Projeto de sistemas de vácuo para tratamento de superfícies metálicas utilizando triodo magnetron sputtering

Abstract

Este trabalho visa desenvolver e dimensionar um sistema e câmara de vácuo para a deposição de filmes finos por meio de Triodo Magnetron Sputtering Reativo - TMSR (ou Reactive Grid Assited Magnetron Sputtering - RGAMS), uma junção de duas técnicas de deposição de filmes finos, o Sputtering Reativo e o Triodo Magnetron Sputtering. O processo de deposição base é o Sputtering Reativo de Nitreto de Titânio gradado (TiNx). Esse processo utiliza os íons provenientes de plasma de descarga fria para vaporizar o Titânio que em contato com o gás Nitrogênio forma a reação: 𝑁2(𝑔) + 2𝑇𝑖(𝑔) → 2𝑇𝑖𝑁(𝑠). Esse método é semelhante ao Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD, porém no Sputtering Reativo, a energia do plasma é utilizada para a vaporização do Titânio, enquanto no PECVD, a energia atua como catalisador para a reação química de deposição. O Triodo Magnetron Sputtering - TMS (Grid Assited Magnetron Sputtering - GAMS) é um processo de deposição por vaporização física (Physical Vapor Deposition - PVD). O Magnetron Sputtering do tipo Triodo se destaca pelo campo magnético na região do alvo e pela presença da tela entre o substrato e o alvo. Esses elementos condensam o plasma de maneiras diferentes, o que traz vantagens na deposição, como a possibilidade de trabalhar com pressões menores, menor implantação de Nitrogênio no alvo de Titânio e menor aquecimento do substrato e do filme fino produzido. O projeto dimensiona todas as ferramentas e dispositivos de vácuo necessários para o processo de deposição, para que assim esse possa prover as melhores propriedades tribológicas para o filme. A proposta de sistema e câmara de vácuo apresentada é relevante para a indústria de semicondutores (microeletrônica), ferramentas e energia, que utilizam a deposição de materiais e revestimentos metálicos ou cerâmicos para aumentar a dureza e a vida útil das ferramentas, bem como para a fabricação de células de combustível e painéis solares. Além disso, esse projeto tem importância na construção de câmaras de vácuo para pesquisas, tanto nos laboratórios da Faculdade de Tecnologia de São Paulo (FATEC-SP) quanto em outras instituições de ensino superior da área. Isso contribui para futuros estudos sobre Filmes Finos, Materiais, Tecnologia de Plasma e Vácuo, agregando valor ao conhecimento acadêmico e científico.

This work aims to develop and dimension a vacuum system and chamber for the deposition of thin films through Triodo Magnetron Sputtering Reativo - TMSR (or Reactive Grid Assited Magnetron Sputtering - RGAMS), a combination of two thin film deposition processes: Reactive Sputtering and Triode Magnetron Sputtering. The base deposition process is the Reactive Sputtering of graded Titanium Nitride (TiNx). This process uses ions from plasma to vaporize Titanium which in contact with Nitrogen gas forms the reaction: 𝑁2(𝑔) + 2𝑇𝑖(𝑔) → 2𝑇𝑖𝑁(𝑠). This method is similar to Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD, but in Reactive Sputtering, the plasma energy is used for Titanium vaporization, while in PECVD, the energy acts as a catalyst for the chemical deposition reaction. The Triodo Magnetron Sputtering - TMS (or Grid Assisted Magnetron Sputtering GAMS) is a Physical Vapor Deposition (PVD). The Triode type Magnetron Sputtering stands out for the magnetic field in the target region and the presence of the grid between the substrate and the target. These elements condense the plasma differently, which brings advantages in the deposition process, such as the possibility to work with lower pressures, reduced Nitrogen implantation on the Titanium target, and lower heating for the substrate and the produced thin film. The project dimensions all the necessary vacuum tools and devices for the deposition process, so that it can provide the best tribological properties for the film. The proposed vacuum system and chamber are relevant to the semiconductor industry (microelectronics), tools, and energy sectors, which use material deposition and metallic or ceramic coatings to increase tool hardness and lifespan, as well as for the manufacturing of fuel cells and solar panels. Additionally, this project is of importance for building vacuum chambers for research purposes, both in the laboratories of São Paulo State Technological College (FATEC-SP) and other higher education institutions in the field. This contributes to future studies on Thin Films, Materials, Plasma Technology, and Vacuum, adding value to academic and scientific knowledge.