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Aplicaciones de la tecnología de recubrimiento al vacío PVD

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Royal Technology-Deposición en capa fina al vacío

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Aplicaciones del recubrimiento al vacío

------------Por Donald M. Mattox, Director Técnico de SVC

Introducción

El vacío es un ambiente donde la presión del gas es menor que la del ambiente. Un plasma es un ambiente gaseoso en el que hay suficientes iones y electrones para que haya una conductividad eléctrica apreciable. El recubrimiento al vacío es la deposición de una película o un recubrimiento en un ambiente de vacío (o plasma de baja presión). Generalmente el término se aplica a los procesos que depositan átomos (o moléculas) uno a la vez, como los procesos de deposición de vapor físico (PVD) o de deposición química de vapor a baja presión (LP-CVD) o los procesos de deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD). En los procesos de PVD, el material que se deposita proviene de la vaporización de una superficie sólida o líquida. En los procesos de CVD, el material que se deposita proviene de una especie precursora de vapor químico que se descompone por reducción o descomposición térmica, principalmente en una superficie caliente.

En algunos casos el material que se deposita reacciona con el ambiente gaseoso o una especie codepositada para formar una película de un material compuesto como un óxido, un nitruro, un carburo o un carbonitruro. En el procesamiento CVD, el uso de un plasma para fragmentar el precursor de vapor químico en la fase de vapor permite que los procesos de descomposición o reducción se lleven a cabo a temperaturas más bajas que con la activación térmica sola. El PECVD puede realizarse a presiones tan bajas como las utilizadas en el procesamiento de PVD (PECVD de baja presión, LP-PECVD), donde el vapor precursor se descompone principalmente en el plasma. En algunos casos se utiliza un proceso de deposición híbrida de PVD y LP-PECVD para depositar aleaciones, compuestos o compuestos. Un ejemplo son los carbonitruros metálicos, en los que el carbono proviene de un precursor de vapor químico como el acetileno; el nitrógeno, de un gas; y el metal, de la evaporación, pulverización o vaporización por arco de una superficie sólida o líquida.

Películas conductoras de electricidad

Las láminas metálicas son las láminas conductoras de electricidad más comunes. Las películas metálicas pueden utilizarse como metalizaciones de "manta" o pueden formarse en líneas conductoras discretas ("rayas") enmascarando el sustrato durante la deposición o mediante procesos subsiguientes de grabado fotolitográfico. Las líneas conductoras se utilizan en la tecnología de microcircuitos híbridos y en la fabricación de dispositivos semiconductores. A menudo, los conductores eléctricos son películas multicapa (chimeneas) en las que cada capa tiene una función. Por ejemplo, la pila de película conductora puede tener la composición: vidrio-Ti-Pd-Cu-Au. El titanio (Ti) es la capa de "pegamento", el paladio (Pd) proporciona resistencia a la corrosión, el cobre (Cu) es un conductor eléctrico y el oro (Au) proporciona protección contra la corrosión. Los conductores metálicos depositados en "vias" se utilizan para establecer contactos eléctricos entre diferentes capas en la fabricación de dispositivos semiconductores. La metalización de mantillas se utiliza para proporcionar protección contra interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI) en estructuras como las carcasas de plástico para teléfonos móviles, electrodos para electrodos de condensadores rígidos y flexibles, y superficies para radar "chaff"

Las películas de nitruro metálico, carburo y siliciuro generalmente son conductoras de electricidad (Si3N4 y AlN son excepciones importantes). En algunas aplicaciones, las películas de estos materiales refractarios se utilizan para proporcionar barreras de difusión entre los materiales. Por ejemplo, en la metalización de semiconductores, el material del electrodo de aluminio u oro se difunde en el silicio durante el procesamiento a altas temperaturas. Una película de nitruro de titanio conductor de la electricidad depositada en la superficie de silicio antes de que se deposite el electrodo metálico impedirá la difusión. La generación de contactos semiconductores metálicos estables, conductores de electricidad, no rectificantes, de metales o de compuestos de metal-siliciuro es un aspecto importante de la fabricación de dispositivos semiconductores. Los nitruros metálicos como el nitruro de tantalio (TaN) se utilizan como materiales de resistencia de película delgada. Los óxidos no transparentes conductores de la electricidad, como el trióxido de cromo (Cr2O3), el óxido de plomo (PbO) y el oxígeno de rutenio (RuO), se utilizan como electrodos en atmósferas oxidantes de alta temperatura.

