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O que é PVD? Introdução à deposição física de vapor
A resposta curta
A Deposição Física de Vapor (PVD) é um conjunto de processos baseados em vácuo utilizados para formar filmes finos, cuja espessura varia normalmente de nanômetros a vários micrômetros, dependendo da aplicação. Pega-se um material sólido, transforma-se em vapor (geralmente por aquecimento ou ao bombardeá-lo com íons) e deixa-se que esse vapor se condense sobre uma superfície para formar uma camada fina e sólida.
É assim que aplicamos as linhas metálicas nos chips de computador, o revestimento antirreflexo nos óculos, o acabamento dourado nas caixas de relógios e o revestimento resistente ao desgaste nas brocas.
O fluxo de trabalho básico do PVD
Quase todos os processos de PVD seguem as mesmas cinco etapas:
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Limpar o substrato. Qualquer contaminação na superfície prejudicará a adesão. Essa etapa é mais importante do que quase qualquer outra.
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Carregar a câmara. Colocar o substrato e o material de origem (alvo para pulverização catódica, cadinho para evaporação) dentro da câmara de vácuo.
- Baixar a pressão da câmara até a pressão base especificada. A evaporação é geralmente realizada sob alto vácuo, enquanto a pulverização catódica primeiro atinge uma baixa pressão base e, em seguida, introduz um gás de processo controlado a uma pressão de trabalho mais alta. A pressão base e a pressão de trabalho devem ser relatadas separadamente.
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Gere vapor. Aplique energia — íons de plasma, calor ou laser — para transformar o material de origem em vapor.
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Depositar o filme. O vapor percorre a câmara e se condensa no substrato, formando um filme fino.
Alguns processos incluem etapas adicionais: aquecimento do substrato, aplicação de uma tensão de polarização ou introdução de um gás reativo (como oxigênio ou nitrogênio) para formar compostos.
Três métodos importantes de PVD
Todos os métodos de PVD seguem a mesma ideia básica — do sólido ao vapor e, por fim, à película —, mas obtêm o vapor de maneiras diferentes.
A pulverização catódica utiliza íons de alta energia para arrancar átomos de um alvo sólido. Os átomos voam através de uma câmara de vácuo e se depositam no substrato. Esse é o método PVD mais comum na fabricação de semicondutores .
A evaporação térmica é mais adequada para materiais que podem ser aquecidos sem se decompor ou reagir com o equipamento de origem. A evaporação por feixe de elétrons amplia a gama de materiais utilizáveis para muitos metais e cerâmicas de alto ponto de fusão.
A deposição por laser pulsado (PLD) dispara um laser de alta potência contra um alvo sólido. O laser cria uma nuvem de plasma do material que se deposita sobre o substrato. Esse método é menos comum na produção, mas excelente para pesquisas sobre materiais complexos.
Essas são as três principais abordagens de PVD abordadas nesta série. Outros processos consagrados incluem a deposição por arco catódico e o revestimento iônico, enquanto HiPIMS, pulverização reativa e pulverização por feixe de íons são configurações especializadas de pulverização.
PVD x Galvanoplastia e CVD
O PVD não é a única maneira de produzir filmes finos. Você também pode considerar a galvanoplastia ou a deposição química de vapor (CVD). Veja a seguir como o PVD se compara a esses métodos.
PVD x galvanoplastia. A galvanoplastia requer uma superfície eletricamente condutora durante a deposição. Peças não condutoras podem, às vezes, ser galvanizadas após ativação e metalização, mas isso adiciona etapas de preparação. O PVD é um processo a seco, mais limpo e funciona em praticamente qualquer material — mas custa mais e requer equipamentos de vácuo.
PVD x CVD. O CVD forma filmes por meio de reações superficiais envolvendo precursores gasosos. Muitos processos de CVD oferecem melhor cobertura em características complexas do que a evaporação direcional, embora a conformidade e a temperatura dependam do processo específico de CVD. O PVD frequentemente evita precursores metal-orgânicos ou halogenetos, mas gases reativos, plasmas energéticos, alta tensão, fontes quentes e os materiais depositados ainda exigem controles de segurança adequados.
Se você precisar de uma regra simples: PVD para revestimentos em linha de visão em superfícies planas ou com contornos suaves. CVD quando for necessário revestir sulcos profundos ou formas complexas.
