O processo PVD (Physical Vapor Deposition) ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, onde o material a ser depositado é inicialmente vaporizado e ionizado formando um plasma. Por diferença de potencial, os íons, de forma pura ou combinados com átomos de nitrogênio e/ou carbono, são atraídos para a superfície das peças a serem revestidas.
Existem três tecnologias básicas de PVD, que se distinguem pelo princípio empregado na vaporização do elemento metálico da camada a partir de um catodo: arco elétrico, desintegração por bombardeamento com átomos de argônio (sputtering), ou feixe de elétrons.
No presente trabalho abordaremos alguns detalhes do processo de vaporização por arco para a produção de camadas de nitretos metálicos, tais como: TiN, AlTiN e CrN.
Vaporização do Elemento Metálico
Na parte interna da câmara de revestimento encontram-se os catodos, placas metálicas sólidas, que são a fonte do elemento metálico a ser depositado. Os catodos podem ter forma circular ou retangular e são circundados por uma moldura metálica isolada, que representa o anodo.
Através de um disparador elétrico inicia-se um arco elétrico na superfície do catodo, que se mantém enquanto houver uma diferença de potencial entre o catodo e o anodo. Através de ímãs, o arco é mantido de forma estacionária sobre a superfície do catodo.
Como referência, no processo de vaporização a arco normalmente trabalha-se com voltagens baixas, da ordem de 20 V e correntes altas, da ordem de 100 A.
Nas condições de baixa pressão na câmara de revestimento – vácuo – o arco queima em uma área de poucos micrômetros de espessura, varrendo de forma aleatória a superfície do catodo, não permanecendo mais do que 40 ns na mesma posição.
A concentração de energia nos focos onde queima o arco é tão intensa – da ordem de 1E9 W/cm2 – que o material do catodo normalmente sublima e ioniza, formando um plasma.
Fluxo do Material do Catodo ao Substrato
O substrato, ou seja, as peças a serem revestidas, são carregadas com uma tensão entre 50 e 200 V com uma polaridade oposta à dos átomos metálicos oriundos do catodo. Desta forma, estes íons são atraídos e acelerados para sua superfície. À medida que o processo avança, o catodo é consumido.
Nem todo o material do catodo, entretanto, é transferido para o substrato na forma de íons. Cerca de 20% do material consumido do catodo é perdido como átomos vaporizados não ionizados e também na forma de pequenas gotas, normalmente conhecidas por droplets, que espirram da superfície do catodo.
Com boas práticas de processo a geração de droplets pode ser minimizada, mas não eliminada. Uma parte destas pequenas gotas acaba atingindo o substrato, imprimindo pequenas imperfeições na camada depositada, que dependendo da intensidade e do tipo de aplicação da peça revestida, podem representar uma limitação.
Formação da Camada
Previamente à deposição da camada de nitreto metálico, gera-se na câmara de revestimento um plasma de argônio. Simultaneamente submete-se as peças a uma tensão entre 100 e 1000 V com polaridade oposta à dos íons de argônio. Esta tensão é regulada de maneira a proporcionar um bombardeamento a nível atômico do substrato. Desta forma, a fina camada de óxido que recobre toda peça metálica é quebrada, expondo o metal base. Como as peças estão sob vácuo, elas não oxidam novamente. Apenas após essa etapa é que se inicia o revestimento.
Devido à alta energia dos íons metálicos, os primeiros que atingem a superfície das peças, penetram alguns nanômetros, promovendo um bom ancoramento da camada e uma transição microestrutural gradativa e homogênea entre o substrato e a camada propriamente dita. A energia de impacto dos íons ao longo do crescimento da camada proporciona uma boa compactação da camada.
No caso da deposição de camadas de nitreto metálico, juntamente com a vaporização do elemento metálico, admite-se nitrogênio gasoso de forma controlada na câmara. Ao serem expostas ao plasma, as moléculas de nitrogênio também se ionizam e passam a ser atraídas pelo substrato. Desta maneira forma-se a camada de nitreto metálico, depositada por camadas sucessivas de átomos tanto do elemento metálico, como de nitrogênio.
