Pulverização catódica

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Pulverização catódica (ou sputtering) é uma técnica de deposição de material usada para recobrir uma superfície. Essa técnica é largamente utilizada nos dias de hoje no recobrimento de discos rígidos para computadores.

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Pulverização Catódica

Sempre que a superfície de um material sólido é bombardeada por átomos ou iões com energias de alguns eV ou KeV ocorrerá erosão da mesma, através da remoção de alguns átomos superficiais. Este fenómeno denomina-se pulverização (“sputtering”). Designa-se por alvo, o material a ser pulverizado, que é colocado numa câmara de vácuo juntamente com os materiais que se pretendem revestir os substratos. As espécies mais utilizadas neste bombardeamento são átomos inertes e pesados. Inertes de modo a reduzir a possibilidade de reacção com outros iões do plasma e pesados de modo a possuírem um maior momento linear no momento de impacto com o alvo. Por estas razões o árgon um dos gases mais utilizados. Para ionizar os átomos efectua-se uma descarga eléctrica, a baixa pressão, entre o cátodo e o ânodo.


A pulverização catódica possui algumas características importantes, das quais se salienta a sua grande versatilidade, uma vez que permite um controlo dos parâmetros de deposição e em segundo relativamente fácil, uma apreciável qualidade dos filmes produzidos. Para além destes é ainda de destacar a relativa facilidade com que se passa dos resultados laboratoriais para um nível mais industrial. Para além das características já referidas, existem outras que justificam a aplicação desta técnica na produção de filmes finos. De entre estas destacam-se [1]: • o facto de ser ambientalmente pouco agressiva; • possibilitar uma boa adesão à grande maioria de possíveis substratos; • produzir revestimentos adaptáveis à forma do substrato; • proporcionar taxas de deposição reactivamente elevadas (dependendo dos parâmetros de deposição); • possibilitar o controlo da espessura dos revestimentos; • produzir filmes com uma homogeneidade da espessura em superfícies planas.


Pulverização por rádio-frequência

No processo tradicional de pulverização catódica por corrente contínua, a pulverização é provocada pelos iões do plasma que, ao serem acelerados pelo campo eléctrico, vão embater no alvo arrancando assim os átomos do mesmo. Se o material de que é constituído o alvo não for condutor, este não poderá funcionar como um eléctrodo, levando a uma acumulação de cargas positivas no alvo, aumentando o potencial e diminuindo até um valor nulo a capacidade do “cátodo” de atrair os iões positivos do plasma. Este problema resolve-se substituindo a fonte de tensão contínua por uma fonte de tensão alternada de frequência elevada (rádio-frequência, r.f.), com frequências variando tipicamente entre os 5 e os 30 MHz, sendo 13.56 MHz a frequência actualmente mais utilizada. A utilização de uma fonte alternada de frequência elevada, permite a pulverização de quase todo o tipo de materiais. A polarização alternada do alvo faz com que durante a alternância negativa, o cátodo atraia iões do plasma, pulverizando o alvo. Durante a alternância positiva verifica-se a atracção de electrões, que deste modo anulam alguma acumulação de carga positiva, que possa ocorrer no ciclo anterior, balançando ao mesmo tempo o potencial no alvo. Como a mobilidade dos electrões é superior à dos iões, devido à sua menor inércia, serão atraídos mais electrões do que iões para a superfície do alvo, durante os meios ciclos, surgindo então uma carga eléctrica estática negativa no alvo, criando assim um potencial continuo negativo (potencial de auto-polarização). Assim os iões passarão a ser atraídos mais pelo potencial negativo induzido do que pelo potencial r.f. propriamente dito [2]. O campo eléctrico contínuo assim criado permite acelerar os iões do plasma, adquirindo energia suficiente para pulverizar o alvo. Os electrões ao oscilarem no campo eléctrico, aumentam a distância percorrida em relação ao processo de pulverização catódica clássico, aumentando o número de colisões e consequentemente o número de iões criados por cada electrão. Desta forma é possível diminuir a tensão de descarga.


Pulverização em Magnetrão

A aplicação de um campo magnético no alvo através da colocação de magnetes, vai provocar um confinamento magnético do plasma, obrigando os electrões a descrever trajectórias do tipo helicoidal à volta das linhas de força do campo magnético. O percurso percorrido pelos electrões até atingirem o alvo, embora restrito às proximidades do alvo, vai ser assim bastante superior à distância entre o cátodo e o ânodo, aumentando significativamente a probabilidade de colisão dos electrões com os átomos de gás e na consequente ionização destes últimos. Este facto, vai permitir a pulverização a tensões de trabalho relativamente mais baixas (na ordem dos 500 a 600 V), a par de uma redução no bombardeamento do substrato pelos electrões. Por outro lado, o aumento da densidade iónica acontece somente numa zona muito próxima do alvo onde os iões terão boas hipóteses de serem atraídos pelo cátodo. Permitindo o aumento da taxa de deposição e a diminuição da pressão de trabalho, diminuindo assim a possibilidade de contaminação do filme fino.Assim, induz-se o aumento da taxa de deposição e a diminuição da pressão de trabalho, diminuindo assim a possibilidade de contaminação dos filmes produzidos.

[1]M. Ohring, “The Materials Science of Thin Films”, Academic press Inc., San Diego, 1992. [2]P.J. Burnett and D. S. Rickerby, Thin Solid Films 154 (1987) 403.