Deposición física de vapor (PVD) El proceso es un grupo de procesos de película delgada en los que el material se convierte en una fase gaseosa en una cámara de vacío y se condensa en la superficie del sustrato como una capa débil. PVD es un metal, aleación, cerámica y otros compuestos inorgánicos. Los posibles sustratos incluyen metal, vidrio y plástico. El proceso PVD representa una tecnología de recubrimiento versátil que se puede aplicar a una combinación casi ilimitada de materiales de recubrimiento y materiales de sustrato.
Aplicación PVD:
- Las aplicaciones incluyen recubrimientos decorativos delgados en piezas de plástico y metal como trofeos, juguetes, bolígrafos, lápices, cajas de relojes y molduras interiores de automóviles.
- El recubrimiento es una película delgada de aluminio (aproximadamente 150nm) recubierta con laca transparente, lo que le da una apariencia de plata o cromo de alto brillo.
- Otra aplicación de PVD es el fluoruro de magnesio (MgF)2) a lentes ópticas.
- El PVD se aplica en la fabricación de dispositivos electrónicos, principalmente para depositar metal para formar conexiones eléctricas en circuitos integrados.
- Finalmente, PVD es ampliamente utilizado para recubrir nitruro de titanio (TiN) en herramientas de corte y moldes de inyección de plástico para resistencia al desgaste.
Todos los procesos físicos de deposición de vapor constan de los siguientes pasos:
- síntesis de vapores de recubrimiento,
- transporte de vapor al sustrato, y
- Condensación de gases en la superficie del sustrato.
Dado que estos pasos se realizan en una cámara de vacío, la evacuación de la cámara debe realizarse antes del proceso real de PVD.
La síntesis de vapores de recubrimiento se puede lograr mediante cualquiera de varios métodos, como el calentamiento por resistencia eléctrica o el bombardeo de iones para vaporizar sólidos (o líquidos) existentes.
Estas y otras variaciones dan lugar a varios procesos PVD.
Estos se dividen en tres tipos principales:
- evaporación al vacío,
- pulverización catódica, y
- Recubrimiento iónico.
La Tabla 1 a continuación proporciona una visión general de estos procesos.
Tabla 1: Descripción general del proceso de deposición física de vapor (PVD).
| S.no | Proceso PVD | Características y comparaciones | Materiales de recubrimiento |
|---|---|---|---|
| 1 | Evaporación al vacío | El equipo es simple con un costo relativamente bajo. La deposición de compuestos es difícil. La adhesión del recubrimiento no es tan buena como otros procesos de PVD. | Ag, Al, Au, Cr, Cu, Mo, W |
| 2 | Farfulla | Mejor fuerza de lanzamiento y adhesión del recubrimiento que la deposición al vacío, los compuestos de recubrimiento mejor que la deposición al vacío, una tasa de deposición más lenta y un control del proceso difícil. | Al2O3, oro, cromo, mo, sio2、Si3N4, Titanio, Estaño |
| 3 | Revestimiento iónico | La mayor cobertura y adhesión de recubrimiento de los procesos PVD, el control de procesos más complejo, las tasas de deposición más altas que la pulverización catódica. | Ag, Au, Cr, Mo, Si3N4, Titanio, Estaño |
Veamos estos tres procesos con más detalle.
1. Evaporación al vacío:
Ciertos materiales (principalmente metales puros) se pueden depositar sobre un sustrato convirtiéndolos primero de un estado sólido a un estado de vapor en el vacío, y luego condensándolos en la superficie del sustrato. La configuración del proceso de deposición al vacío se muestra en la Figura 1. El material a depositar, llamado fuente, se calienta a una temperatura lo suficientemente alta como para que se evapore (o sublime). Dado que el calentamiento se lleva a cabo en vacío, la temperatura requerida para la vaporización está significativamente por debajo de la temperatura correspondiente requerida a presión atmosférica. Además, la ausencia de aire en la cámara evita la oxidación de la materia prima a temperaturas de calentamiento.
Figura 1: Diagrama esquemático del proceso de deposición física
Se pueden utilizar varios métodos para calentar y vaporizar el material. Es necesario preparar un recipiente para contener las materias primas antes de la vaporización. Entre la vaporización crítica, los métodos son el calentamiento por resistencia y el impacto del haz de electrones. El calentamiento por resistencia es la tecnología más simple. Los metales refractarios (por ejemplo, W, Mo) se forman en recipientes adecuados para contener la materia prima. Se pasa una corriente eléctrica para calentar el recipiente, que lo calienta. El material en contacto con él. Un problema con este método de calentamiento es que se alea entre el soporte y su contenido, y la película de deposición de vapor puede contaminarse con el metal del recipiente de calentamiento de resistencia. En la evaporación por haz de electrones, el flujo de electrones a alta velocidad se dirige para colisionar con la superficie de la materia prima y causar vaporización. A diferencia del calentamiento por resistencia, muy poca energía actúa para calentar el recipiente, por lo que se minimiza la contaminación del material del recipiente por el recubrimiento.
