deposição de filmes finos - david velez e inês calçôa 12.c

David Velez e Inês Calçôa 12.ºC

A p l i c a ç õ e s I n f o r m á t i c a s B

E s c o l a S e c u n d á r i a d e A l v e s R e d o l

A n o L e c t i v o 2 0 0 9 / 1 0

Deposição de Filmes Finos

Junho de 2010

Deposição de Filmes Finos David Velez – Inês Calçôa 12.ºC

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Índice

Pág. Introdução 3

1. Filmes Finos 4

1.1 O que são? 4

1.2 Processo Base 4

1.3 Propriedades Mecânicas 5

1.4 Propriedades Estruturais 5

1.4.1 Problemas estruturais dos filmes metálicos 5

1.5 Processos de deposição 5

1.5.1 Sputtering 5

1.5.2 Reactores de CDV 6

1.5.3 Evaporação 7

1.5.4 Galvanoplastia 8

2. Aplicações dos Filmes Finos 8

2.1 Células Fotoeléctricas 8

2.2 Óculos 9

2.3 Memórias de Computadores 9

3. A evolução da investigação 10

3.1 O caso Português – Centro de Investigação da Faculdade de Ciências da Universidade De Coimbra

11

3.2 Entrevista 11

3.2.1 Professora Doutora Marta de Oliveira 11

Conclusão 13

Fontes 14

Agradecimentos 14


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Introdução

Os primeiros vestígios de filmes finos datam de há 3000 anos atrás, quando os antigos egípcios

martelavam folhas de ouro até uma espessura de inferiores a 3 milímetros para serem usadas para fins

decorativos e de protecção contra a corrosão.

Hoje em dia, os filmes finos fazem parte do nosso quotidiano e estão presentes, desde certas bijutarias

“banhadas” a certos metais (como por exemplo ouro ou prata), até circuitos integrados e chips passando por

óculos protectores de radiações nocivas, como a radiação ultravioleta.

Com este trabalho pretendemos conhecer e divulgar o que são os filmes finos, quais os principais

processos de formação, onde estes são aplicados, e o que se pode esperar desta tecnologia, nomeadamente em

Portugal. Este último sector, gentilmente apresentado pela Professora Doutora Marta Oliveira e o Professor

Doutor João de Oliveira, ambos do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências da

Universidade de Coimbra.

A nossa escolha recaiu sobre este tema, uma vez que, apesar de não ser uma tecnologia recente, só muito

recentemente o seu processo foi cientificado, e desenvolvido com vista à expansão da técnica e seu

aperfeiçoamento. Outro motivo pelo qual optámos pela exploração desta tecnologia, foi a sua ligação à

informática, quer como dependente, quer como caminho de expansão desta ciência sempre em aperfeiçoamento

e mutação.


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1. Filmes Finos

1.1. O que são?

Dá-se o nome de filme fino a qualquer camada de pequena espessura aplicada num determinado material

com intuito de alterar as propriedades físicas da sua superfície, de modo a reforçar as zonas activas de um

mecanismo, elaborar elementos estruturais de dispositivos, entre outros. Estes podem ser condutores, semi-

condutores ou isolantes, de acordo com os materiais que formam o filme.

A deposição de filmes finos é, actualmente, uma tecnologia que permite a deposição de camadas (layers) com

elevado grau de pureza que, podem variar de espessuras de nanómetros (monocamada) até vários micrómetros

(multicamadas).

No que toca à geometria do substrato, a sua superfície pode ser bastante rugosa, logo, o filme tem de ter

uma boa aderência, baixa tensão e boa cobertura de degraus.

As propriedades do material diferem na sua forma sólida e em filme (diferente relação volume/área). Mas, as

propriedades dos filmes são altamente dependentes dos processos de formação.

FIG 1 – O substrato e o filme (camada superior, a branco),

imagem de microscopia de varrimento.

1.2. Processo Base

A base dos processos de deposição é a condensação de partículas de uma fase gasosa sobre um substrato.

Esta condensação começa por formar pequenos aglomerados aleatórios na superfície do substrato, denominados

por núcleos. Devido à maior aglomeração de partículas nos núcleos, estes crescem, tornando-se numa superfície

contínua, por fim.

