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IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS PULSADOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS DE TiN
Yulieth Cristina Arango
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Sede Manizales
FACULTAD DE CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN
Departamento de Física y Química
2004
IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS PULSADOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS DE TiN
Yulieth Cristina Arango
Presentado como requisito parcial para optar al titulo de:
MAGÍSTER EN CIENCIAS FÍSICAS
DIRECTOR
Ph.D. Alfonso Devia Cubillos
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Sede Manizales
FACULTAD DE CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN
Departamento de Física y Química
2004
A Laura Sofia, Mi amor incondicional
AGRADECIMIENTOS
El autor del trabajo expresa sus agradecimientos a: Doctor Alfonso Devia Cubillos, Director del trabajo de grado y Director del Laboratorio de Física del Plasma, por su apoyo y valioso aporte académico. A los integrantes del Laboratorio de Física del Plasma, Ingenieros, Profesores, Administrativos y estudiantes de Ingeniería Física, por su especial colaboración en el desarrollo de este trabajo. Al Ingeniero Jhon Jairo Cárdenas, por su valioso tiempo. A la Universidad Nacional de Colombia. A su familia.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 1
1. FUNDAMENTOS TEORICOS. DESARROLLO Y
APLICACION DE LAS FUENTES DE ARCO PULSADO EN
PROCESAMIENTO DE MATERIALES POR PLASMA –
RECUBRIMIENTOS – 4
1.1 SUPERFICIES 4
1.2 RECUBRIMIENTOS 5
1.3 PROCESOS ASISTIDOS POR PLASMA 7
1.3.1 Procesos PVD 9
1.3.1.1 Ion plating (Plateado iónico) 11
1.3.1.2 Sputtering (Pulverización catódica) 11
1.3.1.3 Evaporación 11
1.4 EVAPORACIÓN POR ARCO 12
1.4.1 Fuentes de arco catódico continuo 15
1.4.1.1 Consideraciones en el suministro de potencia 17
1.4.2 Fuentes de arco pulsado 18
1.4.2.1 Consideraciones en el diseño de la fuente 19
1.4.2.2 Características el plasma 21
1.4.3 Deposición de películas delgadas 22
1.4.4 Propiedades de los recubrimientos 23
1.4.5 Capas y multicapas 25
1.5 NITRURO DE TITANIO 26
1.5.1 Microestructura 27
1.5.2 Propiedades mecánicas 28
REFERENCIAS 30
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL.
IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS
PULSADOS Y PRODUCCION DE RECUBRIMIENTOS DE
TiN 33
2.1 DESCARGAS ELECTRICAS Y PLASMA – FENOMENOLOGIA 33
2.1.1 Estructura no estacionaria del spot catódico 34
2.1.2 Transición entre rompimiento y arco 36
2.1.3 Supresión de ceros 38
2.1.4 Tiempo de vida del arco 39
2.1.5 Tasa de erosión 40
2.1.6 Macroparticulas 41
2.1.7 Crecimiento de películas en un proceso PVD 43
2.1.7.1 Condensación y nucleación 44
2.1.7.2 Crecimiento de núcleos 45
2.1.7.3 Formación de la interfase 46
2.1.7.4 Crecimiento de la película 47
2.2 SISTEMA DE DEPOSICIÓN POR ARCO PULSADO
UTILIZANDO LA DESCARGA DE UN BANCO DE CAPACITORES 47
2.3 IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS
PULSADOS REPETITIVOS 50
2.3.1 Conversión ac/dc 51
2.3.2 Conmutación DC 56
2.3.3 Disparo de trigger 57
2.3.4 Configuración exterior de la fuente de arcos pulsados 58
2.3.5 Configuración final – Software de control 60
2.4 CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA LA PRODUCCION
DE RECUBRIMIENTOS DE TiN CON FUENTE DE ARCOS PULSADOS 62
REFERENCIAS 65
3. RESULTADOS. PRODUCCIÓN DE
RECUBRIMIENTOS DE TiN CON FUENTE DE ARCOS
PULSADOS Y CARACTERIZACIÓN 68
3.1 RESUMEN DE RESULTADOS 68
3.2 FORMACIÓN DE ARCOS ELÉCTRICOS PULSADOS REPETITIVOS 69
3.3 MEDIDA DE ESPESOR EN LOS RECUBRIMIENTOS DE TiN 72
3.4 DIFRACCIÓN DE RAYOS X 74
3.4.1 Identificación de fase TiN 77
3.4.2 Textura 81
3.4.3 Imperfecciones en la red cristalina 84
3.5 MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA 87
3.6 ESPECTROSCOPIA DE FOTOELECTRONES DE RAYOS X 92
3.7 MACROPARTICULAS 98
REFERENCIAS 102
CONCLUSIONES 105
RESUMEN
En este trabajo se hace referencia a la implementación de una fuente de arcos
pulsados, que ha sido acoplada a un sistema de deposición de recubrimientos
duros, utilizando la técnica de deposición física en fase vapor asistida por plasma
(Plasma Assisted Physical Vapor Deposition – PAPVD), el funcionamiento de este
nuevo sistema y algunas de sus ventajas han sido corroborados mediante la
producción de recubrimientos de nitruro de titanio (TiN) sobre sustrato de acero
inoxidable 304, variando algunos de los parámetros de proceso.
