Aline de Lima Vieira. Deposição de filmes de carbono amorfo hidrogenado por plasma de catodo oco

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1 Alie de Lima Vieia Deposição de filmes de caboo amofo hidogeado po plasma de catodo oco Niteói 9 de setembo de 009

2 Alie de Lima Vieia Deposição de filmes de caboo amofo hidogeado po plasma de catodo oco Dissetação apesetada ao Istituto de Física da Uivesidade Fedeal Flumiese paa a obteção do título de Meste em Física. Oietado: Pofesso Date Feeia Faceschii Filho Uivesidade Fedeal Flumiese Istituto de Física Niteói 9 de setembo de 009

3 Dedicatóia Dedico este tabalho pimeiamete a Deus que me ilumiou e me guiou, e que apesa de todas as tibulações, pemitiu que eu o cocluísse. Dedico também a miha filha ecém ascida Isabela e ao meu imão Eduado Victo que impulsioam a miha vida, pois são as pessoas mais impotates paa mim. Aos meus pais Léia e Eduado que uca me abadoaam em mometo algum e sempe me icetivaam a cotiua. A miha amiga Sabia que coheci o Esio Médio e desde etão está pesete em todos os mometos da miha vida, picipalmete aqueles em que peciso de apoio. Ao meu maido Adeso pelo compaheiismo e po compatilha comigo os mometos mais felizes da miha vida. A todos os meus paetes e amigos que uca me desampaaam.

4 Agadecimetos Ao meu oietado Date Feeia Faceschii Filho pelos esiametos que me passou e pelo apoio que me deu duate todo o tempo. Pelas palavas de icetivo e motivação e pelas bocas que me deu as hoas que foam ecessáias. Ao Gil Capote pela deposição e detemiação da tesão itea o tabalho iicial. Ao Mauício Lepiesi pela detemiação da dueza mecâica. Ao Fabiao Pito Peeia pela detemiação de costates ópticas dos filmes. Ao Hugo Milwad Riai de Lua pela medida da espectoscopia de emissão óptica. A todos os pofessoes que colaboaam com a miha fomação. A todos os fucioáios da UFF que estiveem dispostos a me ajuda quado pecisei.

5 Resumo Este tabalho destia-se a estuda os filmes de caboo amofo hidogeado a-c:h depositados po plasma de catodo oco de placas paalelas em substatos de silício. Os esultados obtidos foam compaados com os filmes de caboo amofo hidogeado a-c:h depositados po PECVD usual (do iglês Plasma Ehaces Chemical Vapo Depositio). Foam feitas medidas de tesão itea, dueza mecâica, ídice de efação, tesão de auto-polaização em fução da potêcia do plasma, taxa de deposição e das lihas dos espectos de emissão óptica do plasma. Os filmes depositados po catodo oco apesetaam uma maio tesão itea, a dueza mecâica ão sofeu alteação cosideável e a cuva do ídice de efação em fução do potecial de auto-polaização apesetou um compotameto muito paecido com a cuva da tesão itea. Paa obte um detemiado potecial de auto-polaização, é ecessáia uma potêcia muito maio quado é utilizado o catodo oco. A cuva da itesidade da liha H α em fução da taxa de deposição é liea e a taxa de deposição paa os filmes depositados po catodo oco e muito maio que paa PECVD usual. Aceditamos que os dados obtidos ocoem pois as deposições po plasma de catodo oco há uma maio desidade do que as deposições po plasma de PECVD usual.

6 Abstact This wo has the object to study the hydogeated amophous cabo films a-c:h deposited by paallel plate hollow cathode plasma i silico substate. The esults obtaied wee compaed with hydogeated amophous cabo films a-c:h deposited by usual PECVD (Plasma Ehaces Chemical Vapo Depositio). Stess, hadess, efactio ídex, self-bias potetial vesus RF powe, depositio ate ad emissio optical spectoscopy wee measued. The stess iceased whe the films wee deposited by hollow cathode, the hadess did t have impotat alteatio ad the efactio idex cuve vesus self-bias potetial peseted a way vey simila the stess cuve. I ode to obtai a detemiate self-bias potetial is ecessay a geate RF powe whe the hollow cathode is used. The H α lie itesity cuve vesus depositio ate is liea ad the depositio ate fo depositio of films by hollow cathode iceased whe compaed whe usual PECVD. We believe that the obtaied esults occu because i depositio by hollow cathode plasma the desity iceases if compaed with usual PECVD plasma.

7 Sumáio Lista de Figuas Lista de Tabelas Itodução p. Filmes de a-c:h Depositados po Plasma p.6. Caboo Amofo Hidogeado p.6. Estutua do Caboo Amofo Hidogeado p.9. Técica de Deposição p..4 Mecaismo de Cescimeto p..5 Evolução da estutua e das popiedades mecâicas com V B p.6.6 Espectoscopia de Emissão Óptica p.6 Pocedimeto Expeimetal p.8. Deposição p.8.. Sistema de Deposição p.8.. Pocedimeto de Deposição p.0. Detemiação de Espessua e Costates Ópticas p.0. Tesão Itea p..4 Espectoscopia de Emissão Óptica p. 4 Resultados e Discussões p. 4. Popiedades Mecâicas p. 4. Costates Ópticas p.5 4. Tesão de Auto-polaização p Espectoscopia de Emissão Óptica p Taxa de Deposição p.8 Coclusões p.40 Apêdice: Detemiação i situ das costates óticas de filmes fios utilizado eflectometia a lase p.4 Refeêcias Bibliogáficas p.57

8 Lista de Figuas. Esquema da técica Ressoâcia Eléto-ciclotôica de Micoodas p.. Esquema da técica Fote de Feixe de Plasmas p.. Esquema das tês fomas de hididização do caboo. p.7. Diagama de fase teáio de ligações em mistuas de caboo amofo hidogeado. p.8. Esquema do potecial um catodo de PECVD usual deto do plasma. p..4 Esquema do potecial ete as placas do catodo oco. p..5 Esquema da eegia potecial ete as placas do catodo oco. p..6 Esquema dos difeetes pocessos evolvidos o mecaismo de cescimeto dos filmes de a-c:h. p..7 Gáfico do cescimeto de um filme de caboo em fução do tempo de exposição ao adical CH e ao hidogêio atômico. p.5. Diagama esquemático do eletodo de catodo oco. p.8. Fotos do sistema de deposição. Vista lateal do catodo oco sem a guada ateada e vista lateal do catodo oco com a guada ateada. p.9. Esquema do sistema utilizado paa medi a espessua e as costates ópticas, i situ, paa catodo simples. p..4 Esquema idetificado a cuvatua do substato depositado po filme de caboo. p. 4. Vaiação da tesão itea de filmes de a-c:h depositados po plasmas de catodo oco, em atmosfeas de CH 4, à pessão de 50 mto. p.4 4. Vaiação da dueza mecâica de filmes de a-c:h em fução de V B depositados po plasmas de catodo oco, em atmosfeas de CH 4, à pessão de 50 mto p.5 4. Vaiação do ídice de efação e do coeficiete de extição em fução de V B, paa filmes depositados po PECVD a catodo simples, em atmosfeas de 50 mto de metao. p Vaiação do ídice de efação e do coeficiete de extição em fução de V B, paa filmes depositados po PECVD a catodo oco, em atmosfeas de 50 mto de CH 4. p Vaiação do ídice de efação em fução do coeficiete de extição, paa filmes depositados po plasmas de catodo simples, e catodo, em 50 mto de CH 4. p Vaiação da tesão de auto-polaização em fução da potêcia, paa plasmas de N, sistema de catodo simples. p Vaiação da tesão de auto-polaização em fução da potêcia, paa plasmas de N, em sistema de catodo oco. p.0

