Cálculo de tensões residuais em filmes finos através de difração de

IX Encontro de Iniciação Científica do LFS, 24 julho de 2008.
Cálculo de tensões residuais em filmes finos através de difração de
raios-X com ângulo de incidência rasante
C. E. K. Mady, A. G. Gómez, R.M. Souza, D.K. Tanaka
Laboratório de Fenômenos de Superfícies – LFS, Departamento de Engenharia Mecânica,
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – EPUSP.
E-mail para contato: [email protected]
Resumo
Neste trabalho foi estudado o efeito da variação de dois parâmetros de deposição na
geração de tensões residuais em filmes finos de nitreto de titânio (TiN), depositados em um
aço AISI D2. As deposições foram feitas usando o método triodo magnetron sputtering
desbalanceado. Os parâmetros estudados foram o “bias” (voltagem no substrato) e o tempo
de deposição. Foram obtidas oito amostras com diferentes níveis de tensão residual; em
cinco delas variou-se o “bias” (0, -20, -60, -90, -200 V) e nas outras três variou-se o tempo
de deposição (90, 150 e 210 min), produzindo-se, assim, filmes com diferentes espessuras.
Para analisar as tensões residuais foi utilizada a técnica de difração de raios-X com ângulo
de incidência rasante. Os resultados indicaram que um aumento no valor de tensão de
compressão é atingido com o incremento do valor dos parâmetros estudados.
Palavras Chaves: Tensões residuais, difração de raios-X, filmes finos, TiN, bias.
Resumen
En este trabajo fue estudiado el efecto producido por la variación de dos parámetros de
deposición en la generación de esfuerzos residuales en películas delgadas de nitruro de
titanio (TiN), depositados sobre un acero AISI D2. Las deposiciones fueron realizadas
utilizando el método triodo magnetron sputtering desbalanceado. Los parámetros estudiados
fueron el bias (voltaje en el substrato) y el tiempo de deposición. Fueron obtenidas ocho
muestras con diferentes niveles de esfuerzo residual; en cinco muestras se varió el bias (0, 20, -60, -90, -200V) y en las tres restantes se varió el tiempo de deposición (90, 150 e 210
min), produciendo así, películas con diferentes espesores. Para analizar los esfuerzos
residuales fue utilizada la técnica de difracción de rayos-X con ángulo de incidencia rasante.
Los resultados indicaron que un aumento en el valor del esfuerzo de compresión fue
obtenido con el incremento del valor de los parámetros estudiados.
Palabras clave: Esfuerzos residuales, difracción de rayos-X, películas delgadas, TiN, bias.
1. INTRODUÇÃO
As tensões residuais podem ser definidas como “tensões internas existentes em
um corpo que não está sujeito à ação de forças externas” (Mura, 1982). Todos os
filmes depositados sob vácuo possuem tensões residuais. A literatura apresenta
diversas classificações para as tensões residuais em filmes (Oettel et al., 1995;
Pauleau, 2001; Holmberg et al., 1994), que estão geralmente baseadas em função
da origem destas tensões. Em geral, há uma tendência na separação das tensões
geradas durante a deposição do filme (tensões intrínsecas) daquelas que surgem
depois do crescimento do filme (tensões extrínsecas). As primeiras surgem
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principalmente por defeitos incorporados à estrutura do filme durante o processo de
deposição, acarretando em tensões intrínsecas compressivas, cujo módulo pode
chegar a valores superiores a 9 GPa (Perry et al., 1994). Já as segundas têm como
principal causa os efeitos térmicos surgidos devido à diferença entre os coeficientes
de expansão térmica do filme e substrato.
Esse trabalho tem como intuito o estudo da variação das tensões residuais em
filmes de TiN em função da diferença de potencial (bias) aplicado ao substrato e da
espessura do filme, usando a técnica de difração de raios-X com ângulo de
incidência rasante.