FIG 2 – Fases do processo base de deposição.


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1.3. Propriedades mecânicas

Aderência – Deve ser muito boa; depende do grau de limpeza da superfície e da rugosidade do substrato. Um

certo nível de rugosidade ajuda a uma boa deposição, visto que aumenta a área de contacto. A testagem é feita

através do raspar da superfície, ou ainda perfuração com diversos níveis de tensão.

Tensão – Pode ser de compressão ou de expansão. A de compressão entende-se por uma expansão paralela á

superfície do substrato, enquanto que a de expansão se entende por uma contracção paralela à mesma

superfície. A tensão total resulta da soma de 3 tensões:

Térmica - diferentes coeficientes de expansão do filme e do substrato.

Externa - Pode resultar de outro filme, ou seja, de elementos exteriores

Intrínseca – Depende de certos parâmetros relacionados com o processo, tais como temperatura,

espessura, taxa de deposição, entre outros.

1.4. Propriedades estruturais

Os filmes são, quimicamente, grãos monocristalinos dispostos em várias direcções cristalográficas. Existe

uma relação bastante evidente entre o tamanho dos grãos e a temperatura de deposição, quanto maiores os

primeiros forem, mais elevada terá de ser a segunda.

A rugosidade é outra característica que tem relação directa com o tamanho dos grãos, como é, aliás,

intuitivo.

Relativamente à propriedade densidade, esta é de maior importância, uma vez que pode dar informação

sobre o nível de porosidade do filme, quando comparada com a densidade padronizada.

1.4.1. Problemas estruturais dos filmes metálicos

Além de poderem registar os problemas inerentes aos filmes em geral (contaminações, adesões, tensões,

degraus, fissuras e etc), os filmes metálicos podem ter problemas unicamente a si associados:

Hilrocks – protuberâncias devido aos diferentes coeficientes de expansão do metal, situações

estas que podem mesmo levas a curto-circuitos, entre camadas condutoras e problemas no processo litográfico;

Falta de electromigração – pouca mobilidade electrónica que provoca desníveis nas camadas

metálicas, formam-se então depressões no filme, que podem levar esta a ceder.

1.5. Processos de deposição

1.5.1. Sputtering

O processo de Sputtering (Pulverização catódica) é um processo utilizado para cobrir uma superfície

magnetizada com partículas (átomos) ejectadas de um alvo sólido, em oposição ao substrato, devido a

bombardeamento por partículas carregadas electricamente, normalmente iões Ar+.


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A técnica permite uma grande variedade de deposições (Alumínio e suas ligas, Platina, Ouro, Titânio,

Tungsténio e suas ligas, entre outros), bem como vantagens face à evaporação:

Deposição uniforme em grandes áreas;

Grande controlo dos parâmetros do processo;

Monitorização das propriedades do filme (degraus e grão);

Limpeza da câmara de reacção, sem exposição à atmosfera exterior;

A deposição multicamadas é possível, com a utilização de vários alvos;

Não existe produção de Raios-X, durante o processo.

Mas, apresenta também desvantagens, nomeadamente o custo do equipamento, alguns materiais

apresentam taxas de deposição muito baixas, o facto de a energia elevada das partículas que bombardeiam os

materiais poderem danificá-los e ainda o nível de impurezas várias que podem incorporar o filme

(nomeadamente, o gás residual).

A produção das partículas Ar+ é feita a partir de descargas luminosas, produzidas por dois eléctrodos

presentes na câmara.

Os degraus podem ser modificados, ora aqui está uma técnica apenas possível graças ao Sputtering,

utilizando o Facetamento, antes mesmo da deposição do Filme.

Para se obterem bons resultados na cobertura de degraus, sem utilizar o Facetamento, deve aquecer-se

previamente o substrato, o que aumenta a mobilidade dos átomos.

Em relação aos filmes compostos, estes podem ser produzidos em sputtering reactivo, sendo então

resultado da reacção dos gases colocados na câmara de reacção.

FIG 3 – Esquematização sintética do processo de Sputtering.

As espécies químicas do lado esquerdo, serão direccionadas para

um Alvo, onde será deposto o filme.