El primer capitulo contiene algunas bases teóricas acerca de los procesos de
deposición asistidos por plasma, especialmente se da importancia a los procesos
PAPVD en los que se utiliza la formación de un arco eléctrico para la evaporación
del material de aporte. Se hacen algunas consideraciones importantes en el diseño
de fuentes de arco continuo y arco pulsado, ventajas y desventajas.
El segundo capitulo trata, de manera general, aspectos importantes sobre la
fenomenológica que acompaña el proceso de iniciación y formación del arco
eléctrico dentro del reactor y la relación que este tiene con el circuito eléctrico que
lo produce. Se consideran también las herramientas de diseño utilizadas en los
circuitos de potencia y de control. Finalmente se reporta la configuración eléctrica
y electrónica implementada, así como el software de control.
En el tercer capitulo se describen los parámetros que pueden ser modificados en la
nueva fuente de arco pulsados, voltaje entre electrodos, numero de arcos pulsados
requeridos, tiempo de arco activo y tiempo de arco inactivo. Han sido obtenidos
recubrimientos de TiN variando el número de arcos aplicados (4 muestras) y el
tiempo de arco activo (4 muestras). En la etapa de caracterización, se reportan
algunas medidas de espesor, difracción de rayos X, microscopia de fuerza atómica y
espectroscopia fotoelectrónica de rayos X, realizadas sobre las muestras, los
resultados obtenidos son comparados con aquellos tomados para muestras crecidas
previamente en el laboratorio (utilizando la descarga de un banco de capacitores).
ABSTRACT This work describes the implementation of a pulsed arcs source, which has been
coupled to a deposition system for the production of surface coatings, using the
Assisted Plasma Physical Vapor Deposition technique (PAPVD). The performance
of this new system and some of its advantages have been corroborated by the
production of titanium nitride (TiN) coatings over 304 stainless steal substrates,
varying some process parameters.
The first chapter contains some theoretical fundaments of plasma assisted
deposition processes. In particular it focuses on the PAPVD process where the
formation of an electric arc for the evaporation of the material is used. Some
important considerations are made concerning the design of the continuous and
pulsed arc sources, as well as their advantages and disadvantages.
The second chapter treats, in a more general form, some important aspects about
the phenomenology related to the creation and the evolution process of an electric
arc in the experimental reactor, and its relationship to the electrical circuit that has
produced it. Also the design of the power and control circuits is considered.
Finally the electrical and electronic configuration, as well as the control software
implemented is presented.
The third chapter describes the parameters that can be modified with the pulsed
arc source, voltage between the electrodes, the required number of pulsed arcs, the
arc time, as well as the time between the arcs. Different TiN coatings varying the
number of applied arcs (4 samples) and the arc time (4 samples) have been
produced. In the stage of characterization, measurements of the thickness, X-Ray
Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) and X-ray Photoelectronic
Spectroscopy (XPS), have been made on the samples. The results are compared
with those taken for samples previously grown in our laboratory (using the
discharge process of a capacitor bank).
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de nuevas técnicas de recubrimiento de capas finas ha representado
en las últimas décadas un importante marco de investigación y desarrollo en
centros tecnológicos y universidades dedicados a la ingeniería de superficies, con el
objetivo siempre de conseguir el mejoramiento de las propiedades superficiales
adquiriendo propiedades combinadas como dureza, coeficiente de fricción y
tenacidad.
Específicamente en el área de recubrimientos duros se destacan las técnicas
PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapor Deposition - Deposición Física en fase
Vapor asistida por plasma) y PECVD (Plasma Enhancement Chemical Vapor
Deposition - Deposición química en fase vapor asistida por plasma), las cuales han
sido incorporadas a la industria con mayor facilidad. Las técnicas PVD por su parte
se caracterizan por conseguir, evaporar e ionizar el metal reactivo (a partir de metal
puro) por medios físicos, dentro de estas técnicas se consideran principalmente:
ion-plating – plateado iónico, sputtering - pulverización y evaporación por arco
catódico, en este último caso la evaporación se produce por efecto de un arco
eléctrico que se desplaza sobre el metal (cátodo). Cada técnica PVD se ha
especializado y validado en determinadas aplicaciones. La evaporación por arco
eléctrico por ejemplo se ha especializado en recubrimientos duros para resistencia
al desgaste, estos recubrimientos avanzan continuamente y sus aplicaciones son
cada vez más concretas. Los compuestos más aplicados son: TiN, TiCN, AlTiN,
CrN, los cuales dependiendo de las características de trabajo son mejorados con el
aporte de otros metales (dopaje) y pueden ser obtenidos en forma de monocapas,
multicapas o nanocapas
Las características finales que exhiben los recubrimientos se encuentran
estrechamente ligadas a los procesos por los que tienen lugar, y de manera especial
a los parámetros que han sido utilizados durante la deposición. El hecho de escalar
con estos procesos a un nivel industrial exige por lo tanto un control más fino de las
variables que intervienen, con el fin de lograr adaptarse con mayor flexibilidad a
los requerimientos exigidos por cada aplicación en particular.
