Plasmas e suas Aplicações Tecnológicas

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1 Plasmas e suas Aplicações Tecnológicas Prof. Argemiro Soares da Silva Sobrinho Laboratório de Plasmas e Processos -LPP Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA [email protected] 1

2 1. Introdução Grupo de plasma do ITA Linhas de Pesquisa Definição de Plasmas Exemplos de Plasmas na Natureza 2. Plasmas em Laboratório Tipos de Plasmas Interação Plasma-Material 3. Deposição de Filmes Finos Métodos Físicos Métodos Químicos 4. Processo de Corrosão de Materiais 5. Exemplos de Aplicações Tecnológicas 2

3 Professores e pesquisadores efetivos: 6 Pós-doutorandos e professores visitantes: 7 Professores Colaboradores: 8 Doutorandos: 14 Mestrandos: 16 Iniciação científica e estagiários: 8 TOTAL: 59

4 Linhas de Pesquisa do Grupo de Plasmas do ITA Estudo de Plasmas Térmicos e Não Térmicos Caracterização de Plasmas (Sondas Eletrostáticas, Espectrômetro de Massa, Espectrofotometria) Síntese e Tratamento de Materiais por Plasmas Frios (microeletrônica, mecânica, aeroespacial, energia, odontologia, medicina, etc) Desenvolvimento de Sensores Baseados em Filmes Finos Desenvolvimento e estudo de reatores a plasma em diferentes faixas de pressão de operação Estudo da Combustão e Gaseificação Assistida a Plasma Tecnologia de Ozônio (aplicações em medicina e meio ambiente) Caos e Dinâmica não linear - Aplicações: fusão termonuclear controlada e processos de dínamo não linear

5 plasma (elétrons+ions) energia solido (gelo) energia gás (vapor) energia líquido (água)

6 O que é plasma? Plasma ( - substância moldável ) Gás parcialmente ou totalmente ionizado, Possui densidades de cargas positivas e negativas praticamente iguais (quasi-neutro) O termo plasma foi criado em 1923 por Langmuir and Tonks quando estudavam descargas elétricas em gases. Plasmas totalmente ionizados são chamados plasmas quentes ou plasmas de altas temperaturas, como o observado nas estrelas e em reatores de fusão nuclear. Plasmas com baixo grau de ionização são chamados plasmas frios ou plasmas de baixas temperaturas, como o que ocorre nas auroras, chamas, arcos, descargas luminescentes, etc.

7 Classificação de plasmas: térmicos e não-térmicos Plasma não-térmco: não possui equilíbrio termodinâmico T e >>T i T g Plasma térmico: possui equilíbrio termodinâmico T e T g T i

8 Classificação de Plasmas Plasmas não-térmicos ou frios Descargas em baixa pressão Plasmas térmicos ou quentes Microplasmas Tocha de plasma Grau de ionização:

9 Plasmas na natureza SOL Estrelas Nas estrelas Vento solar Calda dos cometas

10 Plasmas na natureza Aurora Boreal Vista da Terra Nas estrelas Vista do espaço

11 Plasmas na natureza Aurora boreal na Noruega, 2011 Nas estrelas

12 Plasmas na natureza RAIOS Nas estrelas

13 Necessidades: Câmara (Reator) Sistema de vácuo Fonte de potência (DC, RF, microondas) Eletrodos Gases Medidores de pressão e vazão de gases

14 Plasma CC R Entrada de gases Nas estrelas Espécies neutras Elétrons Sistema de vácuo Íons

15 Plasmas em laboratórios - Tipos 1) DC & AC Glow Cold Cathode Hot Cathode ( Filament discharge) Magnetron (Magnetized cold cathode) Dielectric Barrier Discharge 2) Radio Frequency (~ MHz) Capacitively Coupled (rf) Inductively Coupled Plasma (ICP) Helicon (Magnetically enhanced wave coupling) 3) Microwave (~1-20 GHz) Microwave Electron Cyclotron Resonance (ECR) (Magnetically enhanced wave coupling) 4) Thermal Plasmas Arcs Torches A escolha da fonte de potência depende do processo que se deseja realizar!

16 Elevada densidade de partículas de alta reatividade química jamais obtida por métodos químicos convencionais; Estas espécies quimicamente ativas produzem reações químicas em temperatura ambiente que em processos químicos convencionais só ocorreriam em altas temperaturas; Possibilidade de modificação apenas na superfície dos materiais sem alterar suas propriedades de volume.

