Métodos de Análise de Filme

Microscopia eletrônica de varredura

A microscopia eletrônica de varredura (SEM) é uma técnica em que os elétrons de uma pistola de elétrons são acelerados por uma alta tensão (5 - 50 kV) em direção à superfície da amostra onde causam a emissão de elétrons secundários e espalhamento de elétrons da superfície da amostra. Esses elétrons primários também podem ser retrodispersos da superfície. Os elétrons secundários são coletados por um detector e convertidos em um sinal elétrico que pode ser exibido em um monitor ou ser computadorizado. O feixe de elétrons é focado em um ponto pequeno e escaneado sobre a amostra para que uma imagem da geometria da superfície possa ser registrada. A resolução de uma reprodução SEM não é apenas dependente do instrumento, mas também depende do material da amostra. O limite é definido pelo quão bem o feixe pode ser focado e por processos de dispersão na superfície da amostra. Os valores típicos deste limite são de 10 a 20 Å, o que implica que características menores que não podem ser detectadas. O contraste da imagem pode surgir de vários fenômenos diferentes dos quais um é o contraste topográfico, o que significa que é mais provável a detecção de elétrons espalhados das superfícies de amostra próximas ao detector do que de superfícies mais distantes. Esse tipo de contraste dá imagens fáceis de interpretar. A preparação da amostra não é complicada, as amostras devem ser limpas e, de preferência, elétricas e não magnéticas. As superfícies isolantes causam problemas com cargas saturadas. Isso requer uma tensão de aceleração mais baixa para o feixe (com conseqüentemente menor sensibilidade) ou um revestimento auxiliar da superfície por uma película condutora fina, por exemplo, uma película de ouro. Para análise de filme fino, a SEM é uma ferramenta adequada para a morfologia de imagem de superfícies de filme e microestrutura de seções transversais de filme.

Espectroscopia de elétrons para análises químicas

A espectroscopia de elétrons para análise química (ESCA), também conhecida como espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), é uma ferramenta sensível à superfície para análise de elementos onde a amostra é irradiada por fótons de raios-X monocromáticos. Os fótons causam a emissão de elétrons com energia cinética característica dependendo de diferentes elementos presentes na superfície da amostra. A detecção dessas energias pode dar uma análise qualitativa e quantitativa dos elementos da amostra. Também o estado químico dos átomos da amostra pode ser determinado através do deslocamento químico, ou seja, a mudança na energia de ligação de um elétron quando o átomo está ligado a outro átomo. Com pulverização e análise por turnos, podem ser obtidos perfis de profundidade da composição da amostra.

Difração de raios X

A difração de raios X (XRD) é uma técnica de análise de material versátil para materiais cristalinos. Alguns exemplos de quais XRD podem ser utilizados são: determinação de constantes de rede, identificação de substâncias desconhecidas, análise de fase e medidas de tamanhos de grãos e estresse intrínseco.

A idéia por trás da difração de raios-x é que um cristal, com sua estrutura regularmente repetitiva, difractará a radiação eletromagnética com um comprimento de onda do mesmo tamanho que a distância interatômica do cristal, assim como uma grade óptica difractará a luz visível. Uma maneira de entender a difração de raios-x é considerar os planos de átomos no cristal como uma pilha de espelhos semi-transparentes. A difração agora pode ser tratada como reflexos nos planos de átomos onde cada plano reflete uma parte da radiação de modo que haverá várias reflexões. Essas reflexões interferirão de forma construtiva quando estiverem em fase, ou seja, a diferença no comprimento do caminho é igual a um múltiplo inteiro de um comprimento de onda. Isso ocorre apenas quando o ângulo de incidência satisfaz a lei de Bragg: 2 d sin θ = nλ , onde d é a distância entre dois planos de átomos adjacentes, θ é o ângulo de Bragg, n é um número inteiro e λ é o comprimento de onda do raio-x. Para todos os outros ângulos, haverá uma interferência destrutiva e nenhuma reflexão.

