TÉCNICA DE
MAGNETRÓN SPUTTERING Y SU APLICACIÓN EN LA FABRICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS MoST (MoS2/METAL)
Trabajo final del diplomado “Síntesis y caracterización fisicoquímica de materiales
inorgánicos de interés tecnológico”
Elaborado por:
WILLIAM GUILLERMO CERPA
PEÑATES
Asesorado por:
Dr. MARIO BARRERA
VARGAS
MSc. CECILIA CABALLERO
CARMONA
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE CIENCIAS
BÁSICAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
MONTERÍA
2012
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN
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 10-7 torr 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:
Donde J es la densidad de corriente, S es el rendimiento de sputtering, 𝑀A 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:
Donde 𝑀𝑖 es la
masa del átomo incidente, 𝑀𝑡 la masa
del átomo en el blanco, 𝐸𝑖 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
MoS2 tradicionales, 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 MoS2 sólo
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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