Como escolher um método de PVD
Comece pela especificação do filme, em vez do nome do equipamento. Defina o material e a composição do revestimento, o material do substrato, a temperatura máxima permitida do substrato, a geometria da peça, a espessura e a uniformidade necessárias, os requisitos de adesão, o acabamento da superfície e o volume de produção.
A evaporação costuma ser atraente para filmes metálicos direcionais e processos de lift-off. O sputtering geralmente oferece maior compatibilidade de materiais e controle útil sobre filmes compostos, condutores e dielétricos. O PLD é especialmente útil para pesquisa e desenvolvimento envolvendo materiais complexos, mas a transferência da composição e a uniformidade em grandes áreas ainda exigem validação do processo.
Antes de solicitar um alvo ou material de evaporação, forneça o método de deposição, o material e a pureza, as dimensões do alvo ou da fonte, os requisitos da placa de apoio ou do cadinho, a potência ou carga térmica esperada e quaisquer restrições quanto a impurezas ou embalagem.
Aplicações comuns de PVD
Você interage constantemente com produtos revestidos por PVD, mesmo que não saiba disso.
Eletrônica. Na fabricação de semicondutores, o PVD é utilizado para camadas específicas de metal, adesão, barreira, revestimento, semente e eletrodo. Ele é parte integrante de um fluxo de processo mais amplo; por exemplo, as interconexões convencionais de cobre geralmente combinam camadas de barreira ou semente depositadas com cobre galvanizado.
Óptica. Revestimentos antirreflexo em lentes, espelhos de telescópios e filtros de projetores são todos produzidos por evaporação ou pulverização catódica.
Revestimentos de ferramentas. Brocas, fresas e pastilhas de corte utilizam revestimentos PVD (como nitreto de titânio) para terem maior durabilidade e operarem mais rapidamente.
Revestimentos decorativos. A cor dourada nas caixas de relógios, o acabamento preto em louças sanitárias e o aspecto cromado em acabamentos plásticos de automóveis costumam ser PVD.
Dispositivos médicos. Revestimentos PVD selecionados são utilizados em alguns dispositivos médicos para modificar características de desgaste, corrosão, atrito ou resposta da superfície. A adequação e a biocompatibilidade devem ser avaliadas para o revestimento específico, o substrato, o processo de fabricação e o uso clínico pretendido.
O que esta série abordará
Esta série aborda os métodos de PVD com detalhes práticos. Cada artigo enfoca o que os engenheiros realmente precisam saber: como funciona, em que se destaca, onde apresenta falhas e como escolher.
Métodos de pulverização catódica: magnetrão, CC, RF, reativo, feixe de íons, HiPIMS
Métodos de evaporação: feixe de elétrons, térmico
Comparações: PVD x CVD, feixe de elétrons x térmica, planar x rotativa, CC x RF
Tópicos práticos:cores de revestimento , tensão em filmes finos, ligação do alvo
Se você já sabe qual método precisa, vá direto para esse artigo. Se está apenas começando, o próximo artigo desta série aborda a pulverização catódica por magnetron — o método de PVD mais comum na produção atual.
Conclusão
O PVD é uma opção versátil quando o material, o substrato, a geometria, as especificações da película e os requisitos de produção são compatíveis. Não é automaticamente a melhor escolha para todos os problemas de revestimento.
As desvantagens são o custo do equipamento e as limitações de linha de visão.
Referências
- The Open University. “Deposição Física de Vapor (PVD)”. Atualizado em 9 de março de 2018. https://www.open.edu/openlearn/course/view.php?id=14065.
- MIT OpenCourseWare. “Deposição Física de Vapor (PVD) II: Evaporação.” Tecnologia de Processamento Micro/Nano, 26 de outubro de 2005. https://ocw.mit.edu/courses/6-152j-micro-nano-processing-technology-fall-2005/d9097b1b036264512858784ebe967e84_lecture12.pdf.
- Agência de Proteção Ambiental dos EUA. Guia de Avaliações Industriais para Prevenção da Poluição e Eficiência Energética. https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-07/pretreatment_industrial_assessments.pdf.
- imec. “Como resolver o problema de atraso RC no final da linha?” Setembro de 2017. https://www.imec-int.com/en/imec-magazine/imec-magazine-september-2017/how-to-solve-the-back-end-of-line-rc-delay-problem.
- van Hove, R. P., I. N. Sierevelt, B. J. van Royen e P. A. Nolte. “Revestimento de nitreto de titânio em implantes ortopédicos: uma revisão da literatura.” BioMed Research International 2015 (2015): 485975. https://doi.org/10.1155/2015/485975.
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