9 4.8 Espectos de Emissão óptica de plasmas de catodo simples paa tês potêcias aplicadas. p. 4.9 Espectos de Emissão óptica de plasmas de catodo oco paa tês potêcias aplicadas. p..4.0 Especto de emissão de H paa plasmas de catodo oco p.4 4. Especto de emissão de H paa plasmas de catodo simples. p.5 4. Vaiação das itesidades das lihas CH e H α em fução da potêcia aplicada paa plasmas de catodo simples e catodo oco. p.6 4. Razão I(H α )/I(CH) paa plasmas de catodo simples e catodo oco, em fução da potêcia aplicada. p Vaiação da taxa de deposição em fução da tesão de auto-polaização. p Vaiação da taxa de deposição em fução da itesidade da liha Hα paa filmes de a- C:H depositados po plasmas de catodo oco. p.9

10 Lista de Tabelas.: Compaação das popiedades de caboo amofo com as efeêcias do diamate, gafite, C 60 e polietileo. p.8 4. Lihas de emissão de plasmas de CH4. p.

11 CAPÍTULO INTRODUÇÃO A classe de mateiais deomiada Caboo tipo diamate ou DLC (do iglês Diamod-Lie Cabo) tem sido itesamete estudada desde o começo da década de 990. Os filmes de caboo amofo hidogeado (a-c:h) depositados po plasma estão icluídos esta categoia, sedo utilizados em divesas aplicações tecológicas, picipalmete como evestimetos potetoes mecâicos devido a sua dueza, baixo coeficiete de atito, e alta esistêcia ao desgaste mecâico. Os filmes fios duos de a-c:h também são poduzidos com a icopoação de outos elemetos, como itogêio, silício e flúo, o que estedeu as suas aplicações, devido à melhoia em suas popiedades [-6]. Apesa da desidade deste tipo de plasma se elativamete, a maio pate dos tabalhos em filmes duos de a-c:h foi feita utilizado deposição química em fase vapo assistida po plasma (PECVD do iglês Plasma Ehaces Chemical Vapo Depositio), excitada po adiofeqüêcia com acoplameto capacitivo. A maioia dos estudos utilizado esta técica foi ealizada excitado-se o plasma com adiofeqüêcia (,56MHz) acoplada capacitivamete). Isso ocoe devido à simplicidade do método, cujo picípio de fucioameto é simila ao bastate cohecido método de sputteig a adio feqüêcia. Na deposição po PECVD, o substato é colocado o catodo (eletodo ligado a ádio feqüêcia), e uma descaga de plasma de um hidocaboeto é estabelecida ete o catodo e um eletodo ateado, que pode se uma placa ateada paalela colocada a ceta distâcia do catodo (cofiguação de placas paalelas), ou simplesmete ete o catodo e toda a câmaa de deposição metálica ateada (cofiguação assimética). A potêcia de adiofeqüêcia é tasmitida ao catodo atavés de um capacito, que é pate de um cicuito de casameto de impedâcia. Isto pemite um apaecimeto de um potecial elético cuja média tempoal é egativa o eletodo de adio feqüêcia, sedo este potecial deomiado de potecial de auto polaização ou self-bias. O potecial de auto polaização extai e acelea íos cotedo caboo (C x H y ) do plasma. O bombadeameto po estes íos ápidos é esposável pelo desevolvimeto das popiedades caboo tipo diamate dos filmes de caboo amofo hidogeado. Na deposição dos filmes de caboo amofo hidogeado, as popiedades do filme depedem picipalmete da pessão do gás hidocaboeto e do potecial de self-bias

12 [, 7, 8]. Em cojuto, esses paâmetos defiem o fluxo de adicais eutos eativos, a eegia e a taxa de chegada dos íos extaídos do plasma. Figua.: Esquema da técica Ressoâcia Eléto-ciclotôica de Micoodas [0] Os filmes de caboo amofo hidogeado duos também têm sido poduzidos po técicas baseadas em plasmas de alta desidade, como plasmas Ressoâcia Elétociclotôica de Micoodas MW-ECR (do iglês Micowave-Electo Cycloto Resoace) [9,0]. Nessa técica, o plasma de micoodas é estabelecido uma egião com um campo magético aplicado, cuja magitude é fixada de modo a impo as codições do plasma de essoâcia ciclotôica de elétos. Como coseqüêcia, é espeado um plasma mais deso e mais ioizado. Paa extai e acelea os íos ápidos deivados do hidocaboeto em dieção ao substato, uma potêcia de adio feqüêcia é aplicada o eletodo ode o substato é colocado, paa gea um potecial de self-bias. Isto toa possível cotola a eegia de extação dos íos sem altea em demasia a potêcia absovida pelo plasma. A utilização de MW-ECR com substatos polaizados po adio feqüêcia coduz à melhoia da estutua e das popiedades dos filmes de caboo amofo hidogeado [,], sedo também útil paa elucida os pocessos de deposição dos filmes duos de caboo amofo hidogeado [9, ]. Esta técica está mostada esquematicamete a Fig...

13 Figua.: Esquema da técica Fote de Feixe de Plasmas [4] Outa técica baseada em plasmas de alta desidade é Fote de Feixe de Plasmas (do iglês Plasma Beam Souce (PBS)) [4]. A técica PBS é baseada a etiada dos íos deivados do hidocaboeto de um plasma po adio feqüêcia cofiados po um campo magético aplicado. A técica PBS gealmete fucioa a baixa pessão de acetileo, geado feixes altamete ioizados em dieção a supefície do substato. Como coseqüêcia, são obtidos filmes de caboo amofo hidogeado altamete tetaédico (ta-c:h). Os filmes de caboo amofo hidogeado altamete tetaédico são muito mais desos e duos que os filmes de caboo amofo hidogeado obtidos po outas técicas. Na discussão acima, o plasma de alta desidade baseia-se em técicas que exigem a aplicação de um campo magético elativamete iteso com uma distibuição espacial bem defiida. Isso ão é sempe ecessáio quado o efeito de catodo oco é usado paa gea plasmas desos. De fato, o efeito de catodo oco tem ecotado aplicações a deposição de

