La técnica de sputtering se ha convertido en el proceso de elección para el depósito de una amplia gama de recubrimientos de importancia industrial, algunos ejemplos son recubrimientos duros y resistentes al desgaste, recubrimientos de baja fricción, recubrimientos decorativos y recubrimientos con propiedades ópticas o eléctricas específicas. Aunque el proceso de sputtering básico ha sido conocido y utilizado durante muchos años, es el desarrollo del magnetrón desbalanceado y su incorporación a sistemas de múltiples fuentes de campo cerrado lo que han sido responsables del aumento de la importancia de esta técnica. El magnetrón sputtering desbalanceado de campo cerrado (CFUBMS) es una técnica excepcionalmente versátil para la deposición de películas de alta calidad y bien adheridas. Los fundamentos del sputtering, los principales tipos de magnetrón sputtering, el funcionamiento de los equipos de sputtering y la aplicación del CFUBMS en la obtención de recubrimientos MoST que poseen aplicaciones tribológicas y en la industria del mecanizado se discuten en este documento.

INTRODUCCIÓN

La técnica de magnetrón sputtering se ha desarrollado rápidamente durante la última década, hasta establecerse como el proceso elegido para el depósito de una amplia gama de recubrimientos de importancia industrial. La fuerza impulsora detrás de este desarrollo ha sido la creciente demanda de películas de alta calidad funcional en muchos sectores del mercado. En muchos casos, se han depositado películas que ahora superan a las películas depositadas por otros procesos de deposición física de vapor (PVD), y pueden ofrecer la misma funcionalidad que las películas más gruesas producidas por otras técnicas de recubrimiento de superficie. En consecuencia, el magnetrón sputtering ahora tiene un impacto significativo en áreas de aplicación como recubrimientos duros y resistentes al desgaste, recubrimientos de baja fricción, recubrimientos decorativos y recubrimientos con propiedades ópticas o eléctricas específicas [1].

El proceso de sputtering básico se ha difundido y, a pesar de sus limitaciones, se utiliza desde hace muchos años. La introducción del término “convencional”, o magnetrones “balanceados” a principios de los años 1970 [2,3] fue un paso adelante en la superación de estas limitaciones. Sin embargo fueron el desarrollo del magnetrón desbalanceado a finales de 1980 [4-6] y la incorporación de los sistemas de múltiples fuentes de campo cerrado a principios de 1990 [7,8] que trasforman la capacidad de esta técnica, y son responsables de su creciente importancia.

Uno de los materiales con muchas aplicaciones en la actualidad y que se deposita utilizando magnetrón sputtering desbalanceado de campo cerrado (CFUBMS) son los recubrimientos MoST (MoS₂/metal) [9]. Por esta razón el proceso de desarrollo y las aplicaciones de estos recubrimientos también se discuten en este documento.

1. FUNDAMENTOS DEL SPUTTERING

En el proceso de sputtering básico, una placa llamada blanco (o cátodo) es bombardeada por iones energéticos generados en una plasma de descarga luminiscente, situado frente al blanco. El proceso de bombardeo provoca la eliminación, es decir, “pulverización”, de los átomos del blanco, que se pueden condensar en un sustrato como una película delgada [1].

1.1 DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES

Consideremos un condensador de láminas plano-paralelas separadas por una distancia d como se muestra en la figura 1. Supongamos que aplicamos al condensador una diferencia de potencial V₁. En condiciones “normales” el aire es aislante, y por tanto el condensador queda cargado con una cierta carga de acuerdo con su capacidad. La corriente en el circuito será cero tras un tránsito inicial de carga. Sin embargo, cuando el potencial aumenta a un valor V₂ suficientemente elevado, el condensador se descarga ya que el medio se hace conductor, este proceso de descarga ocurre cuando el campo eléctrico, E, establecido entre las placas (E = V/d) es suficiente para ionizar el gas, generando cargas eléctricas positivas y negativas capaces de conducir la electricidad. La corriente en el circuito externo toma en este caso un valor finito. A este proceso de ionización se le denomina ruptura dieléctrica (“breakdown”) del gas neutro que llena el espacio entre las placas del condensador (aire en este caso), y al conjunto de partículas (especies neutras, electrones e iones positivos y negativos) que componen este medio conductor se le denomina plasma [10].

Figura 1. Generación de un gas ionizado o plasma cuando la tensión aplicada V₂ es suficiente intensa como para provocar la ruptura eléctrica del gas neutro [10].