Como existem vários conjuntos de planos de átomos com espaçamento diferente em uma substância cristalina, haverá fortes reflexos em várias direções para uma amostra policristalina. Toda reflexão forte tem duas propriedades, ângulo de difração e intensidade, e esses dados podem ser comparados com bancos de dados e uma substância desconhecida e sua estrutura de cristal pode ser determinada.

No caso de filmes muito finos, a intensidade das reflexões do filme pode ser tão fraca que se afogarão na radiação de fundo, por exemplo, do substrato. Este problema pode ser evitado usando um método de incidência de pastagem, GI-XRD, o que significa que os raios-x de incidência têm um ângulo muito pequeno em relação à superfície e isso aumenta a intensidade para que a técnica se torne mais sensível à superfície.

Pelo uso de um espelho Goebel são obtidos raios-x de incidência paralela que proporcionam maior intensidade e simplifica GI-XRD. Para um XRD comum, isso também permite analisar amostras não planas.

O perfilô da caneta

Um perfilómetro de estilete é usado para medir a rugosidade da superfície e a espessura da película. O princípio é mover uma caneta com uma carga muito pequena sobre a superfície e gravar acústicamente a posição vertical da caneta em função da posição horizontal.

Para obter uma medida confiável da espessura de uma película fina, deve haver um passo bastante distinto da superfície do substrato original para o filme. Caso contrário, o passo não pode ser distinguido da rugosidade da superfície, se isso for muito alto. Esse passo pode ser obtido ao encobrir uma área antes da deposição ou por gravura posterior. Para um bom perfilô, um valor típico da resolução vertical é de 5 Å, mas isso pode limitar a possibilidade de medir grandes variações verticais. As espessuras de película máxima mensuráveis típicas são de cerca de 15 μm para profilómetros comerciais.

Análise das propriedades mecânicas dos filmes finos

Entre as diferentes propriedades mecânicas dos filmes finos, a dureza é uma das mais importantes. A dureza não é, no entanto, uma propriedade que pode ser inequivocamente determinada, especialmente não para filmes finos. Em primeiro lugar, o valor da dureza depende da técnica de medição. Todas as técnicas incluem um indentador de um material duro (por exemplo, diamante) que é pressionado no material testado por uma carga fixa. O valor da dureza é então calculado a partir da carga e área (real ou projetada) ou a profundidade do recuo. O indentador pode ter formas diferentes (por exemplo, pirâmides) e diferentes faixas de carga que dão resultados que não podem ser comparados diretamente. Para filmes finos, a influência dos substratos complica as medidas de dureza e diminui essa influência, são utilizadas técnicas de medição de microdureza, onde são utilizadas cargas muito pequenas (0,01 a 10 N). Duas das técnicas de microdureza mais comuns são micro Vickers e Knoop. Ambas as técnicas usam recheios piramidais, mas Knoop usa uma pirâmide alongada que dá indentações mais baixas do que o indenter Vickers. Apesar das pequenas cargas, as medidas de microdureza proporcionam aos filmes finos a dureza da película e do substrato do sistema. Para determinar a dureza do filme, só pode ser calculado a partir da dureza do substrato revestido e a dureza do substrato não revestido usando um modelo, por exemplo, o modelo Jönsson-Hogmark, ou ser obtido por uma técnica de nanoindentação. Em tais técnicas são utilizadas cargas extremamente pequenas (alguns mN) para que os tamanhos das indentações se tornem muito pequenos por causa da grande contribuição da deformação elástica. Por nanoindentação, os recuos podem ser da ordem de 100 nm e este é pequeno o suficiente para evitar a influência dos substratos para filmes espessos de μm, mas as indentações não podem ser medidas de forma óptica em um testador de microdureza convencional. Em um nanoindenter, a relação entre a carga eo deslocamento (profundidade) do indenter é registrada continuamente durante todo o ciclo de carga e descarga. A partir dessas curvas de carga / descarga, não só a dureza do filme pode ser obtida, mas também o módulo elástico (ou Young), ou seja, a capacidade de um material para suportar a deformação elástica. Os valores dessas duas propriedades podem ser calculados usando um modelo de Oliver e Pharr.