A literatura indica que uma variação do bias acarreta em um aumento na tensão
residual de compressão (Carrasco et al., 2002; Benegra et al., 2006). Quanto à
variação da espessura, há referências que indicam um aumento na tensão de
compressão com o aumento da espessura (Janssen, 2007) e há outras que indicam
uma redução da tensão de compressão com um aumento da espessura (Chou et al.,
2002).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Deposição dos filmes
Foram preparadas 8 amostras para deposição por PVD. O substrato escolhido
foi o aço ferrítico AISI D2 (temperado a 1080ºC e com duplo revenimento a 540ºC).
Como acabamento superficial, chegou-se até o polimento com sílica-coloidal (pano
de 0,25 µm).
Após essa etapa foram realizadas as deposições no Departamento de Engenharia
Metalurgia e de Materiais da Escola Politécnica da USP. O método para a deposição
foi o Triodo Magnetron Sputtering Desbalanceado (Fontana et al., 1999).
A Tabela 1 mostra os parâmetros utilizados na deposição de cada amostra.
Todas as amostras foram depositadas a uma temperatura de 300ºC e a uma
pressão de 3,3 mTorr.
Tabela 1. Nome das amostras com os respectivos parâmetros de deposição.
Amostra
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
Tempo
2h
2h
2h
2h
1h30
2h30
3h30
2h
Bias (v)
-20
-60
-90
-200
-40
-40
-40
0
Espessura (µm)
1,5
1,5
1,5
1,5
1,1
1,9
2,6
1,5
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2.2. Método de difração de raios-X com ângulo de incidência rasante
Existem várias técnicas para a medição de tensão residual em filmes finos,
dentre elas: a técnica da curvatura e as técnicas de difração de raios-X (DRX). Foi
utilizada a técnica de DRX devido à elevada espessura das amostras que inviabiliza
o uso da outra técnica. O método convencional para medir tensões residuais com
DRX é denominado sen2ψ, mas em filmes finos é necessário utilizar uma variação
desse método: a técnica de difração de raios-X com ângulo de incidência rasante
(Van Acker et al., 1994). Um esquema da geometria de difração pode ser visto na
Figura 1. O ângulo de incidência do feixe ( α ) de difração é mantido fixo e rasante
para diminuir a profundidade de penetração e, assim, obter a medida de tensão
residual próxima à superfície, diminuindo a influência do substrato.
Figura 1. Esquema representativo de uma difração de raios-X com ângulo rasante
(Welzel et al., 2005).
Do ensaio de difração de raios-X se obtém um gráfico como o mostrado na
Figura 2, da intensidade do feixe difratado em função do ângulo de difração 2θ . O
ângulo de difração depende da distância interplanar como é indicado pela lei de
Bragg (Equação 1).
2.d .sen (θ ) = m.λ , m = 1, 2, 3... é a ordem de difração
(1)
Onde d é a distância interplanar e λ é o comprimento de onda. Quando um material
apresenta tensões residuais, a rede cristalina está deformada e como conseqüência
há uma mudança no valor do parâmetro de rede e, portanto, na distância interplanar.
Essa inter-relação pode ser vista na Equação 2 para um material cúbico.
d hkl =
a
h + k2 + l2
2
(2)
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Como pode ser observado na lei de Bragg (Equação 1), para um λ constante, a
variação da distância interplanar produz uma mudança de posição do pico. Medindo
essa nova posição é possível se obter o valor de tensão, e este é o princípio do
cálculo de tensões com DRX.
Figura 2. Esquema dos picos de difração com respectivos ( hkl ) (Skorié et al., 2004).
No método do ângulo de incidência rasante, para um material cúbico e um
estado de tensão biaxial (devido à proximidade da superfície), pode ser utilizada a
Equação 3 para calcular a tensão residual (Giest et al., 1995; Perry et al., 1994).
a = a 0 + a 0 .σ . f (ψ )
(3)
Onde,
f (ψ ) =
1 hkl
.S 2 .sen 2 (ψ ) + 2.S1hkl
2
(4)
Na Equação 3, a é o parâmetro de rede com tensão, a0 é o parâmetro de rede sem
tensão e σ é a tensão residual. Para calcular o parâmetro de rede foi utilizado o
software GSAS e ajustou-se cada pico a uma função Pseudo-Voigt. Na Equação 4 o
ângulo ψ , formado entre a normal com a superfície da amostra e a normal de um
plano de reflexão ( hkl ), é calculado através da relação ψ = θ − α , como mostrado na
Figura 1. As constantes elásticas de difração são: S 1hkl = −υ / E e S 2hkl = 2.(1 + υ ) / E ,
onde υ é o coeficiente de Poisson e E é o módulo de elasticidade (Quaeyhaegens
et al., 1996).