Los superconductores son materiales que tienen una resistividad eléctrica cercana a cero por debajo de alguna temperatura crítica (Tc). Los superconductores de baja Tc (menos de[<] 10 Kelvin[K]) son a menudo metales. Un material superconductor típico alto en Tc (superior a[>] 50 K) es una mezcla de óxidos (óxidos de itrio bismuto-cobre[Y-Bi-Cu], YBCO). Las películas delgadas superconductoras de alto Tc se depositan a menudo por ablación láser en el vacío.

Conductores eléctricos transparentes

Las películas de óxido conductor transparente (TCO), como el trióxido de indio (In2O3), dióxido de estaño (SnO2), óxido de zinc (ZnO) y una aleación de óxido de indio y óxido de estaño (ITO), tienen numerosas aplicaciones como calentadores en ventanas para descongelación, revestimientos antiestáticos en pantallas de visualización, electrodos en pantallas planas y dispositivos electrocrómicos, y electrodos en pantallas táctiles tanto flexibles (pantalla resistiva) como rígidas (pantalla capacitiva). La resistividad eléctrica de las películas TCO puede variar desde más de 1.000 ohmios por "cuadrado" hasta menos de 10 ohmios por cuadrado con una buena transmisión óptica.

Aisladores eléctricos

Las películas aislantes de la electricidad se utilizan para aislar eléctricamente los componentes conductores en dispositivos semiconductores y como dieléctricos dentro de los condensadores. Los materiales comunes de las películas aislantes son dióxido de silicio (SiO2), trióxido de aluminio (Al2O3), pentóxido de tántalo (Ta2O5), nitruro de silicio (Si3N4) y nitruro de aluminio (AlN). La interposición de una fina película de óxido entre una película metálica y un semiconductor permite la formación de un dispositivo semiconductor de óxido metálico (MOS) de importancia tecnológica. Los recubrimientos gruesos de SiO2, con su bajo coeficiente de expansión térmica, pueden ser depositados por pulverización de rf. Las capas aislantes de SiO2, nitruro de silicio (Si2N3) y vidrio son depositadas por PECVD para la encapsulación y las capas aislantes en el procesamiento de semiconductores.

Películas ópticas

Las películas ópticas, generalmente películas multicapa ("stacks"), son películas que afectan la transmisión óptica o la reflexión de una superficie. Generalmente son capas alternas de materiales con altos índices de refracción (germanio[Ge], Si, TiO2, dióxido de zirconio[ZrO2], SiO, dióxido de cerio[CeO2]) y bajos (fluoruro de magnesio[MgF2], SiO2). Una de las principales aplicaciones son los recubrimientos antirreflejos (AR) de las lentes. Las pilas de películas ópticas se pueden utilizar como filtros ópticos. Los filtros de densidad neutra o grises reducen la intensidad de la luz por igual para todas las longitudes de onda; los filtros de banda ancha afectan la transmisión de la radiación en un amplio rango de longitudes de onda, mientras que los filtros estrechos o monocromáticos afectan la transmisión en una región de longitud de onda muy estrecha. Un ejemplo de un filtro de banda ancha es un "filtro de borde" que "corta" el ultravioleta (UV) emitido por una lámpara de vapor de mercurio. Ejemplos de filtros de banda estrecha son los filtros de color utilizados en fotografía y en proyectores.

Algunas pilas de películas son un tipo especial de película óptica que tiene un color que está relacionado con el ángulo de observación (OVID). Estas películas permiten imágenes holográficas. Estas películas OVID se utilizan como dispositivos de seguridad para evitar la falsificación. Estas películas son una consecuencia de las películas de color de interferencia utilizadas para películas decorativas y, cuando se pulverizan, como pigmentos.