Cualquiera que sea la técnica de vaporización, los átomos evaporados abandonan su fuente y siguen un camino recto hasta que chocan con otras moléculas de gas o chocan con una superficie sólida. El vacío en la cámara prácticamente elimina otras moléculas de gas, reduciendo la probabilidad de colisión con los átomos de vapor fuente. La superficie del sustrato a recubrir generalmente se dispone en relación con la fuente de luz para que se convierta en una superficie sólida sobre la que se pueden depositar los átomos de vapor. A veces se utiliza un manipulador mecánico para girar el sustrato y todas las superficies están recubiertas. Al entrar en contacto con la superficie relativa del sustrato de enfriamiento, los niveles de energía de los átomos en colisión se reducen abruptamente hasta el punto en que no pueden permanecer en estado de vapor. Se condensan y se adhieren a superficies sólidas, formando una película delgada depositada.
2. Sputtering:
Si la superficie de un sólido (o líquido) es colisionada por partículas atómicas de energía suficientemente alta, entonces los átomos individuales de la superficie pueden adquirir suficiente fuerza para que sean liberados de la superficie por la transferencia de impulso debido a la colisión. Este es un proceso llamado pulverización catódica. La forma más conveniente de partículas de alta energía es un gas ionizado como el argón, que es un medio para energizar un campo eléctrico para la formación de plasma. Como un proceso PVD, la pulverización catódica impacta el material de recubrimiento del cátodo con iones de argón (Ar +) para liberar átomos de superficie y luego depositarlos en el sustrato para formar una película delgada en la superficie del sustrato.
Fig. 2 Diagrama esquemático del proceso de pulverización catódica. Fuente: ASM International
El sustrato debe ubicarse cerca del cátodo y generalmente se calienta para mejorar la unión de los átomos de recubrimiento. En la figura 2 se muestra una disposición típica.
La deposición al vacío se limita a los metales, mientras que la pulverización catódica se puede aplicar a elementos metálicos y no metálicos de casi todos los materiales. aleaciones, cerámicas, polímeros. Las películas de aleaciones y compuestos se pueden pulverizar sin cambiar su composición química. Las películas de compuestos también se pueden depositar utilizando metales pulverizados y gases reactivos que forman óxidos, carburos o nitruros.
Las desventajas de la pulverización catódica de PVD incluyen-:
- Tasa de deposición lenta y
- Debido a que los iones chocan con los gases del área superficial, generalmente se encuentran rastros de gas en la película de recubrimiento, y los gases atrapados pueden afectar negativamente las propiedades mecánicas.
3. Recubrimiento iónico:
El recubrimiento iónico combina la pulverización catódica y la deposición al vacío para depositar una película delgada sobre un sustrato. El proceso funciona de la siguiente manera: El sustrato se establece para ser el cátodo superior de la cámara, y la materia prima se coloca debajo de él. Después de eso, se establece un vacío en la cámara. Acepta gas argón y aplica un campo eléctrico para ionizar el gas (Ar +) para crear plasma. Esto provoca el bombardeo iónico (pulverización catódica) del sustrato, que frota la superficie del sustrato a un estado de limpieza atómica (se traduce como “muy limpio”). Luego, la materia prima se calienta lo suficiente como para generar vapor de recubrimiento. Los métodos de calentamiento utilizados aquí son similares a los utilizados en la deposición al vacío: calentamiento por resistencia, impacto del haz de electrones, etc. Las moléculas de vapor pasan a través del plasma y recubren el sustrato. Dado que la pulverización catódica continúa durante la formación de la película, el bombardeo de iones de iones consiste no solo en los iones de argón originales, sino también en los iones del material fuente que se energizan mientras se exponen al mismo campo de energía que el argón. El efecto de estas condiciones de procesamiento es producir películas de espesor uniforme y excelente adhesión al sustrato.
Figura 3: Diagrama esquemático del equipo de recubrimiento iónico. Fuente: ASM International
El recubrimiento iónico se aplica a piezas con formas irregulares debido al efecto de dispersión presente en el campo de plasma. Un ejemplo interesante aquí es el recubrimiento TiN de herramientas de corte de acero de alta velocidad (como brocas). Además de la uniformidad del recubrimiento y la buena adherencia, otras ventajas del proceso incluyen altas tasas de deposición, alta densidad de película y la capacidad de recubrir agujeros y paredes interiores de varias formas huecas.