14 4 filmes de caboo amofo hidogeado [5-7]. O efeito de catodo oco cosiste a justaposição de duas supefícies codutoas (catodos), que possuem potecial egativo (DC ou de autopolaização) em elação ao plasma. Em tal aajo, os elétos do plasma são cofiados deto de um potecial limitado pelos catodos, cotibuido paa cia uma população de elétos quetes o plasma, com eegia ciética maio do que os elétos com a tempeatua do plasma. Esse efeito aumeta a pobabilidade de uma colisão molecula eletôica, e também aumeta a ioização e dissociação do plasma. Até agoa, catodos ocos têm sido picipalmete usados como fotes de plasma emoto, a deposição po plasma de filmes de a-c:h. Nessa cofiguação um fluxo de gás iete passa atavés do catodo oco (fuo cilídico [5,7] ou placas paalelas [6]), que são excitados po potêcia de coete cotíua ou adio feqüêcia, sedo o gás hidocaboeto ijetado uma egião ete a fote e o substato. Nesse esquema, o substato fica com potecial de auto-polaização egativo foecido po uma fote DC, ou po uma fote de RF com acoplameto capacitivo. Os filmes de caboo amofo hidogeado depositados po plasmas de catodo oco têm estutua e popiedades similaes aos obtidos po deposição de filmes po outas técicas de PECVD, e foam poduzidos com alta taxa de deposição. Outa foma de usa o efeito de catodo oco em deposição de filme é a sugestão simples de Howitz et al. [8]. Ele elata um apaato de plasma po catodo oco baseado um equipameto covecioal de catodo simples RF-PECVD. O apaato dele foi costuído colocado-se duas placas codutoas paalelas, em cotato elético, e capacitivamete acopladas a uma fote de adio feqüêcia, paa gea o efeito de catodo oco. Howitz et al. obtiveam gade aumeto a taxa de deposição em filmes de silício amofo hidogeado usado plasma de silao, e elevada taxa de eosão das supefícies de silício usado plasmas de hidocaboetos fluoados. Essa técica é simples e muito atativa paa a deposição de filme de caboo amofo hidogeado. Como a técica mais usada paa a deposição de filmes duos de caboo amofo hidogeado é a RF-PECVD, essa modificação paa poduzi plasmas de alta desidade paece se dieta. Apesa disso, essa técica ão foi aida exploada paa deposição de filmes de hidocaboeto duo. O objetivo desta dissetação é elata o uso de um sistema de catodo oco de placas paalelas, alimetado po adio feqüêcia, paa a deposição de filmes duos de caboo amofo hidogeado. O sistema de deposição utilizado este tabalho é baseado um sistema covecioal de deposição RF-PECVD, com a úica modificação de se acopla uma placa metálica paalela ao catodo oigial, o que facilita a compaação dieta dos plasmas obtidos os dois sistemas. Seão abodados tês tópicos picipais paa a caacteização da ova técica:

15 5 ) As popiedades mecâicas: dueza mecâica e tesão itea esidual de filmes de a- C:H depositados po plasmas catodo oco. ) Compaação das caacteísticas estutuais de filmes de a-c:h depositados po RF- PECVD usual e plasmas de catodo oco. Esta compaação seá feita po meio da detemiação das costates ópticas dos filmes, po meio de técica desevolvida o laboatóio. ) Compaação das caacteísticas dos plasmas de RF-PECVD usual e de catodo coco, po meio da medida de cuvas de potecial de auto-polaização em fução da potêcia, combiadas com medidas de espectoscopia de emissão óptica.

16 6 CAPÍTULO FILMES DE a-c:h DEPOSITADOS POR PLASMA. Caboo amofo hidogeado Caboo tipo diamate (DLC) [] é uma foma metaestável de caboo amofo com uma quatidade sigificativa de átomos de caboo com hibidização sp. Esta classe de mateiais apeseta alta dueza mecâica, estabilidade química, taspaêcia óptica, especialmete o ifavemelho, sedo em geal semicodutoes com gap de eegia lago. Os filmes de caboo tipo diamate tem gades aplicações como evestimetos potetoes em dispositivos mecâicos (egeages e macais), jaelas ópticas, discos ígidos magéticos, evestimetos biomédicos, mecaismos micoeletôicos, ete outos, pois possuem uma elevada esistêcia a desgaste. O caboo foma uma gade vaiedade de estutuas cistalias e desodeadas, poque pode liga-se quimicamete po tês estados de hibidização, sp, sp, sp, como mostado a figua.. Na cofiguação sp, como o diamate, cada um dos obitais do átomo de caboo está alihado segudo o vétice de um tetaedo que cotém o átomo o ceto, fazedo uma ligação fote σ com os átomos adjacetes. Na cofiguação sp, cujo úmeo de coodeação é tês, como o gafite, tês dos quato elétos de valêcia estão diecioados tigoalmete o obital sp, fomado ligações σ o plao. O quato eléto está o obital pπ, que é omal ao plao das ligações σ. Este obital π foma uma ligação faca π com outo obital pπ em um ou mais átomos vizihos. Na cofiguação sp, dois dos quato elétos de valêcia estão o obital σ, que fomam uma ligação σ diecioada ao logo do eixo x, e os outos dois elétos estão os obitais pπ as dieções y e z.

17 7 Figua.: Esquema das tês fomas de hibidização do caboo. Os caboos tipo diamate tem algumas popiedades similaes às do diamate, como a dueza, módulo elástico e iécia química. Etetato são poduzidos a foma de filmes fios com estutua amofa, sedo poduzidos em codições muito mais ameas que os filmes de diamate cistalio, apesetado vatages em divesas aplicações. As ligações sp do caboo tipo diamate cofeem a ele muitas popiedades do diamate impotates paa a estutua dos filmes. Ete elas estão a dueza mecâica, a iécia química e eletoquímica, e o gap de eegia lago. Os caboos tipo diamate cosistem ão somete de caboo amofo puo (a-c), mas também de caboo amofo hidogeado, a-c:h. É coveiete mosta as composições das váias fomas amofas do caboo C-H o diagama de fase teáia como a figua., elatado pela pimeia vez po Jacob e Molle [9]. No cato ifeio esquedo do tiâgulo, estão os a-c com estutua gafítica desodeada, como caboo víteo e ego de fumo. Os dois polímeos de hidocaboeto polietileo (CH ) e poliacetileo (CH) defiem os limites do tiâgulo o cato dieito além de ligações C-C que ão podem foma filme, só moléculas. No topo do tiâgulo está o diamate.

18 8 Figua.: Diagama de fase teáio de ligações em mistuas de caboo amofo hidogeado. sp (%) Sp (%) H (% ) Desidade (g / cm ) Gap (ev) Dueza (GPa) Diamate Gafite ta-c a-c:h duo a-c:h macio <0 ta-c:h Polietileo Tabela.: Compaação das popiedades de caboo amofo com as efeêcias do diamate, gafite e polietileo.

