Estudo do processo de deposição por camada atômica assistida por água ativada à plasma para síntese de filmes finos de Al2O3 visando aplicações em recobrimento de materiais
Author
João Pedro Magalhães Chaves
Advisors
- Advisor Rodrigo Sávio Pessoa
- Co-advisor Argemiro Soares da Silva Sobrinho
Concentration Area
Física de Plasmas
Program
Física
Defense Date
27/06/2022
Thesis Number
78690
Abstract
Na técnica de deposição por camadas atômicas (Atomic Layer Deposition ou ALD) de óxidos metálicos, em especial da alumina (Al2O3), quando operada em modo t[ermico (150ºC), é praxe utilizar o vapor de água deionizada como precursor oxidante do precursor metálico trimetilalumínio (TMA). Entretanto, a taxa de crescimento por ciclo (Growth Per Cycle - GPC) do filme de Al2O3 sobre o substrato resultante da reação do TMA com água deionizada é limitada a, no máximo, 0,100 nm/ciclo dentro da "janela operativa ALD". Para aumentar a taxa de crescimento, existem técnicas na literatura denominadas de "ALD assistido por métodos energéticos" (energy enhanced ALD), onde os precursores fornecem uma maior energia de ativação durante o processo de oxidação do precursor metálico TMA e, por conseguinte, permitem uma maior eficiência de geração de sítios ativos para posteriores reações. As modificações mais conhecidas, neste caso, são feitas no pulso oxidante do processo de ALD térmico como o uso de plasma de oxigênio (PEALD) ou de ozônio. Dentro deste escopo, neste trabalho de mestrado, propõe-se uma modificação inédita neste processo, fazendo uso de deposição por camada atômica assistida por água ativada a plasma (Plasma Activated Water Enhanced Atomic Layer Deposition (PAW-E-ALD)). A técnica consiste no uso indireto do plasma no processo de oxidação da ALD, sendo utilizada a água ativada a plasma como oxidante. O uso da tecnologia de plasma atmosférico para ativar líquidos através de modificações em sua composição química, como por exemplo na mudança de pH (geralmente para ácido) tem mostrado grande potencial em campos da medicina, odontologia e agricultura, e ainda assim é uma recente linha de pesquisa. Neste trabalho, verificou-se a capacidade da água ativada por plasma (PAW) em realizar a etapa oxidativa da molécula de TMA durante a formação do Al2O3 em ALD térmico. A água deionizada foi ativada em diferentes períodos de tempo utilizando um sistema de jato de plasma do tipo "Arco deslizante" operando em pressão atmosférica. Após a ativação, amostras de águas com diferentes valores de pH foram utilizadas na deposição de Al2O3 por ALD. Foram obtidas PAWs com pH de 3,6 (amostra PAW 3,6), 3,1 (amostra PAW 3,0) e 2,7 (amostra PAW 2,7) e determinados os GPCs para essas amostras, bem como a amostra de controle (água deionizada com pH em torno de 6,7), que foram GPCcontrole = 0,100 nm/ciclo, GPCPAW 3,6 = 0,110 nm/ciclo, GPCPAW 3,1 = 0,120 nm/ciclo e GPCPAW 2,7 = 0,105 nm/ciclo. Os resultados demonstraram a capacidade da PAW em melhorar a taxa de crescimento da alumina em processo ALD térmico em até 17%, o que é comparável ao resultado obtido por processo PEALD. Evidenciou também que o efeito indireto do plasma é válido para processo de formação de filmes finos no processo ALD. Depois desta constatação, focou-se nos estudos da cinética de reação entre o TMA e a PAW in situ via espectrometria de massas bem como estudos ex-situ da química e morfologia do filme formado para diferentes números de ciclo e pH através das técnicas de FT-IR, XPS, EDS e FEG/SEM.