Recubrimientos de control térmico

La composición de los recubrimientos de control térmico en las ventanas difiere con el resultado final deseado. Si el objetivo es evitar que la radiación solar entre a través de la ventana, se puede utilizar una película multicapa de vidrio-TiO2-Cr-TiO2 (revestimiento de control solar). Si el objetivo es mantener el calor en la habitación, se puede utilizar una fina película de plata para reflejar del 85% al 95% de la radiación infrarroja de baja temperatura de vuelta a la habitación (revestimiento de baja emisión). Uno de estos "recubrimientos de doble E" es el de vidrio-ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-TiO2. El ZnO proporciona un recubrimiento antirreflejos.

Otros tipos de recubrimientos de control térmico se utilizan para absorber la radiación solar (absorbedores solares), adsorber selectivamente la radiación solar y no emitir radiación infrarroja (absorbedores solares selectivos), o para tener una alta emisividad para mejorar la refrigeración por radiación. Los recubrimientos de barrera térmica se utilizan para reducir el transporte térmico desde un ambiente caliente hasta el sustrato. El óxido de circonio (ZrO2) estabilizado con óxido de calcio (CaO), MgO o Y2O3 se utiliza como revestimiento de barrera térmica en las palas de las turbinas de los motores de los aviones.

Recubrimientos para reflectores

Las películas metálicas son ampliamente utilizadas para superficies reflectoras. La plata se utiliza a menudo cuando la corrosión no es un problema, como en el caso de los espejos de la superficie posterior. El aluminio se puede utilizar como reflector de superficie frontal o posterior. A menudo, los reflectores de la superficie frontal aluminizados, como los reflectores de los faros, están recubiertos con una película protectora de polímero (capa superior). El cromo se utiliza en los reflectores de la superficie frontal cuando la corrosión es un problema a pesar de que su reflectividad en el visible (60%) es menor que la del aluminio (> 90%). Las películas reflectoras se utilizan en numerosas aplicaciones comunes, como en discos compactos para el almacenamiento de vídeo y música, reflectores de lámparas y espejos visuales como los espejos retrovisores para automóviles. En algunos casos se utilizan películas multicapa, similares a las películas ópticas multicapa, para reflejar selectivamente ciertas longitudes de onda y no otras. Algunos ejemplos son los "espejos fríos" que reflejan la radiación visible pero no las longitudes de onda infrarrojas y los "espejos de calor" que reflejan el infrarrojo pero no lo visible. Los espejos de calor se utilizan para elevar la temperatura interna de las lámparas halógenas. Los espejos fríos se utilizan para reducir el calor de la iluminación escénica de los actores.

Embalaje

Los recubrimientos de barrera se utilizan en películas de polímeros flexibles y papel para empaques de alimentos para reducir la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR) y la tasa de transmisión de oxígeno (OTR) a través de la película de papel o polímero. El material de revestimiento de barrera más común es el aluminio, que se deposita en rollos de película de polímero (web), y luego se suministra a los "convertidores" que fabrican el embalaje. En algunos casos, los recubrimientos metálicos se depositan sobre una superficie y luego se "transfieren" a la película de embalaje. Los recubrimientos de barrera transparentes son deseables en muchos casos. Las capas de SiO2-x, por evaporación reactiva y PECVD y los recubrimientos compuestos de SiO2:30% Al2O3 por co-evaporación de haz E se utilizan para formar capas de barrera transparentes. El material de revestimiento compuesto es más denso y flexible que el material depositado de SiO2 o Al2O3 solo. Las películas de aluminio se utilizan en globos rellenos de polímero de helio para reducir la pérdida de helio.

Recubrimientos decorativos y decorativos/de desgaste

La metalización con fines estrictamente decorativos es un gran mercado. Las aplicaciones varían desde el revestimiento de telarañas de polímeros -que luego se convierten en usos decorativos como globos y etiquetas- hasta la metalización de artículos tridimensionales, como trofeos deportivos, accesorios decorativos de fundición de zinc y polímeros moldeados, y contenedores de cosméticos. A menudo estos recubrimientos consisten en una capa de aluminio reflectante que se deposita sobre una capa de base lisa y luego se cubre con una laca teñida para darle al recubrimiento el color y la textura deseados, así como resistencia a la corrosión y al desgaste.