19 9 Divesos métodos de deposição tem sido desevolvidos paa poduzi filmes de caboo amofo com mais hibidização sp. Os filmes depositados po sputteig podem te apeas hibidização sp² ou uma pequea fação de hibidização sp³. Se o caboo amofo atige uma fação de hibidização sp mais elevada, McKezie sugee que seja chamado de caboo amofo tetaédico (ta-c) [0], paa difeeciá-lo do caboo amofo (a-c) com hibidização sp. Os métodos de deposição baseados em PECVD, baseiam-se a decomposição de um hidocaboeto po um plasma, e esultam os filmes de caboo amofo hidogeado, ou filmes de a-c:h [-4]. Este tipo de caboo está epesetado o ceto do tiâgulo. Os filmes de a-c:h podem apeseta uma gade cocetação de hidogêio, e uma fação de caboo sp ifeio aos filmes de caboo amofo hidogeado altamete tetaédico, que ocupam uma egião um pouco mais acima o tiâgulo. A tabela. lista algumas das popiedades dos filmes de caboo tipo diamate, ao lado das de outas fases de caboo.. Estutua do caboo amofo hidogeado As popiedades supelativas mecioadas acima são itimamete elacioadas às estutuas dos filmes de caboo tipo diamate, que é fomado picipalmete po átomos de caboo sp³ e sp², com alta fação sp³ (que pode se supeio a 80%), com alto gau de itecuzameto da ede amofa. Filmes de caboo amofo hidogeado tem uma fação sp³ meo (maio que 50%), somada a peseça de fação otável de átomos de hidogêio ligados a ede, vaiado de 0 a 50%. A estutua dos filmes de a-c:h pode se vista, uma pimeia apoximação, como uma ede covalete aleatóia [5]. Nesse modelo de estutua, o quato caboo sp³ e o teceio caboo sp², e os átomos de hidogêio coodeados simples, aleatoiamete ligados ete si, fomam uma ede completamete compimida. Paa satisfaze todas as estições, o úmeo de coodeação médio da ede deve se apoximadamete igual a,45. Redes com úmeo de coodeação médio maio são ditas como sedo supe-viculadas. A alta fação de átomo de caboo sp³ dos filmes de a-c:h duo levam a úmeos de coodeação que são muito póximos de. Nesse caso, a fomação de ligações químicas ocoe com cosideável distoção o compimeto e âgulo das ligações, aumetado a tesão a ede amofa. Essa caacteística tem sido idetificada como uma fote de alta tesão itea compessiva, que é

20 0 obsevada em todos os tipos de caboo tipo diamate (ve tabela.). Em filmes de caboo tipo diamate, a tesão itea pode alcaça váios GPa, colocado um obstáculo paa a podução de filmes espessos ecessáios paa algumas aplicações. Po outo lado, edes com úmeo de coodeação meo que.45 são chamadas de sub-viculadas, e são mecaicamete macias, como hidocaboetos poliméicos. A baixa fação sp³ e a peseça da alta cocetação elativa de átomos de hidogêio em sua composição fazem com que ele seja meos ígido e tesioado que os outos tipos de caboo tipo diamate, assim como o caboo amofo altamete tetaédico, puo ou caboos amofos hidogeado (ta-c e ta-c:h). Esses filmes podem te dueza e desidade póximas ao diamate cistalio. No diagama de fase teáio de caboo hidogeado de fação sp³, os filmes de caboo amofo hidogeado são situados póximos a foteia de igidez, ao lado dos hidocaboetos poliméicos. Apesa das popiedades mecâicas tipo diamate e esistividade elética dos filmes de a-c:h, suas popiedades ópticas ão são compaáveis com as do diamate cistalio []. Etetato, os filmes de a-c:h são taspaetes a egião do compimeto de oda do ifa vemelho, a taspaêcia a egião do compimeto de oda do ulta violeta é otavelmete meo do que o diamate. A compaação da bada de eegia detemiada pela medida de absoção óptica mosta claamete a difeeça. A lagua do gap do diamate cistalio é em too de 5,4 ev, equato a lagua do gap dos filmes hidogeados tipo diamate está situada a faixa de a 4 ev. Esse gap elativamete pequeo, obsevado o caboo hidogeado tipo diamate (assim como em outos mateiais de caboo tipo diamate), tem sido atibuído à fução domiate dos elétos π, pesetes as ligações químicas de átomos de caboo sp². A estutua dos filmes de a-c:h pode se assim descita como átomos de caboo sp² em gupos aomáticos codesados, dispesos em matizes icas em caboo sp³, que cocede a ede essa caacteística de igidez. Essa situação pode também se cosideada como uma ede covalete aleatóia as quais gupos de sp² de tamahos defiidos fazem pate de uma estutua como um átomo composto idividual que coespode ao úmeo de coodeação. Tais tipos de modelos podem se usado com sucesso paa desceve a depedêcia das popiedades mecâicas dos filmes de a-c:h a composição, hibidização, e gupameto sp² [7].

21 . Técica de deposição Esta dissetação estuda a podução de filmes de a-c:h po plasmas. A técica mais utilizada paa a deposição de filmes fios de caboo amofo hidogeado po plasma, e a técica de PECVD a adio feqüêcia ou RF-PECVD. Esse plasma é geado po colisões de elétos aceleados po um campo de ádio feqüêcia com átomos e moléculas da atmosfea de hidocaboeto, povocado ovas ioizações atavés de divesas eações evolvedo elétos, íos, moléculas e adicais eutos. [,, 7]. O picípio da técica é a geação de uma descaga lumiescete ete o catodo e o aodo. O catodo, ode é colocado o substato, é ligado à fote de adiofeqüêcia atavés de um casado de impedâcias com acoplameto capacitivo. O aodo é fomado pelas paedes ateadas da câmaa de vácuo. Como o plasma a mobilidade (velocidade / campo elético) dos elétos é muito maio que a dos íos, as supefícies expostas ao plasma tedem a se caega egativamete. O catodo é ligado à adiofeqüêcia atavés de um capacito, po isso as cagas egativas geadas ão têm paa ode escoa, sedo matida o catodo equato a adiofeqüêcia estive ligada. Po esta azão este eletodo possui, em média, um potecial egativo como mosta a figua.. Este potecial deomiado potecial de auto-polaização (V B), extaí íos do plasma e os acelea em dieção ao eletodo, sedo os picipais esposáveis pelas popiedades tipo diamate dos filmes Figua.: Esquema do potecial um catodo de PECVD usual deto do plasma. O objetivo deste tabalho é estuda um sistema de plasma a catodo oco [5-8] paa deposita filmes de a-c:h. A foma de fazê-lo é bem simples e auto explicativa foi utilizado