1.1.1 Fundamentos del plasma

El término plasma fue propuesto inicialmente por Irving Langmuir en 1929 para el comportamiento de un gas ionizado que se encontraba a altas corrientes en los tubos al vacío. Se encontró que los plasmas exhibían un comportamiento diferente a un gas ideal o no ideal y que eran claramente diferentes de los otros dos estados de la materia [11, 12]. Por lo tanto, se puede definir el plasma como un estado de la materia en el cual un gas tiene partículas cargadas positivas (iones) y negativas (electrones) y se encuentran confinadas de tal manera que interaccionan con otros átomos, o moléculas neutras por lo tanto forman un medio eléctricamente neutro [13]. Cabe pues preguntarse cuál es la causa de que las cargas eléctricas se mantengan separadas durante un cierto tiempo y de forma estable, es decir, sin neutralizarse. La respuesta es que, efectivamente, existen procesos de recombinación de las cargas, sin embargo, en promedio, los procesos de recombinación están compensados por los de ionización, originados por colisiones de los electrones con las partículas neutras (átomos y/o moléculas) [10].

1.1.2 Generación del plasma

La generación de un plasma ocurre en procesos muy energéticos, en los cuales la energía que se aplica en un gas es muy alta o la temperatura a la que el gas se encuentra sometido es alta [11].

Los plasmas se pueden producir utilizando corriente alterna o corriente directa [14]. En la corriente alterna, los electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido opuesto. La corriente directa es aquella en la cual el flujo de carga fluye siempre en una sola dirección. La radio frecuencia y las microondas son también ejemplos de corriente alterna que se utilizan para generar plasmas. La radio frecuencia está en el intervalo entre 1 y 100 MHz y las microondas están en el intervalo entre los 300 MHz y los 300 GHz. También se pueden generar plasmas con láser o con haces de electrones [15].

1.2 PROCESO DE SPUTTERING

Para explicar el fenómeno de sputtering utilizamos el modelo del juego de billar atómico, que se muestra en la figura 2. Según este modelo un ion, por ejemplo Ar⁺, incide sobre un grupo de bolas de billar muy juntas y ordenadas, que son los átomos del blanco. Algunas de las cuales saldrán dispersas en la dirección opuesta a la del ion incidente, representando a los átomos dispersados (sputter atoms). Los átomos son expulsados de la superficie del blanco y dirigidos hacia un sustrato sobre el cual se depositan, formando una superficie muy fina. Los átomos abandonan la superficie del blanco por intercambio de momentum con los iones energéticos que chocan contra ellos [16, 17].

Figura 2. Esquema del modelo del juego de billar para explicar el fenómeno de sputtering. Los átomos salen de la superficie por intercambio de momentum [18].

Un aspecto muy importante de esta técnica es el vacío, el cual se realiza a presiones de 10^-2 a 10^-4 torr, ya que proporciona un excelente asilamiento térmico y eléctrico. Adicionalmente, el recorrido libre medio de las partículas gaseosas puede ser tan grande que estas prácticamente no chocan entre sí, lo que favorece que estas lleguen al sustrato con altas energías.

A pesar de que la presión de trabajo se encuentra entre 10^-2 a 10^-4 torr, la cámara es evacuada a presiones de 10^-7torr y llenada con un gas (generalmente inerte) hasta la presión de trabajo, lo que disminuye fuertemente la cantidad de constituyentes activos de la atmosfera, permitiendo obtener materiales con baja contaminación [19]. Un diagrama esquemático del proceso de sputtering se muestra en la Figura 3. La fuente puede ser de corriente continua DC o de radio frecuencia RF [18]. El blanco, se conecta a un voltaje negativo, y el sustrato generalmente está enfrentado al blanco [20].

Figura 3. Proceso de sputtering [21].

En estas condiciones se aplica una diferencia de potencial que produce la ionización de una porción de gas. Los iones producidos son acelerados por el campo eléctrico golpeando el blanco o cátodo y de esta manera arrancan átomos neutros del blanco, algunos de los cuales se ionizan, provocando así una avalancha de pares ion-electrón que formarán el plasma [18]. Los voltajes de operación en el sputtering básico están entre -2000 y – 5000 V [22].

1.3 INTERACCIONES EN EL BLANCO

Pueden ocurrir una gran cantidad interacciones en la superficie del blanco, debido a la incidencia de iones positivos, como se puede observar en la figura 4. Estas interacciones incluyen la liberación de átomos neutros, liberación de átomos ionizados, emisión de rayos X, generación de fotones, emisión de electrones secundarios y desorción de átomos de gas por la superficie del blanco.

Figura 4. Interacciones en el blanco [23].

En el mismo blanco, pueden ocurrir otros procesos, incluidos la generación de cascadas de colisión, la generación de defectos puntuales, calentamiento local, amortización, implantación y formación de compuestos [23].

La erosión del blanco de sputtering está dada por:

(1)

Donde J es la densidad de corriente, S es el rendimiento de sputtering, 𝑀_A es el peso atómico, y 𝜌 es la densidad del blanco. El rendimiento de sputtering asume un rayo incidente perpendicular al blanco y consiste de un arreglo de átomos y se expresa así:

(2)

Donde 𝑀_𝑖 es la masa del átomo incidente, 𝑀_𝑡 la masa del átomo en el blanco, 𝐸_𝑖 es la energía cinética del rayo incidente y U el calor de sublimación del material usado como blanco [10].

