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Las técnicas de recubrimiento PVD utilizan procesos físicos para depositar películas delgadas sobre superficies.

Las técnicas de recubrimiento PVD utilizan procesos físicos para depositar películas delgadas sobre superficies. Estas películas ofrecen una forma extremadamente cómoda de obtener las características superficiales deseadas sin tener que cambiar por completo el material de un producto. Las capas pueden ser tan finas como milésimas de nanómetro y pueden transformar todo tipo de superficies para que resistan la corrosión, reduzcan la fricción, aumenten la dureza y mucho más.

En este artículo exploraremos los dos métodos más habituales de deposición física en fase vapor que se utilizan para aplicar recubrimientos PVD: la evaporación térmica y la deposición por pulverización catódica.

Método PVD 1: evaporación térmica

Se utiliza energía térmica para vaporizar el material objetivo (target) de modo que pueda utilizarse para depositar la película delgada sobre el sustrato. Los materiales depositados pueden incluir metales puros, no metales, óxidos y nitruros. Este proceso ofrece un alto nivel de control sobre las propiedades de la película, como el espesor, la adhesión, la tensión y la estructura de grano. En comparación con otras técnicas PVD y CVD, la evaporación térmica tiene una de las velocidades de deposición más altas.

Un sistema típico de evaporación térmica consta de los siguientes componentes:

- Sustrato(s) y material objetivo

- Fuente de calor

- Bomba de vacío

- Controlador de presión / válvula de compuerta

- Monitor de velocidad de deposición

- RGA (opcional)

La evaporación térmica requiere un vacío muy alto de aproximadamente (1×10-6 a 1×10-9 Torr). El nivel de vacío necesario depende de las necesidades de pureza y del camino libre medio requerido. Aunque difieren en algunos detalles, como el nivel de vacío, los tres pasos siguientes son comunes a todos los montajes de evaporación térmica:

- Vaporización: el material objetivo se coloca primero en un crisol en la parte inferior de la cámara de vacío. A continuación se utiliza una fuente de calor (filamento de tungsteno o haz de electrones) para sublimar o hacer hervir el material objetivo hasta convertirlo en vapor.

- Transporte del material objetivo al sustrato: el material objetivo vaporizado forma una pluma de vapor que viaja hasta el sustrato, instalado directamente encima del material objetivo. Mantener un nivel de vacío alto y estable garantiza que el entorno esté libre de contaminación, y un camino libre medio garantiza un recorrido prácticamente sin colisiones de los vapores desde el material objetivo hasta el sustrato.

- Deposición y nucleación: como la superficie del sustrato está a una temperatura relativamente baja, los vapores se condensan al entrar en contacto con ella. A la condensación le sigue la nucleación, que crea la primera capa de película delgada. Este proceso se lleva a cabo hasta alcanzar el espesor de película deseado.

Métodos de evaporación térmica

La evaporación térmica también tiene subtipos, que se diferencian por el método de vaporización del material objetivo. Los métodos incluyen la epitaxia de haces moleculares (MBE), la deposición por haz de electrones, la evaporación flash y la evaporación resistiva.

Aplicaciones habituales

La evaporación térmica se utiliza con mayor frecuencia para depositar capas metálicas conductoras de la electricidad en células solares, pantallas OLED y transistores de película delgada. También se utiliza en el proceso de fabricación de películas de PET aluminizadas.

Método PVD 2: deposición por pulverización catódica

La deposición por pulverización catódica es un proceso de línea de visión como la evaporación térmica, pero utiliza moléculas de gas energizadas para depositar películas delgadas sobre el sustrato y proporciona una mejor cobertura de escalones. Este método puede utilizarse para depositar metales, no metales, aleaciones y óxidos.

Un sistema típico de pulverización catódica consta de los siguientes componentes:

- Sustrato(s) y material objetivo

- Cátodo y ánodo

- Controladores de caudal másico

- Controlador de presión / válvula de compuerta

- Bomba de vacío

- Cristal de cuarzo

La pulverización catódica se realiza con vacíos relativamente bajos, de 0 – 0,03 Torr, y el argón es el gas más utilizado por su elevado peso molecular. Los tres pasos básicos de la deposición por pulverización catódica son los siguientes:

- Vaporización: el material objetivo se conecta al cátodo, lo que hace que los electrones libres se aceleren alejándose de él. Estos electrones chocan entonces con las moléculas de argón, arrancan electrones de las capas más externas y dejan iones de argón con carga positiva (responsables del resplandor del plasma). A medida que los iones de argón se aceleran hacia el cátodo y chocan con el material objetivo, arrancan (pulverizan) moléculas del material objetivo.

- Transporte del material objetivo al sustrato: las moléculas del material objetivo absorben parte de la energía cinética de los iones de argón, que las impulsa hacia el sustrato y forma una corriente de vapor. En esta etapa es crucial un nivel de vacío estable para garantizar una película delgada de alta calidad.

- Crecimiento de la película: las moléculas pulverizadas del material objetivo se adhieren al sustrato y forman el recubrimiento de película delgada. La velocidad de deposición puede optimizarse controlando el caudal del gas inerte.

Métodos de pulverización catódica

Los distintos procesos de pulverización catódica, como los de radiofrecuencia, CC, CC pulsada y magnetrón, se clasifican según el tipo de fuente de alimentación utilizada. Se utiliza una técnica especial llamada pulverización catódica reactiva cuando se depositan compuestos químicos.

Aplicaciones habituales

La aplicación más antigua de la pulverización catódica es la producción de discos duros de ordenador. Hoy la pulverización catódica se utiliza ampliamente en el procesamiento de circuitos integrados, en la producción de vidrio con película antirreflectante o de alta emisividad, en recubrimientos de herramientas de corte y en el recubrimiento de CD y DVD.

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