bem aceito internacionalmente
Zona 2 Zona T Zona 3 Estrutura do substrato zona 1 Entrada do gás estrutura zona 1 Zona 1 defeito de crescimento Processos obscuro Processos difusivo da superfície Processos difusivo do bulk Diagrama estrutura da composto Recristalização e Crescimento Temperatura do substrato (T/Tm) Pressão do gás inerte (Pa)
(CHAPMAN, B., 1980, AHMED, N. A. G., 1987, ALVES Jr. et al, 1993), (VENTO, R. P., 1988)-(BHUSHAN, B. et al, 1991).
Figura 2.11: Organograma de alguns métodos de deposição de filme por plasma através do método físico e químico.
No processo de deposição físico de vapor (P.V.D.) tem-se o revestimento por Íon Plating e pulverização. Enquanto no primeiro ocorre uma deposição devido à evaporação do material, no segundo processo a deposição é feita pela remoção de átomos (pulverizado) de um alvo. Durante a deposição por íon plating, a superfície do substrato e/ou o material a ser depositado está sujeito a um fluxo de íons e de espécies neutras de alta energia para causar mudanças na região interfacial comparada com a região não bombardeada. Esse processo pode ser dividido em dois métodos: revestimento por descarga luminescente (glow discharge íon plating), processado em baixo vácuo (5 x 10-3 a 10-1 Torr), e deposição por feixe de íons (íon-beam plating), realizado em alto vácuo (10-7 a 10-4 Torr) (ALVES Jr. et al, 1995).
No primeiro caso, a evaporação do material a ser depositado é semelhante à evaporação comum, porém o material evaporado passa por uma descarga elétrica onde se ioniza e segue para o substrato que se encontra com uma diferença de polarização entre 2 e 5 kV; esses vapores são, então, condensados sobre a superfície do substrato que se encontra polarizada negativamente. No caso particular de TiN, os íons de titânio e nitrogênio são criados na região do plasma e recombinam-se para formar TiN. A evaporação do material pode ser feita também por feixe de íons ou feixe de elétrons; nesse segundo caso, a pressão na
Deposição Por Plasma
Íon Plating Pulverização PECVD Polimerização
C. V. D P. V. D
câmara é de alto vácuo e muitos metais e ligas podem ser depositados. Dependendo do tipo de deposição a ser feita, uma grande variedade de fontes de vapor pode ser utilizada, como evaporação por aquecimento, aquecimento por indução rf, feixe de elétrons, cátodo oco, arco catódico e gases. Para os gases, a técnica que faz uso do gás como fonte de vapor na evaporação por feixe de elétrons, chamada de deposição química, permite depositar facilmente material refratário ou grande quantidade de materiais. Devido a essa grande quantidade de opções para evaporação dos diversos tipos de materiais, as configurações desse processo são as mais diversas (ALVES Jr. et al, 1995). Uma configuração bastante utilizada é a de diodo dc, apresentado na Fig. 2.12.
Figura 2.12: Desenho esquemático de um sistema para Íon Plating de diodo planar. Além dessa, outras técnicas como diodo rf, triodo, descarga em cátodo oco e arco catódico, são disponíveis comercialmente.
PLASMA