1.4 CRECIMIENTO DE PELÍCULAS DELGADAS

Existen tres posibles maneras de crecimiento de las películas sobre una superficie: mediante islas, por capas y por islas mas capas [18].

1.4.1 El crecimiento mediante islas

Se da cuando los enlaces entre los átomos o moléculas son mayores que los enlaces con las moléculas del sustrato y se observa en metales sobre aislante, cristales haluro-alcalinos, grafito y sustratos de mica.

1.4.2 El crecimiento por capas

Se produce cuando pequeñas agregaciones de átomos son mucho más estables al crecer en dos dimensiones, ya que sus enlaces son más fuertes y se observa en monocristales de crecimiento epitaxial de películas semiconductoras.

1.4.3 El crecimiento por islas mas capas

Se produce cuando al principio se forma una o más monocapas hasta que algo perturba este crecimiento, haciéndolo desfavorable energéticamente y se empiezan a formar islas. Este crecimiento se ha observado en sistemas metal-metal y metal-semiconductor. Estos modos de crecimiento se muestran en la figura 5.

Figura 5. Modos básicos de crecimiento de películas delgadas [18].

1.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL SPUTTERING

Las ventajas de esta técnica son la uniformidad de las películas depositadas sobre grandes áreas, el control del espesor, la suavidad en la superficie [24], además de la deposición a baja temperatura, la variedad de evaporar distintos materiales, la deposición de mezclas y aleaciones manteniendo la composición del blanco, la buena adherencia de la película depositada y el control de la velocidad de pulverización del blanco [10].

El proceso de pulverización básico se conoce desde hace muchos años y una variedad de materiales se han depositado con éxito mediante esta técnica [25]. Sin embargo, el proceso está limitado por bajas tasas de deposición, bajas eficiencias de ionización del plasma, y un gran efecto de calentamiento del sustrato. Estas limitaciones han sido superadas por el desarrollo del Sputtering con magnetrones equilibrados y, más recientemente, por el Sputtering con magnetrones desequilibrados [26].

2. TIPOS DE SPUTTERING

Según la forma de generar el plasma podemos encontrar los siguientes tipos de sputtering:

· Sputtering de corriente directa (sputtering DC)

· Sputtering de radio frecuencia (sputtering RF)

Según la presencia o ausencia de reacciones entre el gas de proceso y el material de deposición podemos encontrar dos tipos de sputtering:

· Sputtering reactivo

· Sputtering no reactivo

Además encontramos el Magnetrón Sputtering que cuenta con un sistema de magnetrones que mejora muchos aspectos de la técnica.

2.1 SPUTTERING DC

Una de las formas más elementales de generar un plasma es en forma de una descarga tipo diodo de corriente directa DC. La descarga tipo diodo DC se genera con dos electrodos colocados dentro de una cámara de vacío, y una fuente de potencia de alto voltaje externa; por tanto, un campo eléctrico está siempre presente en la cámara, un esquema del sistema para generar el plasma se muestra en la figura 6.

Si un electrón se encuentra cerca del cátodo por alguna razón (posiblemente por la colisión de un rayo cósmico o un fotón ultravioleta con el cátodo o con algún átomo de gas), este será acelerado rápidamente hacia el ánodo. Bajo una condición de densidad de gas apropiada, el electrón toma la suficiente energía para ionizar a uno de los átomos del gas en la cámara, al colisionar genera un ion y un electrón secundario, los cuales son acelerados por el campo eléctrico: el ion hacia el cátodo (blanco) y el electrón hacia el ánodo. Nuevamente, bajo condiciones de densidad del gas apropiado, una nueva ionización ocurrirá. Los iones serán acelerados hacia el cátodo y pueden colisionar entre si con una energía cinética alta, causando la emisión de diversas partículas. Entre las partículas emitidas se encuentran electrones secundarios los cuales pueden ocasionar que la ionización continúe. Cuando el número de electrones creados es suficiente para producir un número de iones de igual cantidad, estos son capaces de sostener el plasma (se dice que la descarga se auto sostiene), es entonces cuando el gas se ilumina [19].

Figura 6. Diagrama del sistema para generar el plasma mediante diodo DC [19].

2.2 SPUTTERING RF

Una de las principales limitaciones experimentales de la técnica de sputtering por corriente directa o sputtering DC, ha sido su inaplicabilidad para la fabricación de materiales aislantes, de óxidos y semiconductores de alta resistivilidad. Este problema se presenta debido a que el blanco, inicialmente, se encuentra a un alto potencial electrónico negativo, el cual se neutraliza rápidamente por la carga trasmitida por los iones positivos que inciden durante el bombardeo. Esta dificultad fue resuelta con la aplicación de una fuente de voltaje de radio frecuencia [19]. La técnica que utiliza este tipo de fuentes es llamada sputtering RF. En esta técnica el plasma es sostenido por radio frecuencia; los iones positivos incidentes, que se mueven con velocidades mucho menores que los electrones, no tienen tiempo para neutralizar completamente el blanco, antes de que la tensión periódica comience a cargarlo negativamente nuevamente. Al cabo de algunas oscilaciones, se habrá acumulado carga negativa en el blanco, esta carga es llamada carga de polarización (bias). Esta polarización atrae a los iones que serán acelerados hacia el blanco, evitando producir un blindaje positivo y garantizando la continuidad del proceso. Con este mecanismo es posible obtener películas delgadas de materiales aislantes como el teflón [18].

