Reatores para deposição de diamante CVD sobre cilindros largos

Nos últimos 30 anos, filmes policristalinos de diamantes têm sido preparados em reatores CVD, sendo que os mais empregados fazem uso de microondas ou filamentos quentes para ativação e dissociação de moléculas precursoras. Os reatores de filamentos quentes apresentam- se como os mais promissores para deposição de diamantes em áreas maiores, quando a uniformidade e a viabilidade industrial são consideradas [116]. Há condições específicas para deposição de diamante sobre diferentes geometrias e áreas.

Na literatura, a maioria dos crescimentos de diamante pela técnica CVD foi realizada sobre substratos planos [73,61,85,117] e, poucos trabalhos almejaram a deposição de diamante sobre substratos de outras geometrias e.g. cilíndrica (tubos, tarugos e fios). Tubos de diamantes foram preparados utilizando fios como substratos [172-177]. A baixa interação química e a diferença na variação volumétrica provoca o desprendimento entre do diamante e do substrato durante o resfriamento do reator. Uma nova classe de micro-eletrodos também surgiu com a deposição diamante sobre fios [171] com relatos de até 1,8 cm2 de área [118].

Figura 2.7: Representação esquemática de dois modelos de reatores de deposição química a partir da fase vapor

assistidos por filamentos quentes especialmente desenvolvidos para o crescimento de filmes de diamante sobre (A) placas e (B) cilindros.

Para a deposição de filmes de diamante uniformes e aderentes sobre substratos cilíndricos de diâmetros maiores do que de fios, foram necessários alguns aprimoramentos nos reatores convencionais. Para comparação, a Figura 2.7 representa esquematicamente reatores HFCVD para deposição sobre (A) placas e fios; e (B) tubos, tarugos, cones etc. Os componentes do reator são identificados juntos à imagem. Na Tabela 1 são elencadas as principais semelhanças e diferenças entre os reatores da Figura 2.7 (A,B).

A Figura 2.8 apresenta um diagrama detalhando os componentes do sistema de vácuo de reatores semelhantes àqueles da Figura 2.7. Instrumentos, equipamentos e suplementos de alimentação são indicados no diagrama. Mais informações sobre os aprimoramentos do reator

HFCVD para deposição de diamante sobre superfícies curvilíneas podem ser obtidas sumariamente a seguir e em detalhes na patente [51] e na dissertação [119].

Tabela 1: Comparando os reatores HFCVD

Itens analisados HFCVD para

substratos planos

HFCVD para substratos cilíndricos

Entradas dos gases: Perpendicular aos

filamentos Paralela aos filamentos

Posicionamento do substrato: Paralelo aos filamentos Paralelo aos filamentos

Medida da temperatura: Costas dos substratos Na região superior dos

substratos Dimensões dos reatores em mm

(diâmetro/comprimento): 100/320 100/320

Área máxima de substrato revestido uniformemente em reatores de dimensões similares:

5 cm2 75 cm2

Estimativa de potência média utilizada para deposição de diamante microcristalino por unidade de área: (Ref.: área máxima e filamento de tungstênio de 272 µm)

42 W/cm2 12 W/cm2

Comprimento de cada filamento

em mm: 60 120

Taxa média de crescimento do

diamante CVD sobre silício: ~1,5 µm.h

-1

~1,5 µm.h-1

Substrato Rotativo? Não Sim

Controle de variação e manutenção

de temperatura: Eletrônico Eletrônico

Controle do fluxo de gases: Fluxímetros de massa Fluxímetros de massa

Dentre os ajustes necessários no reator para se obter um filme ideal no formato cilíndrico, dois destacam-se: (i) um par de filamentos de 120 mm de comprimento é sempre mantido esticado por compensação elástica ou gravitacional e (ii) o substrato é mantido em constante rotação (4 rpm) por acoplamento magnético a um pequeno motor elétrico que se encontra no

[119]. Tais ajustes visam essencialmente manter um gradiente de temperatura e distribuição de gases precursores mais uniformes sobre o substrato.

Figura 2.9: Representação esquemática da compensação mecânica da dilatação termomecânica dos filamentos

quentes em (A). Fotografia da região externa do reator enfatizando o acoplamento magnético com pequeno motor elétrico (na região externa ao reator) (B)

A manutenção da distância média entre filamento e cada pequena região infinitesimal do substrato é fundamental para a uniformidade da morfologia dos filmes e para a reprodutibilidade do processo. A transmissão de torque pelo acoplamento magnético tem a vantagem de evitar a

processo. Esta situação geralmente ocorre quando se utilizam anéis de vedação do tipo O-rings dinâmicos. A utilização de apenas dois filamentos e a rotação do substrato justifica-se pela notável economia energética, quando comparada com situação hipotética de n filamentos sem a rotação do substrato.

O controle da temperatura e/ou potência elétrica aplicada ao(s) filamento(s) é realizado de maneira semelhante em ambos os reatores, ou seja, no HFCVD para substratos planos ou para cilíndricos. De maneira geral, é sabido que o rigoroso controle da temperatura do substrato ou da potência aplicada no(s) filamento(s) é um dos fundamentos para o crescimento homogêneo do filme, reprodutibilidade e integridade do processo. Cada filamento ou parte dele é alimentado por uma fonte de corrente contínua DC e o sistema de controle da temperatura ocorre por meio de um controlador proporcional (Kp), integral (Ki) e derivativo (Kd), vide Figura 2.10. Na ilustração, o sinal de entrada para a função de controle é captado por um termopar do tipo K.

Figura 2.10: Laço de controle de temperatura. A variação de resistência do filamento é automaticamente

Os parâmetros Kp, Ki e Kd devem passar por um ajuste fino para cada bitola, pelo comprimento e potência dos filamentos e pela faixa e tempo de variação da temperatura utilizados. A variação de resistência do filamento é compensada automaticamente. O controle da variação da temperatura do reator durante seu aquecimento e resfriamento é fundamental, pois possibilita melhor acomodamento termomecânico do filme sobre o substrato metálico e evita o derretimento do filamento durante as rampas de aquecimento. Ao mesmo tempo em que se pode variar a temperatura tão lentamente quanto se deseje, nesses reatores garante-se um perfil de temperatura constante e replicável ao longo do tempo. Para melhor controle do processo, a tela digital é ideal para mensurar a temperatura no interior do reator. Assim, os parâmetros para o crescimento do filme diamantífero são facilmente alteráveis por meio de uma interface digital, cuja operação se dá de forma direta pelo operador.