22 um esquema de catodo oco de placas paalelas baseado o tabalho de Howitz et al [8], que é feito ligado-se uma placa codutoa paalela ao eletodo de RF. Desta foma, o plasma é fomado mais itesamete ete as placas. O potecial fica egativo as duas placas do eletodo fomado um potecial de tipo baeia ete os eletodos, como mosta a figua.4. A eegia potecial do eléto é obtida multiplicado-se este potecial po -e, de modo a se obte o poço de potecial mostado a figua.5. Como muitos elétos do plasma ficam cofiados este poço (fig..5), apaece uma população de elétos mais eegéticos, ou elétos quetes, aumetado o úmeo de colisões com os átomos e moléculas, aumetado o gau de ioização e de dissociação. Figua.4: Esquema do potecial ete as placas do catodo oco. Figua.5: Esquema da eegia potecial ete as placas do catodo oco..4 Mecaismo de cescimeto Os mateiais pototípicos da categoia tipo diamate são os filmes altamete tetaédicos, ta-c ou t-ac:h. Estes mateiais são obtidos po meio da imposição ao substato de feixes mooeegético de íos de caboo ou hidocaboeto. As popiedades dos filmes obtidos desta foma depedem fotemete da eegia. As popiedades que defiem o caáte tipo diamate são essoates com a eegia, apesetado um máximo a eegias da odem de 00 V. O modelo de cescimeto paa estes mateiais é cohecido como modelo de subimplatação [,8]. Gosseiamete pode se visto da seguite foma: um ío eegético chega à supefície do filme em cescimeto. Se a eegia do ío fo muito baixa, ele eflete ou adee à supefície, geado um estado de baixa desidade (sp ). Se ele chega com uma eegia muito alta, gea muitos daos e, ovamete um estado de baixa desidade. Numa faixa de

23 eegia itemediáia o ío peeta a camada subsupeficial e foma ligações com outos átomos de caboo, geado um estado de alta desidade. Paa os filmes de a-c:h depositados po plasma a situação ão é tão simples. Existem muitos pocessos a deposição de a-c:h, como mostado a figua.6. As popiedades dos filmes de a-c:h depositados po plasmas tem fote depedêcia com o potecial de self-bias e, coseqüetemete, também com a eegia de bombadeameto dos íos, mas de uma maeia mais complexa. Figua.6: Esquema dos difeetes pocessos evolvidos o mecaismo de cescimeto dos filmes de a-c:h. De acodo com Jacob [9], o cescimeto do filme ocoe devido à quato tipos de espécies difeetes: íos caegado caboos, íos de hidogêio, hidogêio atômico e adicais eutos caegado caboos, lembado que os íos tem alta eegia ciética, devido à aceleação pelo potecial de self-bias. O papel de cada uma dessas espécies é descito a segui; i) Íos caegado caboo cotibuem paa a taxa de cescimeto obtida pela sua adeêcia. Eles deslocam átomos ligados, pedomiatemete átomos de hidogêio, e ciam muitas ligações pedetes póximas a supefície. Os átomos de hidogêio deslocados podem se ecombia localmete com outo átomo de hidogêio deslocado ou etia outo átomo de

24 4 hidogêio ligado, foma uma molécula e sai do filme. Alteativas outas são: liga-se a uma ligação pedete de caboo, ou hidogea um gupo sp². Devido à fote iteação com o filme, eles tem uma pequea pofudidade de peetação, e poduzem seus daos muito póximo a supefície. Acedita-se que este pocesso costitui o picipal efeito de siegia ete íos e adicais eutos. Ao se tasfeida eegia efetivamete paa outo átomo de caboo eles podem ativa, atavés da vibação, a ede de caboo e cia a fomação de ovas ligações caboo-caboo, aumetado as ligações cuzadas o filme. Esse pocesso é muito efetivo se a desidade de ligações pedetes fo alta a camada de cescimeto. ii)íos de hidogêio, assim como ío de caboo, deslocam átomos ligados e ciam ligações pedetes. Devido a sua faca iteação com o sólido, eles tem uma gade pofudidade de peetação, em too de cico vezes maio que o caboo. Em decoêcia disso, o alcace dos átomos de hidogêio detemia a espessua da camada de cescimeto. Íos de hidogêio deslocam quase que exclusivamete átomos de hidogêios ligados. Assim como a discussão paa o caboo, o hidogêio deslocado pode se ecombia localmete, hidogea gupos sp², etia hidogêio ligado e satua ligações pedetes. Nos maioes alcaces, eles podem difudi-se deto das camadas pofudas, as quais são iacessíveis ao bombadeameto de íos, e satua as ligações pedetes estates o volume do mateial. iii) O hidogêio atômico eage com a supefície de acodo com eações químicas. Ele pode satua ligações pedetes, etia hidogêio ligado, hidogea gupo sp², e, a alta tempeatua, eodi caboo ligado, eduzido etão a taxa de deposição. A eação de etiada de hidogêio (eação de abstação), e a eação de hidogeação de gupo sp² poduzem ligações pedetes, que abem camiho paa cescimeto do filme sem qualque bombadeameto de íos. Etetato, devido à alta seção de choque paa a hidogeação de caboo sp² compaada com a seção de choque de abstação de hidogêio, a desidade das ligações pedetes a supefície poduzida po este segudo pocesso é muito baixa (ceca de % dos sítios da supefície avaliados). Etão, a sua cotibuição paa o cescimeto do filme é gealmete isigificate, em paticula se compaada com a taxa de ciação das ligações pedetes po íos eegéticos. Na ausêcia de patículas eegéticas ela pode, etetato, costitui uma cotibuição sigificate. O efeito domiate do hidogêio em too da tempeatua ambiete é a satuação das ligações pedetes. Po isso, ela dimiui o úmeo de ligações pedetes e eduz a taxa de deposição.

25 5 iv) Os adicais eutos caegado caboo satuam as ligações pedetes a supefície. Etão eles aumetam a taxa de deposição e cotibuem paa o cescimeto do filme, mas eles também dimiuem o úmeo de ligações pedetes. Isso depede, etetato, do pecuso do cescimeto. Quado usado acetileo o luga do metao o pecuso do cescimeto domiate é o adical etiila (C H). Esse adical pode poduzi ovas ligações pedetes se a hibidização fo mudada juto com a adsoção. Essa eação é cosistete com as eações químicas em eações poliméicas. Os pocessos de i a iv ocoem simultaeamete e competem ete si. Essa impotâcia elativa um pocesso específico depede muito da composição elativa do fluxo de patículas, mas também dos paâmetos expeimetais assim como a seção de choque dos íos e a tempeatua da supefície. Um exemplo da fote depedêcia do fluxo elativo de patículas em dieção à supefície é a siegia ete adicais metila e hidogêio atômico [0]. Foi feita uma aálise da taxa de cescimeto do filme vaiado o fluxo de hidogêio atômico e de adical metila. O gáfico obtido está demostado a figua.7. Figua.7: Gáfico do cescimeto de um filme de caboo em fução do tempo de exposição ao adical CH e ao hidogêio atômico. [0]

