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INSTITUTOTECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA

Laboratório de Plasmas e Processos

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➢ Qual a diferença entre Vapor e Gás?

➢ O que significa “Regime Fluido” de um gás/vapor?

➢ O que significa “Regime Molecular” de um gás/vapor?

➢ O que significa “Vazamento Virtual”?

➢ Quantas moléculas de gás estão contidas em uma câmara de 20 litros mantida a 10-7 Torr (T=0°C)?

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➢ Cinética dos Gases▪ Conceitos Vapor-Gás

▪ Molecular Impingement Flux (fluxo de impacto molecular)

▪ Livre Caminho Médio

▪ Número de Knudsen

▪ Regimes Molecular e Fluido

➢ Tecnologia de Vácuo▪ Sistema genérico de Vácuo

▪ Bombas de Vácuo

▪ Medidores de Pressão

▪ Cuidados e problemas

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Diagrama p-V-T:

➢ Superfícies representam estados de equilíbrio

➢ Seguir corte em T2:▪ b -> c: condensação a pressão constante (pv)

▪ DVb-c: variação do volume entre fase vapor e líquido

▪ Maiores T: menores DV

▪ Até que DV -> 0 no Ponto Crítico (PC) com T = Tc

➢ Cortes de temperatura com T abaixo de TC

▪ Vapor -> líquido -> sólido

➢ Cortes de temperatura com T acima de TC

▪ Gás

➢ Acima de TC, um material não pode ser condensado, passando a se chamar de GÁS


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Diagrama p-V-T projetado em P-T:

➢ Ponto Triplo (PT): 3 fases em equilíbrio

➢ T abaixo de PT: sublimação

➢ A linha delimitando a fase de vapor é conhecida por curva de pressão de vapor, ou curvas pv

➢ Crucial importância para deposição de filmes


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Fluxo de Impacto Molecular (Ji) em uma superfície:

➢ Definido como:

➢ Após Lei dos Gases Ideais e Distribuição de Boltzmann:


mc = moléculasNA = Num. de AdogadroR = const. gases = 8.31 J/mol.KM = massa moléculas em kg


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➢ Uma das mais importantes relações na Tecnologia de Filmes Finos

➢ É válida tanto no Regime Fluido como no Regime Molecular de vácuo

➢ Usada para calcular o fluxo de efusão através de um orifício (células de efusão do MBE)


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➢ Se COEFICIENTE DE ADESÃO = 1 → Ji = Jr (fluxo de deposição molecular) → TAXA DE DEPOSIÇÃO (dh/dt)


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➢ Se o COEFICIENTE DE ADESÃO = 1, esta relação leva diretamente à TAXA DE DEPOSIÇÃO (Ji = Jr):


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➢ Exemplo: Se Ji = Jr , para depositar a 2,6 mm/h (2,4 monocamadas/s) → p = 10-8 atm = 10-5 Torr !!!

➢ Se seu gás residual (oxigênio, vapor de água, etc...) reage fácil com seu filme, para obter filme 99,9% puro @ 2,6 mm/h, sua pressão residual (condição de vácuo pré-deposição) deve ser 10-8 Torr (UHV) !!!

➢ Ainda bem que nem sempre é esse o caso!



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Definição:

➢ Distância média que uma partícula percorre entre duas colisões consecutivas com moléculas de um gás

➢ Caso do elétron em um gás (ve >> vgas):


sm = seção de choque elástico médio (m2) (cap 9)n = concentração do gás (mc/m3)


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Definição:


➢ Caso do íon em um gás (vion >> vgas):


n = concentração do gás (mc/m3)

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Definição:


➢ Caso da molécula em um gás (termalizado):


n = concentração do gás (mc/m3)


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Resumindo:


(elétron)

(íon)

(molécula/átomo)


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Simplificando:

Para T = 25 C (temperatura ambiente, e moléculas pequenas):


𝑙 ∝1

𝑝

𝑙 𝑐𝑚 ≈1

𝑝 (𝑃𝑎)Exemplo: gás a 1 Pa (10-2 Torr) → l ~ 1 cm


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Definição:

➢ L = menor dimensão interna do sistema (largura, distância entre eletrodos, etc...)

