A técnica de deposição física de vapor

Os processos de deposição física de vapor são processos de deposição atômicos no qual o material é vaporizado de um alvo sólido ou líquido e transportado na forma de vapor através de um meio em vácuo ou em um ambiente com baixa pressão de gás (ou plasma) para o substrato, aonde é condensado.

O processo de evaporação permite altas taxas de deposição sem causar danos à superfície do substrato devido à baixa energia das espécies incidentes, contaminação mínima do filme pelo gás residual devido ao alto vácuo e pouco aquecimento do substrato (o aquecimento decorre apenas do calor de condensação do filme e da radiação da fonte).

A uniformidade da espessura do filme é obtida distribuindo-se os substratos em um suporte tipo sistema planetário que, durante a evaporação, gira em torno do eixo vertical da câmara de processo. Normalmente os evaporadores possuem um sistema de monitoramento da espessura que atua durante o processo, por exemplo, o cristal piezelétrico. Podem-se evaporar ligas diretamente ou formá-las durante a deposição pela evaporação simultânea de dois ou mais materiais. De qualquer modo, o controle da composição sempre é difícil pela diferença das taxas de evaporação dos vários materiais. Filmes de multicamadas podem ser obtidos pela evaporação seqüencial dos materiais que compõe o filme.

A pressão residual na câmara de um sistema convencional de evaporação, antes de uma

deposição, vale tipicamente 5x10-7mbar. Existem basicamente três tipos de sistemas de

evaporação, que diferem pelo seu método de aquecimento: aquecimento resistivo, aquecimento indutivo e aquecimento por feixe de elétrons.

No método de aquecimento resistivo, coloca-se o material alvo que será evaporado em um recipiente metálico semelhante a uma barquete, ou é mantido suspenso por um filamento freqüentemente de tungstênio. Por efeito Joule processa-se então o aquecimento do recipiente ou suporte até a fusão do alvo. Embora muito simples, a evaporação por aquecimento resistivo

apresenta várias restrições, como por exemplo, a evaporação do material do filamento pode contaminar o filme e metais refratários não podem ser evaporados devido ao seu alto ponto de fusão.

Outra técnica utilizada é a evaporação por aquecimento indutivo. Neste caso, o aquecimento é produzido por uma fonte de médias ou altas frequência. O cadinho que suporta o material alvo, envolto por uma bobina resfriada à qual se aplica uma tensão alternada com radiofraqüência rf. Este sistema não produz radiação ionizante, mas tem a desvantagem do contato direto entre o material alvo fundido e o cadinho relativamente quente, o que pode provocar a contaminação do filme depositado.

Neste trabalho utilizou-se a evaporação por feixe de elétrons, onde um feixe de elétrons de alta energia (5 a 30 keV), extraído de um ânodo e direcionado por um campo magnético, bombardeia o material a ser evaporado mantido em um cadinho resfriado. O feixe de elétrons pode fundir e evaporar qualquer material desde que se consiga suprir energia suficiente. Podem-se alcançar taxas de deposição de até 0,5 mm/min. Como o feixe de elétrons é focalizado e varrido de maneira controlada sobre o alvo, apenas o material alvo é fundido, permitindo a obtenção de filmes de alta pureza.

Os processos de produção de revestimentos por PVD apresentam como vantagem: a possibilidade de operar a pressões de trabalho muito baixas o que permite sintetizar materiais de elevada pureza. Aliado à possibilidade de se “limpar” superfícies pulverizando-se suas camadas mais externas (etching), ocorre uma melhor adesão do revestimento ao substrato e ainda pré-aquece os substratos através de bombardeamento iônico da superfície.

O revestimento não necessita ser usinado já que na maior parte dos casos a morfologia superficial do substrato é praticamente reproduzida.

Plasma

A cada dia aumenta mais o fascínio da indústria por tecnologias que utilizam o plasma como fonte energética. Sua aplicação, iniciada na década de 60, abrange as mais diversas áreas, desde o tratamento de efluentes até a fabricação de filmes de grau eletrônico. Os parâmetros do processo importantes em técnicas convencionais como a pressão e temperatura, já não são tão importantes como à função de distribuição de energia das espécies e a densidade de íons, em técnicas a plasma.

Na média, um plasma é eletricamente neutro, sendo que qualquer desbalanceamento de carga resultará em campos elétricos que tendem a mover as cargas de modo a restabelecer o equilíbrio. Como resultado disso, a densidade de elétrons mais a densidade de íons negativos deve ser igual à densidade de íons positivos. Um importante parâmetro do plasma é o grau de ionização, que é a fração das espécies neutras originais que foram ionizadas. Plasma com um grau de ionização muito menor que a unidade é dito fracamente ionizado. As características do plasma dependem da natureza dos átomos e moléculas constituintes, densidade, energia e grau de ionização (Upadhya, 1989).

Na interação do plasma com uma superfície, há um bombardeamento simultâneo à transferência térmica, produzido pelas espécies que compõem o plasma. Assim, além de alta taxa de aquecimento, o plasma produz alterações superficiais, reações físicas e químicas, que podem ser controladas. O bombardeamento desta superfície provoca a emissão de átomos que reagirão com as espécies do plasma e poderão retornar à superfície.

A principal vantagem de acrescentar o uso de plasma no processo PVD é a possibilidade de criar novas espécies reativas podendo, assim, obter deposições de novos materiais que não são possíveis de serem obtidos com as técnicas convencionais de PVD.

No presente trabalho será utilizado o processo de deposição PVD por feixe de elétrons assistido por plasma de argônio.