26 6 No gáfico mostado a figua.7, existe uma fote de adicais metila e uma fote de hidogêio atômico. Na figua.7 (a), o fluxo de adicais metila é matido ligado e em t = 0s (poto ) o fluxo de hidogêio atômico é ligado e em t = 600s (poto ) o fluxo de hidogêio atômico é desligado. Na figua.7 (b) o fluxo de hidogêio atômico é matido ligado e em t = 0s (poto ) o fluxo de adicais metila é desligado e em t = 8500s (poto 4) o fluxo de adicais metila é eligado. Obseva-se que só há cescimeto do filme quado ambas as fotes estão ligadas..5 Evolução da estutua e das popiedades mecâicas com V B. Emboa a deposição po plasma de filmes de a-c:h ão existam apeas íos, em os mesmos sejam mooeegéticos, as suas popiedades depedem fotemete de V B, a tesão que extai e acelea os íos do plasma. As popiedades que defiem o caáte tipo diamate, como a dueza, a tesão itea e a desidade apesetam um máximo lago quado se vaia V B a uma mesma pessão de deposição [,-4]. A lagua do gap óptico, que depede fotemete da fação de caboo sp, apeseta uma edução costate em fução de V B. Ambos os compotametos efletem a depedêcia da hibidização do caboo em fução de V B em filmes de a-c:h depositados a pati de plasmas de metao, obsevada po Tamo et al. [] em medidas de Ressoâcia Magética Nuclea. À medida que V B cesce, a fação de caboo sp passa po um máximo em -VB ~ 00 V, equato a fação de C sp aumeta cotiuamete..6 Espectoscopia de emissão óptica Espectoscopia de emissão óptica é a aálise espectal da luz emitida pelo plasma, é um dos métodos mais usados paa moitoameto e diagóstico dos pocessos um plasma. Medido os compimetos de oda e as itesidades das lihas espectais emitidas, é possível idetifica as patículas eutas e os íos pesetes o plasma. O deseho espectal da emissão óptica do plasma possui ifomações sobe os pocessos químicos e físicos que ocoem o plasma. Essa técica tem a vatagem de se feita foa do eato. Etetato, a técica de espectoscopia de emissão óptica é limitada o moitoameto das espécies que emitem sial, e a itesidade de emissão em sempe é dietamete popocioal à cocetação da espécie emitida o plasma.

27 7 Emissão óptica pode se poduzida o plasma como um esultado da excitação de elétos ou dissociação, ou po um pocesso de impacto de ío, que cia uma espécie excitada, seguida po uma peda de eegia da espécie excitada. Espécies moleculaes também podem se excitadas po eações de ecombiação química lumiescete. A emissão óptica de descagas de plasma de metao puo, ou em mistua com agôio e, ou, hidogêio foi estudada po divesos autoes [-6]. Emboa em algus casos se ecote coelação com algumas caacteísticas dos filmes depositados (especialmete taxa de deposição), a sua itepetação é difícil, pelo fato de em todos os fagmetos do plasma emitiem luz, e os que emitem, o fazem com itesidade que muitas vezes ão é popocioal à sua impotâcia os pocessos de supefície. No capítulo de esultados discutiemos pocessos de emissão petietes ao desevolvimeto do pesete tabalho.

28 8 CAPÍTULO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL. Deposição.. Sistema de deposição As amostas estudadas foam depositadas atavés de um sistema de deposição po plasma com catodo oco de placas paalelas. O sistema de deposição é costituído de uma câmaa de vácuo, com um eletodo ligado a fote de adio feqüêcia (RF) e efigeado a água paa que a tempeatua do substato pemaeça póxima a tempeatua ambiete. A câmaa de vácuo, que é ateada, e a guada ateada do eletodo fucioam como aodo e o eletodo ligado a RF como catodo (fig..). Figua. Diagama esquemático do eletodo de catodo oco. A figua. é um esquema do catodo utilizado o sistema de deposição. Na figua. (a) está esquematizado o eletodo utilizado paa deposição po PECVD usual (que passaemos a chama de catodo simples) e a figua (b) está esquematizada a motagem do eletodo utilizado paa deposição po catodo oco. O catodo é peso à pate ifeio da câmaa de vácuo, e isolado eleticamete dela.

29 9 Na motagem do eletodo utilizado paa deposição po catodo simples (PECVD usual), o catodo efigeado () é evolvido po uma guada ateada () que é pesa à câmaa de vácuo (). Ete a guada ateada e o catodo é colocado um espaçado isolate de acílico (4) paa que ão haja cotato elético. O catodo é ligado à fote de adio feqüêcia atavés de um casado de impedâcias com acoplameto capacitivo, que se ue ao catodo po um cabo coaxial ligado a um coecto (5) e a sua efigeação é feita atavés da etada e saída de água de uma cavidade deto do catodo ifeio atavés de duas magueias (6). O catodo oco de placas paalelas (figua. (b)) é feito a pati do catodo simples descito acima. Uma placa de aço ioxidável (7) é acoplada ao catodo ifeio e outa a guada ateada (8). Ambas são acopladas utilizado-se dois fusos (9) que fazem a coexão elética. A guada ateada tem a fução de evita a fomação de plasma em outas áeas do catodo que ão seja ete as supefícies das placas paalelas. Ambas as placas do catodo têm 76 mm de diâmeto e, duate as deposições, foma dispostas a 5 mm de distâcia uma da outa e a face ifeio supota os substatos paa deposição. As fotos da motagem do catodo podem se obsevadas a Fig... Figua. - Fotos do eletodo utilizado paa deposição po catodo oco. Vista lateal do catodo oco sem as guadas ateadas e vista lateal do catodo oco com as guadas ateadas. A fote de adio feqüêcia que alimeta o catodo é da maca Dessle, com feqüêcia igual a.56mhz, e potêcia de até 600 W. Ela é acoplada capacitivamete ao eletodo atavés de um casado de impedâcias utilizado paa aula a potêcia efletida.

30 0.. Pocedimeto de deposição Utilizado-se uma bomba de vácuo mecâica é feito vácuo o iteio da câmaa de vácuo até atigi a pessão de mto (pessão de base). Após se atigida esta pessão, isee-se gás metao atavés de um cotolado de vazão MKS tipo 7 acioado po uma uidade de cotole MKS 47 e ajusta-se a vazão. Utiliza-se a vazão adequada paa que a pessão se estabilize em 50 mto, e esta é medida po um maômeto capacitivo Baato MKS 6. As deposições foam ealizadas com plasma de metao à pessão de 50 mto. As voltages de self-bias utilizadas vaiam de -00 V a -500 V. Os substatos utilizados as deposições são de lâmias de silício moocistalio (Si 00) que ates de seem colocados sobe o eletodo foam limpos em baho de ulta-som duate 0 mi em acetoa e em seguida duate 5 mi em tolueo, paa facilita a secagem. A secagem foi feita com jato de itogêio de alta pueza (99,995%). Após a limpeza, o substato é colocado a câmaa de deposição e evacua-se a mesma. As amostas foam obtidas po plasma de metao, com tempos de deposições vaiáveis, de modo que os filmes obtidos tivessem apoximadamete 600 m de espessua. Todos os paâmetos são fixos duate toda a deposição.. Detemiação de espessua e costates ópticas A espessua e as costates ópticas dos filmes obtidos foam obtidas po meio de medidas de eflectâcia a lase (He-Ne, λ = 6 m) com icidêcia quase omal. Paa as amostas obtidas com a utilização de plasmas de catodo simples as medidas de eflectâcia foam ealizadas duate a deposição. Uma vez que o sistema de catodo oco ão pemite acesso do substato po um feixe de icidêcia omal, as medidas de eflectâcia foam ealizadas ex-situ, duate eosão dos filmes po plasmas de itogêio a 50 mto de pessão e tesão de auto-polaização igual a -00V.