1.5.2. Reactores de CVD

Os reagentes específicos e os gases diluentes inertes são introduzidos numa câmara de reacção, e em

seguida a fase gasosa difunde-se até à superfície do substrato. OS reagentes são então absorvidos pela superfície.

Seguidamente os átomos absorvidos reagem e formam o filme, por fim, os excedentes da reacção são removidos

da câmara.

Embora seja preferível que a reacção ocorra apenas na superfície, esta ocorre também na fase gasosa,

situação esta que faz com que as partículas formadas nesta última incorporem o filme, produzindo defeitos.


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Características dos reactores de CVD:

Aplicações – Óxidos de baixas temperaturas

Vantagens – Simples, alta taxas de deposição e baixas temperaturas

Desvantagens – Cobertura de degraus difícil e contaminações.

FIG 4 – Esquematização do reactor de CVD, onde o bloco laranja

está animado de movimento de rotação de forma a que a fase gasosa (a azul)

se distribua de forma regular na superfície do substrato.

1.5.3. Evaporação

Pode ser realizada a partir do aquecimento do material fonte do filme, num ambiente de vácuo. O

material aquecido evapora-se e deposita-se nas superfícies da câmara de reacção, sendo que, logicamente,

apenas a deposição no substrato é desejada. São necessárias temperaturas bastante altas, por exemplo, para o

Alumínio são cerca de 1200ºC, e para o Tungsténio serão 3230ºC.

Esta técnica permite elevadas taxas de deposição, sem causar danos à superfície, uma vez que as espécies

incidentes são pouco energéticas, e não existem grandes perigos de contaminação. No entanto, a composição

química das ligas formadas não é quantificável. A uniformidade da deposição é conseguida através da rotação do

substrato, durante o processo.

A deposição por evaporação pode ser dividia em várias tipologias:

Aquecimento resistivo - a evaporação é provocada pelo aquecimento baseado em resistências;

Feixe de electrões – existe um feixe orientado de electrões para a remoção de átomos do material a ser

evaporado, que produzem filmes altamente puros;

Aquecimento indutivo – como o próprio nome indica, este é induzido por uma fonte de radiofrequências.

FIG 5 – Filme Fino de metal sobre plástico. Esta é uma utilização bastante

recorrente, em situações como as embalagens de produtos alimentares.


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1.5.4. Galvanoplastia

É um tratamento assim chamado em honra ao físico e químico italiano Luigi Galvani, é utilizado em

processos como a niquelagem, cromagem, douragem e zincagem, por exemplo. Baseia-se numa reacção

química de oxidação-redução, através da electrólise. O objecto a galvanizar liga-se ao cátodo (pólo negativo) e

a fonte de partículas do filme, ao ânodo.

A superfície do objecto que se pretende proteger deve estar bem limpa, de modo a que a camada

metálica adira bem. No caso da galvanização do plástico, esta representa uma opção viável se quisermos

tornar este leve e versátil material num bom condutor.

FIG 6 – Uma das aplicações da Galvanoplastia é o revestimento de

instrumentos musicais. Neste exemplo, temos uma trompete

revestida a Prata. Também se encontra em Ouro.

2. Aplicações dos Filmes Finos

2.1. Célula fotoelétrica

As células fotoeléctricas que usam filmes finos surgiram como resposta a uma geração mais antiga de

células fotoeléctricas feita a partir de Wafers de cristais de silício, sendo esta nova tecnologia que usa pouco

(1%) ou nenhum silício, mais atractiva economicamente, devido aos elevados preços do silício.

Existem vários tipos de constituições dos filmes finos deste tipo de geradores fotoeléctricos:

Telureto de cádmio – usa este composto químico (CdTe) numa layer semicondutora para absorver e

converter energia solar em energia eléctrica.

Silício Amorfo – uma layer de silício amorfo (ou cristalino ) depositado por evaporação. Uma layer

com a espessura de apenas um mícron deste material consegue absorver 90% da luz solar utilizável.