A radiofrecuencias entre 5 MHz y 30 MHz, los electrones oscilantes tienen suficiente energía como para producir colisiones ionizantes y así reducir la dependencia de la descarga luminosa en la producción de electrones secundarios. Una consecuencia directa de esto, es el hecho de que el voltaje de descarga es considerablemente menos que en el caso de DC [27]. La frecuencia típica de operación de la mayor parte de los aparatos de sputtering de RF es de 13.56 MHz, ya que esta frecuencia ha sido asignada para aplicaciones industriales y científicas [10].

2.3 SPUTTERING REACTIVO Y NO REACTIVO

El sputtering reactivo se produce cuando se introduce en la cámara de vacío, además del argón, un gas reactivo, como oxigeno (O₂) para formar óxidos, nitrógeno (N₂) para formar nitruros, metano (CH₄) para formar carburos, o combinaciones de gases reactivos para formar oxicarburos, oxinitruros, entre otros. En estos casos los blancos son metálicos, por ejemplo vanadio (V), aluminio (Al), wolframio (W), titanio (Ti), silicio (Si), entre otros. Las moléculas de gas reactivo y los átomos extraídos del blanco forman nuevas moléculas (óxidos, nitruros etc.) en la superficie del sustrato. La presión parcial del gas reactivo influye en la composición de la película que se está formando, en la rapidez de crecimiento del recubrimiento y en la razón de erosión del blanco [18].

Se denomina sputtering no reactivo a aquel en el cual el gas de proceso no reacciona químicamente con el material de deposición. Habitualmente como gas inerte se utiliza el argón ya que consigue rendimientos altos y es una opción más económica que otros tipos de gases [28].

2.4 MAGNETRÓN SPUTTERING

La técnica de magnetrón sputtering consiste en colocar un sistema de imanes en la cara posterior del blanco o cátodo. El campo magnético aplicado esta básicamente concentrado en la vecindad del blanco, como se muestra en la figura 7; y produce una fuerza sobre los electrones que los mantiene en trayectorias helicoidales cerca al blanco por tiempos relativamente largos, aumentando así la rapidez de ionización de los átomos del gas noble.

Figura 7. Patrón de líneas de campo magnético en la técnica de magnetrón Sputtering [29].

La aplicación del campo magnético disminuye el calentamiento del sustrato por causa de los electrones, ya que el flujo hacia el ánodo es mucho menor e incrementa la ionización del gas, debido a la concentración de los electrones en la superficie del blanco. De esta manera, se extrae más material del blanco y se incrementa la rapidez de crecimiento de la película en el sustrato [18].

3. MAGNETRÓN SPUTTERING BALANCEADO

Se utiliza Magnetron debido a que un campo magnético configurado en paralelo a la superficie del blanco, puede limitar el movimiento de electrones secundarios en las cercanías del blanco. Los imanes están dispuestos de tal manera que uno de los polos se sitúa en el eje central del blanco y el segundo polo está formado por un anillo de imanes alrededor del borde exterior del blanco, ver la figura 8. La captura de los electrones aumenta considerablemente la probabilidad de que una colisión ionizante electrón-átomo ocurra. El aumento de la eficiencia de ionización debido al magnetrón produce un plasma denso en la región del blanco. Esto, a su vez, conduce a un aumento del bombardeo iónico del blanco, dando mayores tasas de pulverización y, por tanto, mayores tasas de deposición en el sustrato. Además, el aumento del efecto de ionización que se logra en el modo de magnetrón permite que la descarga se mantenga a unas presiones de operación más bajas (en general, 10^-3 mbar, en comparación con 10^-2 mbar) y menores voltajes de operación (en general, -500V, frente a los -2 a -3 kV), que es posible en el modo de pulverización básico.

La diferencia entre el diseño de un magnetrón convencional y un magnetrón desbalanceado son pequeñas. Sin embargo, la diferencia en el rendimiento entre los dos tipos de magnetrones es muy significativa. En un magnetrón convencional, el plasma es muy limitado a la región del blanco. Una región de plasma denso por lo general se extiende unos 60 mm de la superficie del blanco y películas crecidas sobre sustratos colocados dentro de esta región serán sometidas a un bombardeo de iones concurrentes que pueden influir fuertemente en la estructura y propiedades de la película en crecimiento. Sustratos colocados fuera de esta región, se encontraran en una zona de baja densidad del plasma. En consecuencia, la corriente de iones dibujada en el sustrato (usualmente, < 1 mA/cm²), es generalmente insuficiente para modificar la estructura de la película.