31 Figua. Esquema do sistema utilizado paa medi a espessua e as costates ópticas, i situ, paa catodo simples. Esta técica de eflectometia cosiste em medi o esultado da itefeêcia da luz efletida a iteface a-filme e filme-substato. Obtida a cuva de eflectometia, esta é ajustada po míimos quadados à fução eflectâcia do modelo ambiete-filme substato, utilizado a técica da iteface vitual poposta po Beilad et al [7].. Tesão itea A tesão itea do filme ocoe o mometo em que ele é fomado. A medida da tesão itea é feita atavés da medida da cuvatua do substato ates e depois da deposição. Atavés de uma técica chamada de pefilometia pode-se avalia a supefície do substato pecoedo sobe ele uma pota de diamate. Desta foma, pode-se detemia a espessua do substato e a sua cuvatua. Figua.4 - Esquema idetificado a cuvatua do substato depositado po filme de caboo. A tesão itea do filme pode se calculada utilizado a equação de Stoey.

32 4 Ests δ σ = [] ( υ) L t ode: E s é o módulo de Youg e υ é a azão de Poisso do substato de silício t s e t f são as espessuas do substato e do filme, espectivamete f.4 Espectoscopia de emissão óptica A aálise espectoscópica da emissão de luz po plasmas de metao os pocessos a catodo simples e catodo oco foam ealizadas a pati da luz emitida po uma jaela de quatzo colocada à altua do espaço ite-eletodos. A luz foi captada po uma lete de gade abetua, e focalizada em uma fiba ótica, que coduz a luz a um mii-espectômeto de tipo Czei-Tue da maca Ocea optics, modelo HR 000, equipado paa tabalha a faixa de 00 a 00 m de compimeto de oda, com esolução de 0. m..

33 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4. Popiedades Mecâicas Como as popiedades mecâicas dos filmes de a-c:h defiem, em última istâcia, as popiedades tipo-diamate, foam ealizadas medidas de tesão itea e dueza mecâica em filmes depositados com pessão de 50 mto e o valo absoluto da tesão de autopolaização (-V B ) vaiado ete 50 V e 500 V. A Fig. 4. mosta a vaiação da tesão itea em fução de V B. Como pode se obseva, a vaiação da tesão mosta um pico agudo, com tesão máxima paa V B = -50 V, com valo máximo de 4.5 GPa. A posição do máximo é azoavelmete meo do que o gealmete obsevado paa filmes de a-c:h depositados po PECVD usual. O valo máximo da tesão é bastate supeio ao usualmete obsevado. Este valo, 4.5 GPa é itemediáio ete os valoes omalmete obtidos paa filmes de a-c:h depositados po PECVD e ta-c:h depositados po métodos de alta ioização. Po outo lado, a dueza mecâica, cuja vaiação está mostada a Fig. 4. apeseta um pico lago, com máximo em V B = -50V, mas com compotameto paticamete costate paa -V B ete 00 e 400V. O valo máximo da dueza é de 8 GPa, o que é compatível com os valoes obsevados em filmes de a-c:h depositados po PECVD [].

34 4 6 5 Tesão (GPa) V B (V) Fig. 4. Vaiação da tesão itea de filmes de a-c:h depositados po plasmas de catodo oco, em atmosfeas de CH 4, à pessão de 50 mto. A peseça de um pico de tesão com o valo de tesão mais elevado, e a V B mais baixo que o usualmete obsevado, sugee que possa esta havedo, o ovo sistema de deposição po catodo oco, algum tipo de aumeto da azão ete íos e adicais eutos, dete os fagmetos que estão chegado a supefície de cescimeto do filme. Emboa a vaiação da dueza com V B ão cooboe esta suposição (ão há pico de dueza a baixo V B ), os esultados de detemiação das costates ópticas dos filmes dão supote a esta idéia.

35 5 Fig. 4. Vaiação da dueza mecâica de filmes de a-c:h em fução de V B depositados po plasmas de catodo oco, em atmosfeas de CH 4, à pessão de 50 mto 4. Costates ópticas As costates óticas ídice de efação e - coeficiete de extição - são utilizadas, este tabalho, paa detemia caacteísticas estutuais dos filmes. O ídice de efação de filmes de a-c:h paece te fote coelação com a desidade, que é uma das gadezas que caacteizam o caáte tipo diamate. O coeficiete de extição está elacioado com a absoção óptica que deve, os filmes de a-c:h, esta elacioada com a cocetação de aglomeados de caboo sp. Em cojuto, e pemitem avalia qualitativamete as tasfomações estutuais obsevadas os filmes.

36 Sigle Cathode V B (V) Fig Vaiação do ídice de efação e do coeficiete de extição em fução de V B, paa filmes depositados po PECVD a catodo simples, em atmosfeas de 50 mto de metao. A Fig. 4. mosta a vaiação de e em fução de V B, paa filmes depositados utilizado PECVD a catodo simples. Aalisado em pimeio luga a vaiação do ídice de efação, obsevamos um fote aumeto iicial de paa os valoes meoes de -V B. Isto deve coespode a uma fote desidogeação, à medida em que se aumeta -V B, aumetado assim a eegia e a coete dos íos bombadeates. O valo de etão satua paa - V B ~00V, depois cai apidamete paa valoes de V B supeioes a 600 V. Esta última queda coespode também a uma queda a taxa de deposição, como veemos a sessão seguite. O coeficiete de extição aumeta cotiuamete em toda a faixa de -V B, idicado um cescimeto cotiuo do caáte sp do filme. Paa estes filmes, o cescimeto do ídice de efação (e, potato, da desidade) paece se uma decoêcia da desidogeação, que possibilita a fomação de ligações C-C. Apesa do aumeto da fação de átomos de caboo sp, o ídice de efação pemaece costate, idicado que as ligações sp também cotibuem paa o itecuzameto do eticulado amofo. A pati de V B = 800 V, o cescimeto de acelea-se, em coespodêcia ao fote decéscimo o ídice de efação.