Célula Solar CIGS (Cobre-Índio-Gálio-Selênio) – Fórmula química CuInxGa(1-x)Se2, onde o x pode variar

ente 1 ( Cobre-Índio-Selénio puro) e 0 ( Cobre-Gálio-Selénio puro)

OPVC, organic photovoltaic cell - uma layer de óxido de índio e óxido de estanho (In2O3 e SnO2,

respectivamente) e uma layer de outro metal, tal como alumínio, magnésio ou cálcio, separadas por

um polímero

DSSC, dye-sensitized solar cell - filme fino de óxido de estanho

Sendo este tipo de células fotoeléctricas menos dependioso, permite um retorno mais rápido do

investimento inicial, sendo a de telureto de cádmio a mais rápida. Em certos casos, o tempo necessário para

obter o retorno do investimento, ou seja, o tempo necessário para produzir uma quantidade de energia igual

à que foi despendida na sua produção, chega a ser inferior a um ano, por oposição à tecnologia mais antiga

que demoraria cerca de 2 a 4 anos.


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De acordo com o estudo da BBC Research, The Global Market For Thin Films In Energy Aplications

(EGY060A), o mercado de aplicações para energia solar de filmes finos valia no ano de 2007 $1.1 mil milhões,

é esperado que venha a valer $3.9 mil milhões em 2013 (US$).

FIG 7 – A aplicação de Filmes Finos permite a criação de

células fotoeléctricas mais pequenas e funcionais.

2.2. Óculos

Embora os antigos óculos de vidro tenham uma grande resistência a riscos, a maioria dos plásticos a partir

dos quais os óculos actuais são feitos não possuí uma resistência tão elevada aos riscos, desta maneira, os

fabricantes de óculos desenvolveram filmes finos que pudessem ser depositados nos plásticos para lhe

conferirem maior protecção contra riscos.

Os materiais mais utilizados nestes filmes finos são o carbono similar a diamante (Diamond-like carbon ou

DLC) e o diamante policristalino, conferindo assim, numa camada espessura reduzida, de grande durabilidade

e transparente, uma de protecção eficaz contra riscos.

Quanto à protecção contra raios UV a grande maioria dos filmes finos protectores são filmes finos de

tungsténio e mais raramente de molibdénio, vanádio e titânio. A norma europeia EN 1836:2005 tem

quarto classificações quanto ao nível de protecção UV: "0" para protecção UV insuficiente, "2" para protecção

UH suficiente, "6" para boa protecção UHV e "7" para protecção UHV completa, significando a protecção

bloqueia mais de 95% dos raios UV.

FIG 8 – A utilização de Filmes Finos tem sido amplamente

aproveitada pela indústria dos óculos, seja em protecção

anti-UV, seja em tratamentos de prevenção de danos.


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2.3. Memórias de Computadores

As memórias de computadores de filmes finos são variantes de alta velocidade das memórias normais

compostas por núcleos de ferrite. Estas são compostas por filmes finos em forma de pontos com uma espessura

de 4 micrómetros de Permalloy, uma liga metálica composta de entre 70% a 90% de níquel, sendo o resto quase

exclusivamente ferro.

Estes pontos são depositados a vácuo numa placa de vidro, sendo a parte restante do circuito eléctrico que

forma memória adicionada através de circuitos impressos. Estas memórias permitem tempos de acesso na ordem

dos 670 nanossegundos, porém, os seus custos de produção são muito elevados.

Este tipo de memorias foi usado em computadores militares, onde os custos eram uma preocupação menor,

no computador UNIVAC 1107, para uso geral, ou em vários projectos de computadores de alta velocidade com na

linha System/360 da International Business Machine (IBM).

FIG 9 – Instalação do UNIVAC 1107. Grande parte

do desenvolvimento tecnológico deve-se

às necessidades militares.

3. A evolução da investigação

A primeira utilização documentada dos Filmes Finos remonta ao Egipto Antigo, onde estes eram usados

como forma de combater a corrosão de certos materiais, ou como forma de embelezamento de superfícies.

Nesta época, o material utilizado era o Ouro, sob forma de folha. O desenvolvimento de técnicas de produção

foi andando mais ou menos a par e passo com as necessidades e testes aleatórios (baseados em tentativas

sucessivas até obtenção do filme desejado), até à década de 80 do século passado.

FIG 10 – Artefactos como as máscaras funerárias eram

guarnecidos e protegidos com finas lâminas de certos metais.