Para cada pico foi calculado o valor de parâmetro de rede e f(ψ), e foi construído
o gráfico de a em função de f(ψ); esse gráfico se aproxima de uma reta, como pode
ser visto na Equação 3, e permite calcular o parâmetro de rede sem tensão e a
tensão residual, respectivamente, por intermédio da intersecção com o eixo das
ordenadas e do coeficiente angular da reta.
2.3. Condições do ensaio de difração
As medidas de difração foram realizadas no Laboratório de Cristalografia do
Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Foi utilizado um difratômetro
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Rigaku Ultima+ com geometria Bragg-Brentano e gerador de raios-X de 3 kW
usando radiação CuKα (comprimento de onda 1,54178 Å), 40 kV e 30 mA. Antes de
cada medição, foi executado o alinhamento do difratômetro. Para diminuir a
divergência do feixe foram utilizadas fendas de Soller horizontais no feixe incidente e
um monocromador plano no feixe refletido.
Os ângulos de incidência foram: 2,5o para as amostras de espessura 1,5 µm e
3,5, 4,5 e 6o para as amostras de espessura 1,1, 1,9 e 2,6 µm, respectivamente.
Esses ângulos foram calculados utilizando a Equação 5 (Rafaja et al., 1997), com a
finalidade de atingir aproximadamente a metade da espessura do filme.
τ=
sin α ⋅ sin(2θ − α )
µ .(sin α + sin(2θ − α ))
(5)
Onde µ é o coeficiente linear de absorção do TiN, dependente da radiação utilizada.
3. Resultados e Discussões
Da análise indicada no item 2.2, foram obtidos os valores de tensão residual
mostrados nas Figuras 3 e 4. Das Figuras 3 e 4 é possível notar uma tendência ao
aumento das tensões residuais de compressão tanto para o aumento do bias como
para espessura. Em ambos há uma tendência a convergir para um valor. No caso da
variação do bias esse valor se aproxima de -12 GPa e na variação da espessura
esse valor se aproxima de -6 GPa. Esse aumento está em concordância com
Janssen (2007), embora a natureza dos filmes estudados por esse autor seja
diferente das encontradas nesse trabalho. Chou (2002) encontrou uma diminuição
da tensão com o aumento da espessura.
Figura 3. Gráfico da tensão residual pelo bias.
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Figura 4. Gráfico da tensão residual pela espessura.
Na Figura 3 a ordem de grandeza dos valores de tensão de compressão é
superior ao encontrado na literatura tradicional (Hultman et al., 2001), em que os
valores máximos que o filme atinge (para bias maiores que -150V) ficam em torno de
-10GPa, embora Quaeyhaegens (1996) tenha obtido valores de até -12GPa.
É possível notar também na Figura 3 que a amostra revestida com bias de -60V
apresenta uma tensão residual com o módulo mais elevado do que o esperado,
saindo da tendência das outras amostras.
4. Conclusões
O incremento do bias durante o processo de deposição do filme produz um
aumento nos níveis de tensão residual de compressão.
O acréscimo do tempo de deposição do filme acarreta em uma elevação das
espessuras dos filmes e assim mesmo dos valores de tensão residual de
compressão.
É possível notar que a variação da tensão residual pelo bias e espessura
converge para um valor de aproximadamente -12 GPa e -6 GPa,
respectivamente.
5. Agradecimentos
O autor agradece à FAPESP pelo projeto de Iniciação Científica, processo No
2007/04731-9.
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6. Referências Bibliográficas
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