37 7 A Fig. 4.4 mosta a vaiação de e em fução de V B, paa filmes depositados utilizado PECVD a catodo oco. Obsevou-se que a potêcia de RF ecessáia paa obte o mesmo valo de V B, este caso, é gade em elação à técica de PECVD a catodo simples, como veemos as póximas sessões. Obseva-se este caso que a vaiação de é bastate difeete da elatada paa plasmas de catodo simples. A vaiação de mosta um pico agudo em =,4 com máximo em V B = 50 V, o que idica uma elevada desidade (deve-se lemba que o ídice de efação do diamate é igual a,4) Hollow Cathode V B (V) Fig Vaiação do ídice de efação e do coeficiete de extição em fução de V B paa filmes depositados po PECVD a catodo oco, em atmosfeas de 50 mto de CH 4. É iteessate essalta que este máximo ocoe em uma egião elativamete esteita de V B a qual o valo de é bastate baixo (<0.). É iteessate obseva que esta egião de o ídice de efação dos filmes depositados po plasmas de catodo simples é baixo. Potato, o pico obsevado ão deve coespode à fomação de ligações caboo-caboo po desidogeação. Talvez seja mais coeto imagia que, este caso, deva esta opeado um mecaismo do tipo subimplatação. A obsevação da vaiação de dá supote a esta

38 8 hipótese. Como o caso ateio aumeta cotiuamete, idicado um cescimeto cotíuo da fação de caboo sp. Na egião do pico de há uma desaceleação da vaiação de, que etoma a sua taxa de cescimeto após o pico. Paa -V B acima de 00 V, o compotameto de e assume o compotameto de satuação mostado pelos filmes depositados po plasmas de catodo simples. O gáfico de em fução de, paa os dois métodos de deposição está mostado a figua 4.5. O gáfico evidecia a já mecioada desificação dos filmes (alto valo de ) em uma faixa esteita de. Adicioalmete, pode-se também obseva que, pelo meos do poto de vista de e, os filmes obtidos pelos dois métodos apesetam a mesma estutua, paa valoes de ete 0. e 0.. É impotate essalta que apesa de mostaem a mesma vaiação o espaço vs., estes filmes foam obtidos com valoes de V B bastate difeetes. A faixa de ete 0. e 0. equivale a 50 V<-V B < 800 V, paa filmes depositados po plasmas de catodo simples, e 50 V<-V B <450 V paa filmes obtidos po plasmas de catodo oco. Isto mais uma vez evidecia a hipótese de que a azão íos / eutos deve se maio os plasmas de catodo oco..4. sigle cathode hollow-cathode Fig. 4.5 Vaiação do ídice de efação em fução do coeficiete de extição, paa filmes depositados po plasmas de catodo simples, e catodo, em 50 mto de CH 4.

39 9 4. Tesão de auto-polaização. A tesão de auto-polaização é talvez o paâmeto mais impotate a defiição da estutua e popiedades dos filmes de a-c:h depositados po plasma. Espea-se que a motagem de catodo oco seja obsevado o aumeto da desidade eletôica do plasma, o que pode esulta em mudaça as cuvas de tesão de auto-polaização em fução da potêcia. Paa isto foam ealizadas medidas de V B em fução da potêcia, paa o sistema covecioal de PECVD (catodo simples), e o sistema de catodo oco de placas paalelas. As medidas foam ealizadas em atmosfea de itogêio de modo a evita a fomação de depósitos os eletodos. 600 Catodo simples 500.-V B (V) mto 0 mto 50 mto 00 mto Potêcia (W) Fig. 4.6 Vaiação da tesão de auto-polaização em fução da potêcia, paa plasmas de N, sistema de catodo simples. A figua 4.6 mosta a vaiação de V B em fução da potêcia, paa plasmas de N o sistema de catodo simples, paa divesas pessões. Obseva-se cuvas similaes a P/ são caacteísticas deste tipo de sistema [7]., que A fig. 4.7 mosta o mesmo tipo de expeimeto, ealizado em sistema a catodo oco. Deve-se obseva que, paa se obte um detemiado valo de V B a uma detemiada pessão, é ecessáio foece ao sistema uma potêcia bem maio que o caso do catodo simples. Como espeado, o sistema de catodo oco cosome bem mais potêcia que o de catodo

40 0 simples. Outo poto a essalta é o compotameto bem mais satuate das cuvas, paa os plasmas de catodo oco. Fig. 4.7 Vaiação da tesão de auto-polaização em fução da potêcia, paa plasmas de N, em sistema de catodo oco. 4.4 Espectoscopia de emissão óptica Foam ealizados expeimetos de espectoscopia de emissão ótica dos plasmas utilizados os expeimetos de deposição. Os espectos de emissão foam obtidos a faixa de compimetos de oda ete 00 e 00 m, com coleção itegada (ão focalizada) da descaga. A figua 4.8 mosta exemplos de espectos obtidos po plasmas de catodo simples, e a figua 4.9 mosta os espectos obtidos paa plasmas de catodo oco. Os compimetos de oda das lihas de emissão obtidas, e as espécies atibuídas a elas estão listadas a tabela 4., sedo que estas lihas ocoem em plasmas dos dois métodos de deposição.

41 Tabela 4. Lihas de emissão de plasmas de CH4. Lihas de emissão Compimeto de oda (m) CH 90 CH 40 H α 656 H β 486 H γ 44 H 46 H 60 N 540, 580, 650, 750

42 00 50 Catodo simples - 5W Itesidade (u.a.) Compimeto de oda (m) Catodo simples - 75W Itesidade (u.a.) Compimeto de oda (m) Catodo simples - 50W 00 Itesidade (u.a.) Compimeto de oda (m) Fig. 4.8 Espectos de Emissão óptica de plasmas de catodo simples paa tês potêcias aplicadas.

43 Catodo oco - 5W Itesidade (u.a.) Compimeto de oda (m) Catodo oco - 75W Itesidade (u.a.) Compimeto de oda (m) Catodo oco - 50W 4000 Itesidade (u.a.) Compimeto de oda (m) Fig. 4.9 Espectos de Emissão óptica de plasmas de catodo oco paa tês potêcias aplicadas.

44 4 A pimeia ifomação que petedemos obte dos espectos de emissão óptica é a tempeatua do gás. Se a tempeatua do gás muda, as moléculas de H seão afetadas pela mudaça de tempeatua, especialmete em seus modos otacioais. Paa isso utilizaemos as badas de emissão de H, com ateção especial a itesidade elativa dos picos. As figuas 4.0 e 4. mostam os espectos de emissão de H, paa divesas potêcias aplicadas, omalizadas em elação ao pico de H em 60 m de compimeto de oda. Foi mostado que atavés das modificações das elações de itesidades destas lihas é possível detemia a tempeatua do otacioal das moléculas de H Itesidade (u. a) Badas de H - catodo oco Potêcia da descaga (W) compimeto de oda (m) Fig. 4.0 Especto de emissão de H paa plasmas de catodo oco.

45 5 Itesidade (u. a.) Bada de H - catodo simples Potêcia da descaga (W) 75 W 00 W 5 W 50 W compimeto de oda(m) Fig. 4. Especto de emissão de H paa plasmas de catodo simples. As duas figuas mostam que os picos dos espectos de H supepõem-se paa as duas técicas de deposição, evideciado que ão deve have mudaça sigificativa a tempeatua do gás. Po outo lado, foi evideciado po Patol e Catheie [] que as lihas de emissão de H e CH podem foece ifomações sobe a descaga de plasma de metao. Em pimeio luga devemos aalisa a itesidade das emissões. A Fig. 4. mosta a vaiação de itesidades das lihas H α e CH, paa os plasmas de catodo simples e oco.

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