En algunas aplicaciones, además de los aspectos decorativos del revestimiento, éste debe resistir el desgaste. Por ejemplo, el nitruro de titanio (TiN) es de color dorado, y el carbonitruro de titanio (TiCxNy) puede variar en color de dorado a púrpura y negro dependiendo de la composición. El nitruro de circonio (ZrN) tiene el color del latón y es mucho más resistente al desgaste y a los arañazos que el latón. Los revestimientos decorativos y de desgaste se utilizan en herrajes de puertas, accesorios de plomería, artículos de moda, herrajes marinos y otras aplicaciones similares.

Recubrimientos duros y resistentes al desgaste

Los recubrimientos duros son a menudo llamados recubrimientos metalúrgicos y son un tipo de recubrimiento tribológico. Los recubrimientos duros se utilizan para aumentar la eficiencia de corte y la vida útil de las herramientas de corte y para mantener las tolerancias dimensionales de los componentes utilizados en aplicaciones en las que puede producirse desgaste, como los moldes de inyección. Además, los recubrimientos pueden actuar como una barrera de difusión donde se generan altas temperaturas por movimiento entre superficies o protección contra la corrosión en ambientes agresivos. Existen varias clases de materiales de revestimiento duro. Incluyen: óxidos metálicos ligados iónicamente (Al2O3, ZrO2 y TiO2), materiales ligados covalentemente (SiC, carbono de boro[B4C], diamante, carbono similar al diamante[DLC], TiC, AlN, CrC, aleaciones compuestas mixtas de carburo, nitruro y carbonitruro y nitruro de boro cúbico), y algunas aleaciones metálicas (cromo cobalto, aluminio y itrio[CoCrAlY]), níquel, níquel, NiCr En algunos casos, los recubrimientos pueden ser estratificados para combinar sus propiedades.

Los recubrimientos duros también se utilizan para minimizar el desgaste por fatiga, como los que se encuentran en los rodamientos de bolas. Los revestimientos resistentes al desgaste también se pueden aplicar a superficies donde hay una carga ligera o periódica. Por ejemplo, los recubrimientos duros se depositan sobre los plásticos para mejorar la resistencia a los arañazos. Las aplicaciones son en lentes de plástico moldeado y toldos de plástico para aviones. En algunos casos se pueden aplicar recubrimientos de desgaste, como SiO2 o Al2O3, a superficies ya de por sí duras, como el vidrio, para aumentar la resistencia al rayado.

Películas eléctricamente activas

Las películas de silicio dopadas se utilizan en dispositivos semiconductores, y estas películas a menudo se depositan mediante una técnica de evaporación PVD muy sofisticada llamada epitaxia de haz molecular (MBE) o una técnica CVD de epitaxia de fase de vapor (VPE). El silicio amorfo para células solares es depositado por PECVD en bandas y sustratos rígidos. Las películas electrocrómicas, que cambian la transmisión óptica al aplicar una tensión, dependen de la difusión de una especie móvil en la película bajo un campo eléctrico. Las películas de un material como el selenio se pueden cargar eléctricamente cuando se exponen a la luz. Estas películas se utilizan para retener el tóner en las fotocopiadoras.

Medios de almacenamiento magnético

Los materiales magnéticos se clasifican como "duros" o "blandos" dependiendo de lo difícil que sea magnetizar, desmagnetizar o "cambiar" el campo magnético. Los materiales magnéticos blandos, como los Permalloys (hierro[Fe]:40 a 80% Ni) y Y2Fe5O12 (granate) se utilizan en dispositivos de almacenamiento de memoria donde los datos se cambian con frecuencia. Los materiales magnéticos duros como Fe3O4, Co:Ni:tungsteno[W], Co:renio[Re], gadolinio[Gd]:Co, y Gd:terbio[Tb]:Fe se utilizan en medios de grabación más permanentes como las cintas de audio. Se utilizan varias técnicas para definir los dominios magnéticos que actúan como sitios de almacenamiento.