➢ Kn > 1 → sistema está em regime molecular

➢ Kn < 0,01 → sistema está em regime fluido (viscoso)

➢ 0,01 ≤ Kn ≤ 1 → sistema está em regime de transição (intermediário)

Obs: Processos de deposição a plasma normalmente operam no regime de transição


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Definição:

➢ Regime Molecular (Kn > 1)▪ Colisões com as paredes do sistema dominam

➢ Regime Fluido (Kn << 1)▪ Colisões com as o gás dominam


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Resumindo:



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Resumindo:


LV MV HV UHV


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Exercício:

➢ Considere uma câmara esférica de 20 litros mantida a 10-3 Torr (T=0°C):a. Quantas moléculas de ar estão presentes dentro da câmara?

b. Qual a densidade em moléculas/cm3 neste caso?

c. Qual o livre caminho médio destas moléculas?

d. O sistema se encontra em qual regime: fluido ou molecular?

e. Sua resposta para o item d mudaria ao considerar o gás entre dois eletrodos separados por 5 mm? Como?

Dados: volume molar dos gases = 22,4 L (CNTP), NAV = 6,02x1023


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Sistema típico de deposição:



Operação de bombas nos diferentes regimes de vácuo



UHV | HV | MV | LV

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Alguns tipos de bombas:

➢ Bomba Mecânica Rotativa (LV e MV)▪ Vácuo primário




➢ Bomba Roots (MV)▪ Alta vazão




➢ Bomba Difusora (HV)▪ Ótimo custo benefício




➢ Turbo Molecular (HV e UHV)▪ Alta eficiência e livre de contaminação

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➢ Iônica ou Criogênica (UHV)▪ Baixíssimas pressões (baixa manutenção)




➢ Iônica ou Criogênica (UHV)▪ Baixíssimas pressões (baixa manutenção)



Vasão de gases (ou fluxo de massa)

Diferença de pressão (Pa ou Torr)Condutância (l/s)Vasão (Pa.l/s ou Torr.l/s)



Continuidade

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Vasão em válvula de abertura A



Condutância de tubos longos (L >> f)

➢ Regime Molecular

➢ Regime Fluido



Pressão Residual (pi)

➢ Se:▪ válvula da bomba (C2) totalmente aberta

▪ fecha fluxo de gases (QS = 0)

Vazamento e dessorção das paredes

Velocidade de bombeamento da bomba (l/s)

Na condição de equilíbrio e se C1 não for exageradamente grande:p2 = p1 = p0 = pi = pressão residual



Pressão Residual (pi)

➢ Se:▪ Fecha parcialmente válvula da bomba (C2)

▪ Admite gases de trabalho (QS)

Pureza final do filme

Conclusão:• Aumentar p2 (pressão de trabalho) aumentando QS (fluxo dos gases de trabalho) aumenta pureza• Aumentar p2 fechando a válvula da bomba (C2) diminui pureza

Fechar C2 aumenta p2 mas também aumenta pi

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Retorno de vapor de óleo (Oil Backstreaming)

➢ Pressão de valor (pv) de óleo típico de bomba mecânica:▪ 10-6 Torr @ 25 C

▪ 10-3 Torr @ 85 C (temperatura de trabalho da bomba)





▪ 10-3 Torr @ 85 C (temp de trabalho da bomba)

➢ Soluções:▪ Trap

▪ Ventilação controlada





▪ 10-3 Torr @ 85 C (temp de trabalho da bomba)

➢ Soluções:▪ Trap

▪ Ventilação controlada

▪ Depende do regime:

o Bomba mecânica (fluido)

o Bomba difusora (molecular)



Vazamento Virtual (Virtual Leak)

➢ Produzido por acúmulo de gás em armadilhas

➢ Solução: ▪ deixar orifícios de ventilação suficiente (Kn < 1) grandes

▪ evitar superfícies planas superpostas

▪ aquecer sistema (baking), ajuda a dessorver também

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Tipos e faixas de operação



Princípios de operação

Pirani (LV – MV) Manômetro Capacitivo (MV) Ion Gauge (HV - UHV)



LISTA 1:

➢ Cap 2: 1, 3, 5, 6, 9

➢ Cap 3: 3, 4, 5, 9,



ASSUNTO: Evaporação (cap 4)

➢ Um material mantido abaixo de seu ponto de FUSÃO pode evaporar?

➢ O que é uma Célula de Efusão?

➢ Quais cuidados devemos ter ao evaporar um composto?

➢ O que mede uma Balança de Quartzo?

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