Plasmas e suas Aplicações Tecnológicas Prof. Argemiro Soares da Silva Sobrinho Laboratório de Plasmas e Processos -LPP Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA argemiro@ita.br 1
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
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
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
plasma (elétrons+ions) energia solido (gelo) energia gás (vapor) energia líquido (água)
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.
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
Classificação de Plasmas Plasmas não-térmicos ou frios Descargas em baixa pressão Plasmas térmicos ou quentes Microplasmas Tocha de plasma Grau de ionização:
Plasmas na natureza SOL Estrelas Nas estrelas Vento solar Calda dos cometas
Plasmas na natureza Aurora Boreal Vista da Terra Nas estrelas Vista do espaço
Plasmas na natureza Aurora boreal na Noruega, 2011 Nas estrelas
Plasmas na natureza RAIOS Nas estrelas
Necessidades: Câmara (Reator) Sistema de vácuo Fonte de potência (DC, RF, microondas) Eletrodos Gases Medidores de pressão e vazão de gases
Plasma CC R Entrada de gases Nas estrelas Espécies neutras Elétrons Sistema de vácuo Íons
Plasmas em laboratórios - Tipos 1) DC & AC Glow Cold Cathode Hot Cathode ( Filament discharge) Magnetron (Magnetized cold cathode) Dielectric Barrier Discharge 2) Radio Frequency (~0.1-100 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!
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.
a) Deposição b) Corrosão Revestimento com TiN
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
ALD Atomic layer deposition CVD Chemical vapor deposition PVD Physical vapor deposition
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)
Source: http://www.gencoa.com/tech/fundamental.html Source: http://www.ajaint.com/whatis.htm
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
Revestimento com TiN Magnetron sputtering circular Reator contendo sistema magnetron sputtering Magnetron sputtering retangular
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)
Revestimento com TiN
Revestimento com TiN
Revestimento com TiN This was the most common configuration in the semiconductor industry.
Revestimento com TiN
Biomedicina Automobilística Defesa Aeroespacial Optica Microeletrônica Aplicações Tecnológicas de Plasmas Energia solar Meio ambiente Papel Têxtil Telecomunicação
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.
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.
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
Corrosão de silício - RIE 0.2 μm silicon
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
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
Jato de Plasma Corrosão
Lubrificante Sólido: Filmes de DLC, DLC/Ag e DLC/Diamante Peças usadas em satélites
Filmes de DLC, DLC/Ag e DLC/Diamante
(c) %T (b) %T (a) %T CH 3 105 90 75 60 CH 2 CH 3 90 75 60 45 30 -OH -COOH C=C -C-O C=C vinil 100 90 80 70 disappearance of the CH 2 CH 3 peaks 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 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.
Túnel de vento a plasma Teste de materiais de proteção térmica
Atmosfera Baixa pressão
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-8 2500 Microwave Generator MWAplicator QuartzWindow RFElectrode 1E-9 1E-10 SiO 2 2000 1500 Flowmeters Plasmazone PETFilm 1E-11 1000 500 SiH NH Ar O 2 3 Turbo Pump 1E-12 0.0 10 100 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-12 0 10 100 Épaisseur de la Couche d (nm) 0.1 A.S. da silva Sobrinho, J.E. Klember-Sapieha, M.R.Wertheimer, EP Montreal
Obrigado pela Atenção! argemiro@ita.br
Lei de Moore: O número de transistores dos chips teria um aumento de 100%, pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses. 45