Revestimientos anticorrosivos

La protección contra un ambiente químico agresivo puede lograrse de varias maneras. La superficie puede ser cubierta con un material inerte o con un material que forma una superficie protectora después de reaccionar con el ambiente o con un material que será sacrificadamente removido para proteger el material subyacente. El tántalo, el platino y el carbono son inertes en muchos ambientes químicos. Por ejemplo, los recubrimientos de carbono se utilizan en metales que se implantan en el cuerpo humano para proporcionar compatibilidad. En la industria aeroespacial, las piezas están recubiertas de aluminio mediante el proceso PVD de deposición de vapor de iones (IVD) para evitar la corrosión galvánica de materiales disímiles en contacto.

El cromo, el aluminio, el silicio y las aleaciones MCrAlY (donde M es Ni, Co, Fe) reaccionarán con el oxígeno para formar una capa de óxido protector coherente en la superficie. Si los iones metálicos (Fe, Cu) se difunden más rápidamente que el oxígeno a través del óxido, se formará un óxido espeso en la superficie. Si el oxígeno se difunde más rápidamente a través del óxido que los iones metálicos (Al, Si, Ti, Zr -los metales de la "válvula"-), se producirá la oxidación en la interfase y se formará un óxido fino. Los recubrimientos de aleación MCrAlY se utilizan como recubrimientos protectores en las palas de las turbinas de los motores de los aviones. El cadmio, el aluminio y las aleaciones de Al:Zn se utilizan como recubrimientos galvánicos de sacrificio sobre el acero. El metalizado al vacío con cadmio ("vac cad") tiene la ventaja sobre el cadmio electrodepositado en el sentido de que no hay posibilidad de fragilización por hidrógeno del acero de alta resistencia cuando se utiliza el proceso de deposición al vacío.

Lubricantes de película sólida/revestimientos de baja fricción

La NASA fue pionera en el uso de lubricantes sólidos de película delgada depositados al vacío. Los lubricantes son de dos tipos: los lubricantes de metal de bajo cizallamiento, como la plata y el plomo, y los materiales compuestos de cizallamiento laminar, como el disulfuro de molibdeno (MoS2). Los lubricantes metálicos de bajo cizallamiento se utilizan en aplicaciones de alto par, como los ánodos giratorios de los tubos de rayos X. Los materiales compuestos de bajo cizallamiento se utilizan en aplicaciones de cojinetes mecánicos en vacío y donde el "fluencia" del lubricante puede ser un problema. Debido a que sólo se necesita una película muy delgada para la lubricación, la aplicación de la película lubricante no produce cambios significativos en las dimensiones. Los recubrimientos de baja fricción de carbono que contiene metal (Me-C) se utilizan para reducir el desgaste en aplicaciones de contacto mecánico

Estructuras autoportantes

Las estructuras independientes se pueden hacer depositando una capa en una superficie (mandril), luego separando la capa de la superficie del mandril o disolviendo el mandril. La técnica es útil para fabricar estructuras muy delgadas, superficies complejas, o láminas o láminas de materiales que son difíciles de deformar por laminación. Algunos ejemplos son las ventanas de berilio utilizadas para la transmisión de rayos X, los conos de pared delgada de boro para altavoces de audio de alta frecuencia y las láminas de aleación metálica Ti-V-Al. Una aplicación relativamente nueva es la producción de dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) donde se fabrican estructuras muy pequeñas utilizando procesos de deposición y grabado.

Fondos para galvanoplastia

Los materiales que son difíciles de electrodepositar debido a la rápida formación de óxido pueden tener una capa de base adherente aplicada mediante procesos PVD y luego el recubrimiento acumulado por electrodeposición. Ejemplos de ello son el revestimiento de titanio, uranio y circonio, en el que se aplica una capa de base de un material como el níquel o el cobre mediante un proceso PVD antes de que se forme el revestimiento electrodepositado.

Películas de polímero

Existe un creciente interés en depositar películas de polímeros orgánicos e inorgánicos en el vacío. Estas películas pueden formarse por condensación de un monómero seguido de un haz E o curado UV para polimerizar el monómero o por polimerización por plasma del monómero. El precursor del monómero puede producir un material polimérico a base de carbono, silicio o boro que a menudo contiene hidrógeno, cloro o flúor. Las películas que contienen flúor se utilizan para formar superficies hidrofóbicas.