La energía de los iones bombardeantes puede incrementarse mediante el aumento de la tendencia negativa aplicada al sustrato, sin embargo, esto puede conducir a defectos en la película e incrementar el estrés de la película, y por lo tanto, ser perjudicial para las propiedades de la película en general. Por esta razón, es difícil depositar películas muy densas y grandes o componentes complejos utilizando magnetrones convencionales [26].

Figura 8. Confinamiento de electrones en una descarga con un magnetrón circular plano [30].

Para depositar películas densas sin introducir excesivas tensiones intrínsecas, generalmente se prefiere un alto flujo iónico (> 2 mA/cm²) de relativamente baja energía (<100 eV) [31]. Estas condiciones son fácilmente proporcionadas por magnetrones desequilibrados.

4. MAGNETRÓN SPUTTERING DESBALANCEADO

En un magnetrón desbalanceado, el anillo exterior de los imanes se fortalece en relación con el polo central. En este caso, no todas las líneas del campo están cerradas entre los polos centrales y exteriores en el magnetrón, algunas se dirigen hacia el sustrato, y algunos electrones secundarios son capaces de seguir estas líneas de campo. En consecuencia, el plasma ya no es muy limitado a la región del blanco, también se le permite el flujo hacia el sustrato. Por lo tanto, altas corrientes de iones se pueden extraer del plasma, sin necesidad de aplicar una carga de polarización externa al sustrato. Estudios anteriores habían demostrado que en algunos diseños de magnetrón no todas las líneas de campo se cierran en sí mismos [32] (en realidad, son pocos los magnetrones en este caso que son completamente balanceados). Sin embargo, fueron Windows y Savvides los que primero se dieron cuenta del significado de este efecto, cuando variaron sistemáticamente la configuración magnética de un magnetrón de modo convencional [4- 6]. Ellos, y otros investigadores, han demostrado posteriormente densidades de corriente iónica en el sustrato de 5 mA/cm² y mayores, es decir, aproximadamente un orden de magnitud superior a la de un magnetrón convencional, que puede ser generada rutinariamente al utilizar un magnetrón desbalanceado [6,33, 34]. El confinamiento del plasma obtenido en magnetrones desbalanceados se muestra esquemáticamente en la figura 9.

Por lo tanto, además de proporcionar un alto flujo de átomos de recubrimiento (en comparación con una fuente de sputtering básica), un magnetrón desequilibrado también actúa como una fuente de iones muy eficaz. Además, la corriente de iones dibujado en el sustrato es directamente proporcional a la corriente del blanco, la tasa de deposición es también directamente proporcional a la corriente del blanco. Como resultado de ello, y a diferencia de otros procesos de implantación iónica [35,36], la relación entre la llegada de ion-átomo al sustrato se mantiene constante con el aumento de la tasa de deposición [37].

Figura 9. Representación esquemática del confinamiento de plasma obtenido en un magnetrón sputtering desbalanceado de tipo 2 [29].

El diseño de magnetrón desbalanceado discutido anteriormente se denominó tipo-2, por Window y Savvides. Sin embargo, también se considera el caso contrario (tipo 1), donde se ha reforzado el polo central en relación con el polo exterior. En este caso las líneas de campo que no se cierran en sí mismas están dirigidas hacia las paredes de la cámara, y la densidad del plasma en la región de sustrato es baja (ver figura 10). Este diseño no es de uso común, debido a las bajas corrientes de iones en el sustrato, sin embargo, un proyecto reciente de Salford utiliza esta característica para la producción de nuevas películas metálicas reactivas con elevada área superficial [38].

Figura 10. Representación esquemática del confinamiento de plasma obtenido en un magnetrón sputtering desbalanceado de tipo 1 [29].

5. MAGNETRÓN SPUTTERING DESBALANCEADO DE CAMPO CERRADO (CFUBMS)

A pesar de los beneficios ofrecidos por magnetrones desbalanceados, sigue siendo difícil depositar componentes complejos de capa uniforme con tasas aceptables a partir de una sola fuente. Por lo tanto, con el fin de explotar comercialmente esta tecnología, se han introducido sistemas de múltiples magnetrones.

En un sistema de múltiples magnetrones, las matrices magnéticas en magnetrones adyacentes se pueden configurar con polaridades magnéticas idénticas, u opuestas. En el primer caso la configuración se describe como "espejo" y en el último caso "campo cerrado", ambas configuraciones se muestran en la figura. 11. En el caso de espejos, las líneas de campo se dirigen hacia las paredes de la cámara. Los electrones secundarios en estas líneas se pierden, lo que resulta en una baja densidad de plasma en la región del sustrato. Por el contrario, en la configuración del campo cerrado, las líneas del campo están vinculadas entre los magnetrones. Las pérdidas en las paredes de la cámara son bajas y el sustrato se encuentra en una región de alta densidad de plasma.

