Estudo da tensão residual de filmes de diamante em diversos substratos

Orientador: Carlos Kenichi SuzukiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Uma das limitaçõesna utilização industrial de filmes de diamante pelo processo CVD (Chemical Vapor Deposition), é a ocorrência da tensão residual na interface entre o filme e o substrato, o que está diretamente relacionada com a sua boa aderência. A origem da tensão residual usualmentepode ser classificadaem duas: (i) a intrínsica,que é devido à diferença de paràmetro de rede entre o filme e o substrato, (ii) a térmica, em virtude da diferença de coeficiente de dilatação térmica entre o filme de diamante e o substrato, considerandoque a deposição se processa na temperatura de 50o-S00°c. Com o objetivo de estudar a tensão residual em filmes de diamante, o presente projeto foi desenvolvido em três etapas: (1) o desenvolvimento da instrumentação; (2) a deposição de diamante em diversos substratos; e (3) a caracterização estrutural e medida da tensão residual nos filmes de diamante usando a técnica de diftação de raios-X. Três tipos distintos de filmes de diamante sintético foram estudados: O) diamante policristalino obtido por combustão oxi-acetilênica;(ii) diamante policristalino preparado em reator de filamentoquente; e (iii) diamante monocristalino homoepitaxial crescido em plasma induzido por microondas (crescimento realizado no NIRIM -National Institute of Research in Inorganic Materials), Japão, no laboratório do Dr. Mutsukazu Kamo. Usando a metodologia para quantificar a razão fase diamante cristalino / fase carbono amorfo, observou-se que a tensão residual é crescente com o grau de cristalinidade da amostra (policristal). Um outro resultado de relevância foi a observação da variação da quantidade e da forma de agregação da fase carbono amorfo com a velocidade de rotação do substrato. Para a velocidadede rotação do substrato a partir de 600 rpm, há a formação de DLC - Diamond Like Carbon, tratando-se de um método inédito de grande interesse científico e tecnológico. A caracterização do filme monocristalino de diamante sintético por topografia e goniometria de raios-X fornece uma análise qualitativa e quantitativa da tensão residual gerada na interface filme substratoAbstract: Industrial utilization of diamond films obtained by CVD- "Chemical Vapor Deposition" method are limited by the residual stress created in the substrate and film interface, which is directly related with its adherence. The origin of the total residual stress of a diamond filmon a substrate is usuallycomposed of (i) intrinsic stress, due to the difference of the interplanar distance in the layer and (ii) thermal stress, due to the difference between the thermal expansion of diamond and the substrate, because the deposition occurs at 500-800°C. This work was developed in three parts to study the residual stress in diamond films: (1) instrumental development; (2) diamond films deposition in different substrates; and (3) structural characterization and residual stress determination using the X-ray diffraction technique. Three kinds of synthetic diamond films were studied: (i) polycrystalline diamond obtained by oxyacetylene combustion; (ii) polycrystalline diamond prepared in hot filament chamber; and (iii) homoepitaxial diamond growth in microwave plasma reactor done in the Df. Mutsukazu Kamo laboratory at NIRIM - National Institute of Research in Inorganic Materials, Japan. The relation ship of the residual stress to the crystal line levei in a diamond sample has been quantified by measuring the ratio diamond/amorphous carbon. It was observed an increase in the residual stress with the amount of crystal line phase. Another important result was the observation of aggregation form and the amount of amorphous carbon according to the substrate rotation velocity.DLC - "Diamond-LikeCarbon" was formed by rotating the substrate around 600 rpm. It is a very important result to scientific and technological development.The synthetic monocrystalline diamond film characterization was carried out by X-ray goniometric and topographic techniques, which offers a qualitative and a quantitative analysisof residual stress created in the film and substrate interfaceMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestre em Engenharia Mecânic