17 a) Deposição b) Corrosão Revestimento com TiN

18 c) Modificação de Superfície (física e química) Elétrons, íons, radicais livres, radiação UV, etc. interagem com a superfície do material quebrando ligações químicas, criando radicais livres na superfície e novas reações químicas com a incorporação de novos elementos ou grupos proveniente do plasma. O PLASMA +,O - atoms/radicals photons electrons Ions - + reactived layer o CO CO 2 2 O Funcionalização de superfície Promoção de Adesão Melhorar molhabilidade da superfície Melhoria de biocompatibilidade

19 ALD Atomic layer deposition CVD Chemical vapor deposition PVD Physical vapor deposition

20 O filme é formado por átomos que são diretamente transportados da fonte para o substrato através da fase gasosa. Principais técnicas: Evaporação Feixe de elétrons (Electron-beam) Pulverização Catódica (Sputtering) Magnetron sputtering Crescimento epitaxial por feixe molecular (MBE)

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22 Usada com fontes DC, DC-pulsada ou RF. Objetivo: aumentar o grau de ionização do gás. Nível de Vácuo: 10-3 Torr Por que? A taxa de sputtering é elevada em baixas pressões (abaixo de 10 mtorr) poucas colisões entre as espécies do gás. Como? aumentar a probabilidade dos elétrons ionizarem o Ar através do aumento do caminho livre dos elétrons uso de campos elétricos e magnéticos cruzados (confinamento magnético). Raio de Larmor: elétrons

23 Revestimento com TiN Magnetron sputtering circular Reator contendo sistema magnetron sputtering Magnetron sputtering retangular

24 O filme é formado por reações químicas sobre a superfície do substrato. Deposição química a vapor em baixa pressão Revestimento com TiN (CVD) Térmico CVD assistido a plasma (PECVD) Deposição por camadas atômicas (ALD)

25 Revestimento com TiN

26 Revestimento com TiN

27 Revestimento com TiN This was the most common configuration in the semiconductor industry.

28 Revestimento com TiN

29 Biomedicina Automobilística Defesa Aeroespacial Optica Microeletrônica Aplicações Tecnológicas de Plasmas Energia solar Meio ambiente Papel Têxtil Telecomunicação

30 Baseados em filmes de SiC dopado e não dopado com N. Diagrama esquemático do sistema de deposição de filmes finos tipo catodo magnetron dual. Interior do reator, contendo 2 catodos magnetron, 2 shutter dos catodos magnetron e 1 porta-substrato + trilho para sua movimentação.

31 Aplicação do acelerômetro de SiC em uma turbina a gás. Principais etapas de fabricação a serem desenvolvidas/otimizadas no LPP: Oxidação térmica da lâmina de Si; Corrosão anisotrópica do Si para formação da viga e da massa inercial; Deposição do filme de SiC sobre a viga de Si.

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33 Células solares fotoeletroquímicas TiO 2 TiO x N y TiO x N y E g = 3.2 ev E g = 2.5 ev E g = 1.94 ev Non-doped Lightly doped Heavily doped

34 Corrosão de silício - RIE 0.2 μm silicon

35 Corrosão de Silício em Plasma de SF 6 /O 2 /CHF 3 SF 6 isotrópico CHF 3 perfil negativo Química da mistura SF 6 /O 2 /CHF 3 O 2 Cor. Física Perfil positivo

36 Deposição e corrosão de filmes de carbono tipo diamante através de técnicas assistidas por plasma Filme a-c, 25sccm O 2, 100mTorr, 50 W M. Massi, H. S. Maciel, P. B. Verdonck LPP -ITA Filme a-c:h, 25sccm O 2, 50mTorr, 50 W

37 Jato de Plasma Corrosão

38 Lubrificante Sólido: Filmes de DLC, DLC/Ag e DLC/Diamante Peças usadas em satélites

39 Filmes de DLC, DLC/Ag e DLC/Diamante

40 (c) %T (b) %T (a) %T CH CH 2 CH OH -COOH C=C -C-O C=C vinil disappearance of the CH 2 CH 3 peaks cm -1 FT-IR/ATR analyze of EPDM rubber (a) without treatment, (b) treated with O 2 /Ar plasma, (c) treated with N 2 /Ar plasma.

41 Túnel de vento a plasma Teste de materiais de proteção térmica

42 Atmosfera Baixa pressão

43 WVTR (g/cm 2 -s-cm Hg) HMDSO 4 OTR (cc/m 2 -s-cm Hg) WVTR (g/m 2 -jour) Defect density, n (mm -2 ) Filmes dielétricos (SiO 2 e SiN X utilizados como barreira de permeação de O 2 e vapor de H 2 O sobre PET 1E Microwave Generator MWAplicator QuartzWindow RFElectrode 1E-9 1E-10 SiO Flowmeters Plasmazone PETFilm 1E SiH NH Ar O 2 3 Turbo Pump 1E Coating thickness, d (nm) 0 Rotary Pump 1E-9 1E-10 WVTR SiN y MW/RF MW RF PET Motor Drive RFSource 1E-11 1 d c 1E Épaisseur de la Couche d (nm) 0.1 A.S. da silva Sobrinho, J.E. Klember-Sapieha, M.R.Wertheimer, EP Montreal

44 Obrigado pela Atenção!

45 Lei de Moore: O número de transistores dos chips teria um aumento de 100%, pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses. 45