La eficacia de la configuración del campo cerrado se muestra en la figura 12, que se ha tomado de un estudio realizado en la Universidad de Salford [39]. Como se puede observar, los resultados operativos en el modo de campo cerrado en cuanto a la relación de incidencia ion-átomo al sustrato son unas 2-3 veces mayor que la obtenida en las mismas condiciones en una configuración de espejo, o de un solo magnetrón desbalanceado. Además, la influencia del campo magnético cerrado sobre la relación ion-átomo se hace más evidente con el aumento de las distancia del blanco.

Figura 11. Configuración doble de magnetrones desbalanceados [29].

Figura 12. Variación de la relación de incidencia ion-átomo en el sustrato con la separación entre el sustrato y el blanco en configuraciones de campo cerrado (CFUBMS), campo espejo (MFUBMS) y de un solo magnetrón desbalanceado (UBMS) [29].

En el Reino Unido, Teer Coatings Ltd, reconoció rápidamente el potencial de los sistemas de múltiples magnetrones, y en la década de 1990, desarrolló un diseño patentado de los sistemas de CFUBMS comercial y escala de investigación [40]. En estos y otros sistemas similares desarrollados en otros centros de investigación [8,41], un número par de magnetrones opuestos verticalmente rodean el sustrato rotatorio. Los magnetrones adyacentes tienen polaridades magnéticas opuestas y las líneas del campo están cerradas, como se señaló anteriormente, estos sistemas son capaces de transportar altas corrientes de iones al sustrato. Sin embargo, los acontecimientos recientes en el diseño de magnetrones y el uso de imanes de alta resistencia de tierras raras en las matrices magnéticas, han dado lugar a aumentos importantes en la magnitud de las corrientes iónicas dibujadas en el sustrato.

Los primeros magnetrones usaban generalmente imanes de ferrita, que dieron a un máximo de intensidad de campo del orden de 300-500 G en la superficie del blanco [39,42]. Con la mejora en el diseño del magnetrón y la introducción de imanes de tierras raras, intensidades de campo de más de 1 kG, se puede obtener ahora en la superficie del blanco.

El aumento de la intensidad del campo aumenta el efecto de ionización en el plasma, que a su vez, da lugar a corrientes de iones mucho más altas en el sustrato. Este efecto se ilustra en la figura 13, que consiste en datos proporcionados por Teer Coatings [43], y compara la corriente iónica medida en el sustrato con un solo magnetrón balanceado y desbalanceado, uno de los primeros (antes de 1995) sistemas CFUBMS con imanes de ferrita, y un sistema modificado más reciente de CFUBMS que utiliza imanes de tierras raras.

Figura 13. Una comparación de las características corriente-voltaje para diferentes sistemas de magnetrón sputtering Teer Coating Ltd [42].

6. FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DE MAGNETRÓN SPUTTERING

En el mercado se pueden encontrar una gran variedad de equipos de sputtering, dependiendo del tipo de película que se desea depositar y su funcionamiento varía de modelo a modelo, pero en forma general, el manejo de un equipo de magnetrón sputtering consta de los mismos pasos. Para tener una idea más clara del funcionamiento específico de un equipo de magnetrón sputtering se ha tomado el modelo Anelva SPF-322H [44].

El sistema de sputtering Anelva SPF-322H que se muestra en la figura 14, está equipado con tres cátodos con sus respectivos magnetrones para facilitar la deposición de múltiples capas, además posee una ventana de blanco, una compuerta de pre sputtering y un soporte giratorio de sustrato. El sustrato puede ser calentado a 300°C para mejorar la adherencia de la película al sustrato. La última presión que se puede obtener con el gas argón en la cámara de sputtering de este sistema es de 2x10^-5 mbar.

Figura 14. Sistema de sputtering Anelva SPF-322H [44].

El proceso de sputtering se puede realizar en los modos de DC o RF. El sputtering DC se realiza con materiales conductores y el sputtering RF con materiales aislantes.

6.1 ENCENDIDO DEL SISTEMA Y DE LA BOMBA DE DIFUSIÓN DE ACEITE

Antes de encender la bomba de difusión se debe asegurar que las válvulas, principal, de desbaste, de línea frontal y de ventilación de la cámara estén cerradas. Observar las figuras 15 y 16, la cámara debe mantenerse al vacío.

Figura 15. Posición de las válvulas y otros componentes del equipo [44].

Figura 16. Esquema que muestra las válvulas cerradas y las bombas del equipo [44].

Se enciende el interruptor principal y el interruptor de la bomba mecánica, después de que el ruido de trabajo de la bomba disminuye, se abre la válvula de línea frontal y se enciende la bomba de difusión. Observar las figuras 17 y 18.