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Com a explosão do desenvolvimento informático, e devido ao facto de se procurar uma economia de

espaço cada vez maior, em termos de componentes, os investigadores viraram-se para a produção de filmes

finos e sua aplicação. Esta mudança de estratégia deveu-se à possibilidade de reduzir o tamanho, a massa,

aumentar a durabilidade e resistência. Foi nesta altura que a Nano tecnologia se começou a afirmar enquanto

ciência do infinitamente pequeno, adicionando-se o seu contributo ao desenvolvimento dos processos de

deposição.

Os componentes que, até aqui, eram de cerâmica, e tinham inúmeros problemas associados, podiam

agora ser construídos a partir de outros materiais, melhores sob todos os pontos de vista.

Na actualidade, os processos sofrem modificações e sublimações constantemente. A busca pelos Super-

condutores é um óptimo veículo de desenvolvimento na área, podendo causar grandes revoluções, aquando

da sua produção e comercialização em larga escala.

3.1. O caso Português – Centro de Investigação da Faculdade de Ciências da Universidade de Coimbra

A Faculdade de Ciências da Universidade de Coimbra, ou mais concretamente, o Departamento de

Engenharia Mecânica, tem uma equipa a trabalhar directamente na área. Com diversas ligações no estrangeiro e

intercâmbio de ideias e amostras, dedica-se à testagem de filmes finos, avaliando a sua resistência a

determinados materiais.

Esta equipa, integrada por diversos investigadores, tem estreito contacto com uma outra, que se ocupa da

modulação matemática e construção de modelos e simulações, da qual faz parte a Professora Doutora Marta

Oliveira.

3.2. Entrevista

3.2.1. Professora Doutora Marta Oliveira

“Marta Cristina Cardoso de Oliveira concluiu em 1997 a Licenciatura em Engenharia Mecânica, pela

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, com a classificação final de 17 valores. Em 1999

obteve o grau de Mestre em Ciências de Engenharia Mecânica na área de especialização Tecnologia e Materiais,

no Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra –

FCTUC, com a classificação final de Muito Bom. Concluiu em Julho de 2005 o Doutoramento em Engenharia

Mecânica, na especialidade de Tecnologia da Produção, no Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade

de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra – FCTUC, tendo sido aprovada com distinção e louvor. É co-

autora de 16 artigos em revistas de circulação internacional com arbitragem científica, citados pelo Institute of

Scientific Information – ISI Web of Science. Integra a equipa de desenvolvimento da família de programas DD3,

dedicada à simulação numérica das tecnologias de conformação plástica.”

(https://woc.uc.pt/dem/person/ppgeral.do?idpessoa=43)

https://woc.uc.pt/dem/person/ppgeral.do?idpessoa=43


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Pergunta 1: Quais são os principais programas utilizados no que respeita à modelação ligado à produção de filmes finos?

Existem dois grandes tipos de programas de simulação numérica que são utilizados na modelação. O primeiro grupo é a simulação da dinâmica molecular (molecular dynamics). Neste caso, o programa simula a interacção entre os átomos e/ou moléculas. O segundo grupo é a simulação do meio contínuo (continuum mechanics), tipicamente, realizada com o auxílio do método dos elementos finitos (Finite element method). Neste caso, o programa simula a interacção entre o filme e o substrato.

Pergunta 2: Qual o auxilio que a modelação matemática pode oferecer à produção de filmes finos?

No caso da simulação da dinâmica molecular procura-se avaliar até que ponto uma determinada combinação de átomos e condições de processo de deposição pode resultar na estrutura pretendida. No caso da simulação do meio contínuo podem utilizar-se duas abordagens distintas: (i) análise directa; (ii) análise inversa. Na análise directa, podem-se testar diferentes combinações de materiais, com diferentes propriedades mecânicas, de modo a determinar qual a combinação que permite obter o comportamento final pretendido. A análise inversa é aplicada para proceder à caracterização mecânica dos filmes previamente depositados. Ou seja, com base na análise dos resultados experimentais de diferentes ensaios, determinar as propriedades mecânicas do filme depositado. Isto porque, quando se trata de filmes finos é muito difícil realizar ensaios mecânicos que permitam avaliar apenas o filme (existe sempre alguma interferência do substrato).

