Capítulo 2: Preparação e caracterização de amostras
2.4 Condições experimentais dos estudos presentes na tese
2.4.1 Si (001) bombardeado por Xe + e recoberto com filme fino de TiN
O bombardeamento por Xe+ das amostras de Si(001) foi realizado no sistema de deposição mostrado na Figura 2 e descrito na seção 2.2.1. As condições experimentais tanto do bombardeamento como da deposição do revestimento de TiN foram idênticas às estudadas pelo nosso grupo em trabalhos anteriores para a obtenção de uma superfície nanoestruturada ondulada idêntica à utilizada como template para partículas auto-organizadas de Ni. [6, 11] e são descritas em detalhes a seguir.
O bombardeamento foi realizado com pressão de trabalho 1.0x10-2 Pa, sendo obtida
com a inserção exclusiva de gás Xe (pureza 99,999%) na câmara. Foi utilizado o ângulo de incidência do feixe de íons de 15° em relação à normal da superfície, durante 30 minutos em temperatura ambiente. A energia nominal dos íons utilizada para o bombardeamento foi 500eV e a densidade de corrente 1mA/cm2, medida com um copo de Faraday [89, 90], resultando em uma dose de 1x1019 íons/cm2.
Para a obtenção de amostra de Si(001) bombardeada por Xe+ e revestida por TiN, realizamos um processo sequencial consistindo em bombardeamento idêntico à condição descrita anteriormente seguido de deposição in-situ do filme fino (esquema presente na Figura 8). O filme foi depositado através de pulverização catódica de um alvo de Ti por um feixe de Ar+ (energia 1450eV e densidade de corrente ~5mA/cm2) durante 5 minutos em uma atmosfera constituída por N2 inserido na câmara (∼10-2 Pa) e H2O de origem residual (∼10-5 Pa). Nessas
condições de deposição, a energia dos átomos de Ti ejetados está no intervalo de 1-15eV, sugerindo que o sputtering do filme fino depositado é irrelevante [13].
Figura 8: Esquema do processo sequencial de bombardeamento iônico em Si(001) e recobrimento por TiN realizado in-situ.
Após o bombardeamento, a morfologia da amostra foi caracterizada por AFM. As imagens presentes nessa tese foram obtidas por um microscópio Veeca, modelo Inova,
operando no modo tapping. As tensões residuais de ambas as amostras foram caracterizadas por DRX com uso de radiação sincrotron na linha XRD2 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas – SP, em conjunto com o Prof. Dr. Roosevelt Droppa Jr., da Universidade Federal do ABC (UFABC).
A caracterização da amostra de Si(001) bombardeada com Xe+ foi realizada mediante mapeamento do espaço recíproco utilizando difração rasante de alta resolução na configuração in-plane. Para isso, o feixe da linha XRD2 foi configurado na energia de aproximadamente 8 keV (𝜆 = 1,5497Å), monocromatizado e colimado em x e y, com um analisador de Ge (220) antes do detector, resultando em alta resolução (∆2𝜃 = 0,004°). O ângulo de incidência da radiação foi fixado em 𝛼 = 0.23°, equivalente a uma profundidade de penetração de 40 nm [86]. Tal valor de ângulo de incidência foi escolhido por fornecer informação de poucas camadas atômicas modificadas pelo bombardeamento e por corresponder ao ângulo de reflexão total do Si, aumentando então a intensidade de sinal coletada [91]. A detecção foi realizada pelo detector linear 2D Pilatus posicionado na vertical. Foram medidos mapas do espaço recíproco para os planos cristalinos (220) e (22̅0) da amostra Si (001) bombardeada e para os planos (220) de uma amostra de Si(001) polida oriunda da mesma bolacha da amostra bombardeada, utilizada como referência. Um esquema da configuração de difração utilizada e da relação entre os planos cristalinos analisados e as ondulações da superfície da amostra está mostrado na Figura 9.
Figura 9: (a) Ilustração da configuração experimental para DRX em configuração in-plane, na qual os feixes incidente e difratado são coplanares ao vetor de espalhamento; (b) e (c) Esquemas da difração in-plane no Si(001) bombardeado por Xe+ para difração dos planos (220) e (22̅0), onde ki e kf são os feixes incidente e difratado, respectivamente. As direções [220] e [22̅0] são paralela e perpendicular em relação as ondulações da superfície do Si(001) geradas por bombardeamento, respectivamente.
Para medir a tensão residual do filme fino de TiN, realizamos novamente DRX na linha XRD2 utilizando radiação com energia de aproximadamente 8keV (𝜆 = 1,5493 Å). Devido à pouca espessura do filme, foi utilizada a configuração experimental de feixe monocromatizado focalizado na superfície da amostra com uso de um detector linear (modelo 2D Pilatus) posicionado na vertical para possibilitar coleta de intensidade de difração integrada no tempo em função de 2θ.
A reflexão escolhida para as análises foi a TiN(200) por ser a mais intensa do filme [6]. O sinal foi coletado utilizando o difratômetro no modo ψ, ou seja, inclinando a amostra em torno de um eixo no plano de difração, com a amostra posicionada em diferentes azimutes φ. O ângulo azimutal foi definido de forma que φ = 0° corresponde a direção da projeção do feixe de íons na superfície do Si(001) durante o bombardeamento. As medidas foram realizadas para as direções φ = 0° e φ = 90°, visando a obtenção das componentes de tensão 𝜎11 e 𝜎22 pelo método sen2𝜓 (seção 2.3.2) associadas às direções do bombardeamento do Si(001). Em cada azimute fixo, o ângulo ψ foi variado em 5 valores correspondentes a sen2𝜓 =
0,1; 0,3; 0,5; 0,7 e 0,9. De acordo com a teoria descrita na seção 2.3.2, são necessárias DECs para a obtenção de valores quantitativos de tensão residual a partir de dados de difração. As DECs 𝑆1 e 12𝑆2 necessárias para a análise foram estimadas pelo modelo de Eshelby-Kröner [83, 84]. Os valores calculados foram 𝑆1 = −0.5𝑥10−6 MPa−1 e 12𝑆2 = 2.8𝑥10
−6 MPa−1 [74].
Devido à baixa intensidade da difração do filme observada ao fim do experimento, em função da sua pouca espessura, realizamos a análise de tensões utilizando os dados obtidos por integração de sinal pelo detector. Tais dados foram tratados por correção LPA [73] e correção de posição através dos dados de difração da reflexão (220) de Si em pó para todas as direções e inclinações utilizadas na análise, a fim de minimizar os erros instrumentais. Após as correções, foram realizados ajustes por funções do tipo pseudo-Voigt para obtenção do ângulo de Bragg 𝜃200 e da distância interplanar 𝑑200 pela lei de Bragg, utilizados para a estimativa de tensão residual.