Después de aproximadamente 20 min la bomba de difusión iniciará su funcionamiento, durante este tiempo se puede llevar a cabo la carga del sustrato.

Figura 17. Posición del interruptor principal y de las bombas del equipo [44].

Figura 18. Esquema que muestra la válvula de línea frontal abierta y las demás válvulas cerradas [44]

6.2 CARGA DEL BLANCO Y DEL SUSTRATO

Se abre la ventilación de la cámara, se abre la cámara y se fija el material que se utilizará como blanco en los cátodos. Ver la figura 19.

Se fija el sustrato sobre el soporte dentro de la cámara, como se muestra en la figura 20 y se cierra la cámara de vacío y la ventilación de la cámara.

Figura 19. Interior de la cámara donde se pueden observar los tres cátodos [44].

Figura 20. Sustratos y el soporte de sustratos [44].

6.3 CREACIÓN DE VACÍO

Se abre la válvula de desbaste y se espera hasta que la presión en el medidor Pirani muestre 0.05 mbar (aprox. 15 minutos). Ver figura 21 y 22.

Figura 21. Esquema que muestra la válvula de desbaste abierta y las demás cerradas [44].

Figura 22. Medidor Pirani [44].

Se cierra la válvula de desbaste y se abre la válvula de línea frontal, luego se vierte nitrógeno líquido a través de la trampa LN2 y se abre la válvula principal, ver figura 23.

Se observa el medidor Pirani y se espera hasta que la presión de la cámara llegue a 2x10^-5 mbar (esta evacuación dura aproximadamente 90 minutos).

Figura 23. Esquema que muestra la válvula de línea frontal y la válvula principal abiertas [44].

6.4 AJUSTE DE LA PRESIÓN DE DEPOSICIÓN

Una vez que el vacío alcanza a 2x10^-5 mbar; se introduce argón (Ar) a la cámara mediante la apertura de la válvula de entrada de argón en forma gradual, (no se puede exceder la presión a más de 2x10^-2 mbar para proteger el rendimiento de la bomba de difusión).

Se cierra luego la válvula principal de forma gradual con el fin de acercarse a la presión de la deposición.

6.5 SPUTTERING

Antes de comenzar el sputtering se debe asegurar la selección de cátodo correcto (ya que el sistema tiene tres cátodos), usando el interruptor de selección de cátodo. Lo mismo se aplica a la ventana del cátodo. Observar figura 24.

Figura 24. Ventana de selección de cátodo y compuerta de pre sputtering [44].

Se selecciona el modo RF o DC con el que se quiere llevar a cabo el sputtering y se enciende el interruptor de la fuente de energía para aplicar voltaje al cátodo, observar la figura 25. El voltaje del ánodo se controla con la perilla de ajuste que aparece en la figura 15.

Figura 25. Interruptor de la fuente de corriente alterna para la aplicación del voltaje [44].

Llevar a cabo el pre sputtering con la compuerta cerrada para limpiar la superficie del sustrato, retirar la capa de óxido y acondicionar la descarga. Cuando termina el pre sputtering se abre la ventana para realizar el sputtering principal.

Si hay más de un sustrato a depositar se mueven los sustratos usando el panel de control de movimiento de sustrato, observar la figura 26.

Para depositar varios materiales; después de terminar un material disminuir el voltaje, seleccionar el cátodo y ubicar la ventana de cátodo en la posición del cátodo seleccionado.

Figura 26. Panel de control de movimiento de sustrato [44].

6.6 EXTRACCIÓN DEL SUSTRATO

Una vez termina el sputtering principal se disminuye el voltaje y se apaga el suministro de potencia, luego se cierra la válvula principal y se cierra la entrada de argón.

Se espera unos 10 minutos hasta que la temperatura del sustrato disminuya lo suficiente, una vez que la presión en la cámara alcanza la presión atmosférica, se abre la cámara y se saca el sustrato, se cierra la cámara y la ventilación de la cámara.

6.7 CIERRE DEL SISTEMA

Se abre la válvula de desbaste para evacuar la cámara y mantener el vacío por 10 minutos (esto es para evitar la acumulación de humedad en la cámara), se cierra la válvula de desbaste y se apaga el interruptor de la bomba de difusión.

Abrir la válvula de línea frontal por 20 minutos, después, cerrar la válvula de línea frontal y apagar la bomba mecánica, por último apagar el interruptor de energía principal.

7. RECUBRIMIENTOS MoST (MoS₂/METAL)

El MoS₂ pertenece a la familia de capas de metales de transición dicalcógenados MX₂. El MoS₂ tiene una estructura laminar, como se muestra en la figura 27, los enlaces entre los átomos en las capas de la estructura son covalentes y fuertes, mientras que entre las capas es considerablemente débil. El MoS₂ presenta una baja fricción y se utiliza en la gran mayoría de aplicaciones que requieren lubricación sólida, la baja fricción se relaciona con su estructura laminar y los enlaces interplanares débiles [45].