Pergunta 3: Quais as principais vantagens da utilização da informática para além da economia de recursos?

As vantagens da utilização da simulação numérica nesta área são as mesmas de outras áreas de engenharia. Permite poupar tempo, recursos e dinheiro. Neste caso, permite evitar a produção e/ou caracterização de filmes com pouco potencial de aplicação.

Pergunta 4: Quais as carreiras mais ligadas à modelação matemática?

Não sei se entendo a questão. Todos os cursos de engenharia têm, obrigatoriamente, no seu plano de estudos uma disciplina na área da análise numérica. A análise numérica é um ramo da matemática que visa o desenvolvimento de métodos que permitem a resolução de problemas cuja resolução analítica é difícil ou mesmo impossível. O desenvolvimento de computadores permitiu a aplicação destes métodos de forma muito versátil às mais diferentes áreas da física, engenharia, medicina, biologia, química. Dadas as enormes vantagens da simulação numérica, é óbvio que todas estas áreas estarão cada vez mais ligadas à modelação matemática. Com o aumento dos recursos computacionais, os modelos serão também cada vez mais complexos e representativos dos fenómenos que se pretendem simular.

Pergunta 5: Com o avanço técnico será possível reduzir o espaço de laboratório à secretária?

Esse não é o objectivo. Não existe simulação numérica sem confrontação com resultados experimentais. Por outro lado, é sempre necessário realizar experiências que permitam definir os dados de entrada para as simulações.


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Conclusão

Ao concluir a investigação que originou este trabalho vimo-nos rodeados de material bastante

interessante, bem como diversificado. Para além de ficarmos a conhecer bastante melhor a dinâmica dos filmes

finos, alargamos os nossos conhecimentos noutras áreas científicas, nomeadamente na Física e Química.

Os Filmes Finos integram grande parte das estruturas que conhecemos e usamos no nosso quotidiano, e,

apesar de não parecer, são aplicados com as mais diversas funções, como já foi referido num ponto anterior deste

mesmo trabalho. Os conhecimentos e as necessidades de outras áreas (como é o caso das Memórias dos

computadores) ajudaram a desenvolver novos processos de deposição e a aperfeiçoar e triar outros.

Consideramos que esta será uma área sempre nova, daquelas que estão em constante evolução, pelas exigências

do momento. A Informática está também integrada em tudo isto: providencia software e utiliza os

desenvolvimentos da área para evoluir em termos de componentes.

Existirão sempre novas profissões ligadas ao desenvolvimento de tecnologias emergentes, ou então

profissões que, devido à sua versatilidade acompanharão o avanço dos tempos.


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Fontes

https://woc.uc.pt/dem/ (17 de Maio de 2010)

http://www.ccs.unicamp.br/cursos/fee107/download/cap11.pdf (20 de Maio de 2010)

http://home.utad.pt/~ptavares/t_cap3.pdf (19 de Maio de 2010)

http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9trica (19 de Maio de 2010)

http://www.liec.ufscar.br/ceramica/pesquisa/filmesfinos/ (18 de Maio de 2010)

http://science.howstuffworks.com/sunglass.htm/printable (18 de Maio de 2010)

http://alacritas-consulting.com (24 de Maio de 2010)

http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/energia/conteudo_407096.shtml (24 de Maio de 2010)

http://en.wikipedia.org/wiki/LSC (24 de Maio de 2010)

Agradecimentos

Agradecemos a Visita muito agradável e esclarecedora que tivemos às instalações do Departamento de

Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências da Universidade de Coimbra, em especial à Professora Doutora

Marta Oliveira e ao Professor Doutor João de Oliveira.

https://woc.uc.pt/dem/

http://www.ccs.unicamp.br/cursos/fee107/download/cap11.pdf%20(20

http://home.utad.pt/~ptavares/t_cap3.pdf%20(19

http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9trica

http://www.liec.ufscar.br/ceramica/pesquisa/filmesfinos/

http://science.howstuffworks.com/sunglass.htm/printable%20%20(18

http://alacritas-consulting.com/

http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/energia/conteudo_407096.shtml%20(24

http://en.wikipedia.org/wiki/LSC

deposição de filmes finos - david velez e inês calçôa 12.c

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