Propriedades ópticas e mecânicas de filmes finos a-C:H:Si:O:N e a-C:H:Si:F:N produzidos por deposição à vapor químico assistido por plasma

Abstract

Filmes do tipo a-C:H:Si:O, onde a indica amorfo, têm potencial para aplicações tribológicas e apresentam boa estabilidade térmica e adesão a diversos substratos. Filmes a-C:H:Si:N e a-Si:N:H são úteis como revestimentos duros e camadas isolantes em transistores de filmes finos, respectivamente. Materiais similares, dos tipos a-C:H:Si:O:N e a-C:H:Si:F:N, obtidos por Deposição à Vapor Químico Assistido por Plasma ou PECVD (do inglês Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) foram estudados neste trabalho, e a influência da composição e estrutura química dos filmes nas suas propriedades ópticas e mecânicas foi delineada. Os filmes finos examinados neste estudo são complexos, contendo pelo menos cinco elementos em estequiometrias diferentes. Suas estruturas químicas também variam, dependendo dos parâmetros de deposição, como os fluxos dos gases, a potência aplicada e a posição dos substratos no reator. Filmes a-C:H:Si:O:N foram depositados a partir de hexametildissiloxano (HMDSO), oxigênio (O2) e nitrogênio (N2). A pressão do HMDSO foi mantida em 60 mTorr, assim como a pressão parcial total de O2 e N2. Filmes a-C:H:Si:F:N foram depositados a partir de tetrametilsilano (TMS), hexafluoreto de enxofre (SF6) e N2. A pressão do TMS foi mantida em 96 mTorr, e a pressão parcial total dos outros gases foi de 24 mTorr. A espessura e a rugosidade foram medidas por perfilometria. Filmes com 6 mTorr de O2 apresentaram taxas de deposição de 27 nm/min, e aqueles com 2,4 mTorr de SF6, taxas de 19 nm/min. A morfologia superficial foi examinada por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e as concentrações dos elementos foram medidas por Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios-X (EDS). O aumento na pressão parcial de O2 levou à diminuição da concentração atômica de carbono, enquanto com a introdução de SF6 no sistema, a concentração de carbono aumentou. Espectroscopia de Transmitância no Infravermelho (FTIR) foi empregada para identificar os grupos químicos presentes nos filmes depositados. A detecção de estruturas como Si-O-C e Si-N-Si indicaram a fragmentação de moléculas de HMDSO e a incorporação de nitrogênio no material depositado. A fragmentação de moléculas de TMS resultou na presença de grupos Si-CH3. Através da goniometria foram observados ângulos de contato de gotas de água entre 75 e 95° nos filmes a-C:H:Si:O:N, e o aumento aconteceu de acordo com a concentração de carbono. Nos filmes fluorados, houve diminuição do ângulo de contato com o aumento da pressão de SF6. As propriedades ópticas foram estimadas a partir dos espectros obtidos por Espectroscopia no Ultravioleta-Visível-Infravermelho Próximo (UV-Vis). Índices de refração relativamente baixos foram identificados, entre 1,48 e 1,61, sendo pouco maiores para os filmes com F. O gap óptico também foi maior nos filmes fluorados, com valores até 4,07 eV. As propriedades mecânicas foram obtidas por nanoindentação. Os filmes depositados com 6 mTorr de O2 apresentaram a melhor combinação de propriedades mecânicas, com elevada dureza (7 GPa) e o módulo de Young reduzido (48 GPa). Já as propriedades mecânicas diminuíram consideravelmente com a introdução de SF6 no sistema, com durezas em torno de 1 GPa, módulos de Young entre 15 e 30 GPa e rigidez entre 8 e 13 µN/nm.

Thin a-C:H:Si:O films, where a indicates amorphous, have the potential for tribological applications and have good thermal stability and adhesion to various substrates. Films a-C:H:Si:N and a-Si:N:H find application as hard coatings and insulating layers in thin film transistors, respectively. Similar materials, a-C:H:Si:O:N and a-C:H:Si:F:N, obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, or PECVD, were studied in this work, and the influence of the composition and chemical structure on their optical and mechanical properties outlined. The thin films examined in this study are complex, containing at least five elements in different stoichiometries. Their chemical structures also vary, with dependencies on deposition parameters, such as gas flows, applied power, and the position of substrates in the reactor. Thin a-C:H:Si:O:N films were deposited from hexamethyldisiloxane (HMDSO), oxygen (O2), and nitrogen (N2). The HMDSO pressure was maintained at 60 mTorr, as well as the total partial pressure of O2 and N2. Thin a-C:H:Si:F:N films were deposited from tetramethylsilane (TMS), sulfur hexafluoride (SF6) and N2. The TMS pressure was maintained at 96 mTorr, and the total partial pressure of the other gases was 24 mTorr. Thickness and roughness were measured by profilometry. Films with 6 mTorr of O2 showed deposition rates of 27 nm/min, and those with 2.4 mTorr of SF6, rates of 19 nm/min. The surface morphology was analyzed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and the concentrations of the elements were obtained by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). The increase in partial pressure of O2 led to a decrease in the atomic concentration of carbon, while with the introduction of SF6 in the system, the concentration of carbon increased. Infrared Transmittance Spectroscopy (FTIR) was used to identify the chemical groups present. The detection of structures such as Si-O-C and Si-N-Si indicated the fragmentation of HMDSO molecules and the incorporation of nitrogen in the deposited material. The fragmentation of TMS molecules resulted in the presence of Si-CH3 groups. Through goniometry, water droplet contact angles between 75 and 95° were observed on a-C:H:Si:O:N films, and an increase occurred according to the carbon concentration. The fluorinated films showed a decrease in the contact angle with an increase in SF6 pressure. The optical properties were estimated from the spectra obtained by Ultraviolet-Visible-Near Infrared Spectroscopy (UV-Vis). Relatively low refractive indices were identified, between 1.48 and 1.61, being slightly higher for films with F. The optical gap was also greater in fluorinated films, with values up to 4.07 eV. The mechanical properties were obtained by nanoindentation. Films deposited with 6 mTorr of O2 showed the best combination of mechanical properties, with high hardness (7 GPa) and reduced Young’s modulus (48 GPa). The mechanical properties decreased considerably with the introduction of SF6 into the system, with a hardness of around 1 GPa, Young’s modulus between 15 and 30 GPa, and stiffness between 8 and 13 µN/nm.