El magnetrón sputtering es un método común utilizado para la deposición de las películas de MoS₂. El desempeño tribológico de películas de MoS₂ se ve fuertemente afectado por el ambiente de prueba, ya que el oxígeno y vapor de agua oxidan las películas de MoS₂, el sputtering de recubrimientos MoS₂ se ha utilizado principalmente como lubricante sólido en el espacio y aplicaciones al vacío [46]. Últimamente, la mayor parte de las investigaciones sobre recubrimientos de MoS₂ se han centrado en su uso en condiciones atmosféricas.

Figura 27. Estructura laminar del MoS₂[47].

Se han realizado muchos estudios para facilitar el uso de películas MoS₂ en el ambiente atmosférico, mediante el depósito de las películas con una estructura más densa, mayor vida útil y coeficientes de fricción más estables [47]. Se determinó que depositar películas de MoS₂ con la adición de metales mejora las propiedades tribológicas de la película [48].

Los recubrimientos MoST son recubrimientos compuestos de MoS₂/metal, que son mucho más duros, más resistente al desgaste y menos sensibles a la humedad atmosférica que los revestimientos de MoS₂tradicionales, sin embargo, conservan las características de baja fricción del MoS₂[29].

7.1 PROCESO DE DEPOSICIÓN

Los recubrimientos MoST se depositan por CFUBMS con un sistema de cuatro magnetrones que posee tres blancos de MoS₂ y un blanco de titanio como se muestra en la figura 28. Se deposita una capa intermedia de titanio inicial (~ 100 nm de espesor) para optimizar la adhesión. El recubrimiento MoST se deposita de forma simultánea por sputtering de los tres blancos de MoS₂ y el blanco de Ti, mientras se gira el soporte del sustrato.

Los análisis han determinado que la estructura de recubrimiento es una solución amorfa, sólida homogénea de Ti en MoS₂, el contenido de titanio puede ser variado fácilmente por el control de la relación MoS₂ y la potencia del blanco de Ti [49].

Figura 28. Magnetrón sputtering desbalanceado de campo cerrado con cuatro magnetrones [47].

7.2 PROPIEDADES

Los recubrimientos MoST combinan una serie de propiedades notales. Un ensayo de abolladura mostró una dureza superior a 15 GPa, mientras que los ensayos de resistencia al rayado indican una carga critica mayor a 120 N, y se han registrado coeficientes de fricción muy bajos como 0,005, en nitrógeno seco. Una de las principales ventajas de los recubrimientos MoST sobre los tradicionales recubrimientos MoS₂ es la capacidad de desempeño del recubrimiento en condiciones de humedad.

Generalmente los recubrimientos MoS₂sólo son adecuados para su uso en condiciones de sequía o de vacío, sin embargo, muchas pruebas han confirmado que los recubrimientos MoST pueden desempeñarse con éxito en ambientes de 40-50% de humedad, bajo condiciones de coeficientes de fricción tan bajas como 0.02 [29].

7.3 APLICACIONES INDUTRIALES

Los recubrimientos MoST tienen muchas aplicaciones industriales, además de sus aplicaciones tribologías debido a su baja fricción [47], son especialmente adecuados para el mecanizado en seco de aceros, hierros fundidos y aleaciones de aluminio, titanio y níquel. A modo de ejemplo, la figura 29 muestra la mejora en la vida de la herramienta que ofrece los recubrimientos MoST, sobre los recubrimientos MoS₂ tradicionales en una operación de perforación en seco. Además, la figura 30 muestra la mejoría en la velocidad de avance obtenido con una herramienta recubierta con MoST, en comparación con otras herramientas, para las operaciones de corte en una aleación de aluminio [50].

Figura 29. Un ejemplo de la mejoría en la vida útil ofrecida por los recubrimientos MoST por encima de los MoS₂ tradicionales y herramientas sin recubrimiento en una operación de perforación en seco [51].

Figura 30. Una comparación de las velocidades de avance logradas con y sin recubrimientos para herramientas de corte [51].

CONCLUSIONES

Los fundamentos de la técnica del sputtering, sus principales tipos y la diferencia entre los tipos de magnetrones que se pueden incorporar para mejorar la técnica y poder depositar diferentes clases de recubrimientos con distintas propiedades se han discutido en este documento. También se describió el manejo de un equipo de magnetrón sputtering (modelo Anelva SPF-322H), que permitió comprender el funcionamiento a nivel general de este tipo de equipos. Además la fabricación de recubrimientos MoST que es posible gracias a la técnica de CFUBMS se ha detallado debido a sus aplicaciones tribológicas y de mecanizado. Por lo tanto, este trabajo ofrece una visión clara de cómo es el proceso, el manejo y como ha variado la técnica del sputtering de acuerdo a la necesidades de la industria de las producción de recubrimientos hasta la actualidad.

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MAGNETRÓN SPUTTERING

sábado, 28 de julio de 2012

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