Filmes de alumina depositados por metodologia híbrida de plasma - Blanco, Ricardo Rodrigues [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2019)
O composto acetilacetonato de alumínio, AAA, é normalmente utilizado para sintetizar filmes de alumina pelo método de deposição química de vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD). Estudos recentes têm demonstrado também a possibilidade de se criar filmes à base de alumínio a partir do sputtering reativo deste composto em plasmas de radiofrequência de misturas de argônio e oxigênio. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a possibilidade de utilizar tensão contínua pulsada, DC, diferentemente dos relatos da literatura, para depositar filmes à base de Al pelo sputtering reativo do AAA. Esta proposta é justificada pelo fato da excitação com tensão contínua pulsada na configuração elétrica aqui empregada, permitir o simultâneo aquecimento do composto precursor e das amostras, ao mesmo tempo em que proporciona o estabelecimento do plasma. Além de favorecer a criação de estrutura estequiométrica, pela remoção de orgânicos, o aquecimento pode possibilitar a precipitação de fases cristalinas da alumina. Para realização deste trabalho foi utilizado um reator capacitivamente acoplado em que o pó do AAA foi acondicionado no centro do eletrodo inferior e os substratos acomodados ao seu redor. O plasma foi estabelecido pela aplicação de sinal DC pulsado (-300 à -400 V, 20 kHz, pulsos 48/50 µs) no único eletrodo (porta amostras) enquanto toda a carcaça e tampa superior permaneceram aterrados. Foram investigadas duas diferentes condições. A primeira avaliou-se o efeito da potência do sinal de excitação do plasma, P, variada de 200 a 500 W e o efeito do tempo, t, em filmes produzidos com plasmas de baixa (200 W) e alta potência (500 W), nos mecanismos de deposição e propriedades dos filmes produzidos por esta nova metodologia, mantendo-se os demais parâmetros do processo constantes. Determinou-se também a relação entre a potência de excitação do plasma e a temperatura do eletrodo onde encontravam-se as amostras e o composto precursor. A espessura dos filmes, h, foi medida pela técnica de perfilometria e, com o auxílio do tempo do processo, t, derivou-se a taxa de deposição dos filmes pela relação h/t. A microestrutura superficial foi avaliada pelas técnicas de microscopia eletrônica de varredura, MEV, e de força atômica, AFM. A composição química e o estado de ligação das espécies foram investigados por espectroscopia de energia dispersiva, EDS, e de fotoelétrons de raios X, XPS. A estrutura molecular e a estrutura cristalina dos revestimentos foram avaliadas, respectivamente, por espectroscopia no infravermelho (Infrared Reflectance Absorbance Spectroscopy) e por difração de Raios X, DRX. Os filmes podem ser caracterizados como óxidos de alumínio uma vez que são majoritariamente compostos por Al e O com C surgindo como um contaminante. A proporção de orgânicos na estrutura é observada ser progressivamente reduzida com o aumento de P. Há contínua elevação na temperatura do processo com o aumento de P produzindo reduções na taxa de deposição, espessura e densidade de camada. A segunda condição avaliou-se o efeito do tempo de processo de deposição t, variada de 7,30 e 70 min para P = 200 W e 2,4,7,30 e 70 min para P = 500 W. Para deposições com baixa potência (P = 200 W) e tempo reduzido ( t = 7 min) nenhum elemento característico do filme foi identificado, somente quando este tempo foi superior há 30 minutos caracterizou-se um filme com elevadas proporções de orgânicos e com baixa incorporação de Al e O. Os filmes produzidos com alta potência e com tempos reduzidos (t = 2 e 4 min), apresentaram elevadas taxas de deposição (400 até 500 nm/min), quando este tempo foi prolongado, a houve uma queda na taxa de deposição devido a extinção do precursor. Estes apresentaram baixa incorporação de orgânicos e elevadas proporções dos elementos Al e O.

The aluminum acetylacetonate compound, AAA, is usually used to synthesize alumina films by the chemical vapor deposition method (CVD). Recent studies have also demonstrated the possibility of creating aluminum-based films from the reactive sputtering of this compound in radiofrequency plasmas of argon and oxygen mixtures. The purpose of the present study was to evaluate the possibility of using pulsed DC voltage, another the literature reports, to deposit Al based films by AAA reactive sputtering. This proposal is justified by the fact that pulsed continuous voltage excitation in the electrical configuration employed here allows the simultaneous heating of the precursor compound and samples, while providing the establishment of the plasma. In addition to favoring the creation of a stoichiometric structure, by the removal of organic, the heating may allow the precipitation of crystalline phases of the alumina. To perform this work, a capacitively coupled reactor was used in which the AAA powder was conditioned at the center of the lower electrode and the substrates accommodated around it. Plasma was established by applying pulsed DC signal (-300 to -400 V, 20 kHz, pulses 48/50 μs) on the single electrode (sample holder) while the entire housing and top cover remained grounded. Two different conditions were investigated. The first one evaluated the effect of plasma excitation signal power, P, varied from 200 to 500 W and the effect of time, t, on films produced with plasma (200 W) and high power (500 W), in the mechanisms of deposition and properties of the films produced by this new methodology, keeping the other parameters of the process constant. The relationship between the plasma excitation power and the electrode temperature was also determined, where the samples and the precursor compound were placed. The thickness of the films, h, was measured by the profilometry technique and, with the aid of process time, t, the deposition rate of the films was derived by the h / t ratio. The surface microstructure was evaluated by scanning electron microscopy, MEV, and atomic force, AFM. The chemical composition and binding state of the species were investigated by dispersive energy spectroscopy, EDS, and X-ray photoelectrons, XPS. The molecular structure and the crystalline structure of the films were evaluated, respectively, by Infrared Reflectance Absorbance Spectroscopy and by X-ray diffraction, XRD. Films can be characterized as aluminum oxide since they are mainly composed by Al and O with C appearing as contaminant. The proportion of C decreases with increasing P. There is continuous rise in the process temperature with increasing P producing a reduction in deposition rate, film thickness and density. Interpretation is proposed in term of the P effect on the plasma kinetics and holder temperature. The second condition was evaluated the effect of the deposition process time t, varied from 7.30 and 70 min for P = 200 W and 2,4,7,30 and 70 min for P = 500 W. For depositions with low (P = 200 W) and time reduced (t = 7 min) no characteristic element of the film was identified, only when this time was higher 30 minutes was characterized a film with high proportions of organic and with low incorporation of Al and (T = 2 and 4 min) showed high deposition rates (400 to 500 nm / min), when this time was prolonged, there was a drop in deposition rate due to extinction of the precursor.These presented low incorporation of organic and high proportions of the elements Al and O.
Films of alumina deposited by hybrid methodology of plasma
Keywords: Acetilacetonato de alumínio; Al2O3; Sputtering reativo; Filmes protetivos; Reactive sputtering; Protective films