La evaporación por arco, por su parte, considera dentro de sus variables más
importantes las relacionadas con la fuente de potencia utilizada para la formación
del arco. De esta manera han surgido conceptos tales como fuentes de arco
continuo y fuentes de arco pulsado, como su nombre lo dice básicamente se
categorizan por la duración del pulso, en el caso de las fuente continuas se trata de
un arco sostenido por una fuente de corriente DC, en el caso de una fuente pulsada
generalmente el arco es sostenido por la duración de la descarga de un capacitor.
Cada uno de estos tipos de fuentes tiene sus propias ventajas y desventajas en el
proceso de deposición.
En el caso de la fuente pulsada aplicando la descarga de un banco de capacitores, se
presentan exigencias de disipación de calor y entrada de potencia eléctrica media
mucho menores que para el caso de una fuente continua, además de la deposición
controlada de monocapas o multicapas pulso por pulso. El diseño eléctrico de este
tipo de fuentes percibe amplias variaciones dependiendo de costos, aplicación,
eficiencia, entre otros.
Un desarrollo experimental con fines investigativos puede ser implementado
utilizando la carga de una banco de capacitares con una fuente DC y
posteriormente su descarga a través de un par de electrodos enfrentados (material
blanco y sustrato), para dar lugar a la formación del arco. Sin embargo se hace
necesario adaptar un sistema con mayor flexibilidad en el manejo de los
parámetros de arco a la hora de esperar mayor reproducibilidad y control sobre las
propiedades de los recubrimientos obtenidos, especialmente si involucra el
escalamiento a un sistema de tipo industrial, donde juega papel importante la
eficiencia del proceso. En este trabajo se presenta así, la implementación de una
fuente pulsada repetitiva donde un suministro DC es conmutado para la generación
de los arcos pulsados, llevando a cabo el control automático del voltaje entre
electrodos, tiempo de arco sostenido, tiempo entre arcos y número de arcos
consecutivos, este sistema ha sido aplicado a la deposición de recubrimientos
duros de TiN para observar algunas características importantes frente a los
recubrimientos obtenidos mediante la descarga del banco de condensadores
convencional. Algunas técnicas de caracterización utilizadas en las películas de TiN
obtenidas han sido: Difracción de rayos X (DRX), Microscopia de fuerza atómica
(AFM), Espectroscopia fotoelectronica de rayos X (XPS).
1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
DESARROLLO Y APLICACION DE LAS FUENTES DE ARCO PULSADO EN PROCESAMIENTO DE MATERIALES POR
PLASMA – RECUBRIMIENTOS –
1.1 SUPERFICIES
La mayoría de los problemas que presentan los materiales en servicio tienen su
inicio en la superficie de los mismos, es decir, en la zona en que están en contacto
con el medio exterior. Los requisitos que la industria moderna impone sobre útiles,
herramientas y componentes mecánicos obligan a realizar un constante esfuerzo en
cuatro direcciones: empleo de nuevos materiales, rediseño de los útiles,
modificación de los procesos y empleo de tratamientos de superficie avanzados.
Esta última solución, cuando es posible, tiene la ventaja de ser la menos traumática
para los procedimientos de las empresas [1].
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
5
La superficie de un material es la región más sensible a las agresiones del entorno.
En comparación con otras causas de deterioro de un material, los problemas que
afectan a la superficie (desgaste, fricción, corrosión), requieren un consumo
energético mínimo debido a que son sólo los átomos de unas pocas capas
superficiales y los enlaces que los unen entre sí los que deben hacer frente a las
fuerzas y ataques químicos del entorno [1].
El concepto de superficie ha dependido siempre de las técnicas de microscopía y
caracterización. Para métodos tradicionales (Metalización, Nitruración) se ha
hablado de décimas de milímetro. Hoy día es posible fotografiar capas de un átomo
de espesor y en consecuencia es posible decidir para cada problema la profundidad
a la que debe aplicarse el tratamiento: Muchos tratamientos avanzados actúan en
espesores de décimas de micra (1000 capas atómicas).
Las soluciones de la Ingeniería de Superficies han llegado a modificar la
composición y estructura superficial de los materiales tratados, ya sea mediante la
creación de un recubrimiento (con espesores típicos de unas pocas micras) o
mediante la introducción de nuevos elementos dentro de la superficie, a
profundidades a veces tan reducidas como décimas de micra. El control de estos
procesos, en buena medida ya industriales, requiere el empleo de equipos que
trabajan en alto vacío, fuentes de iones, evaporadores o reactores asistidos por
plasma. Los espesores comparativamente reducidos de estos tratamientos tienen
lugar debido a que un mayor conocimiento de los procesos de deterioro superficial
permite conocer con exactitud el número de capas atómicas implicado en cada
caso, diseñándose luego el tratamiento adecuado para actuar a dicha profundidad
[1].
1.2 RECUBRIMIENTOS
La obtención de recubrimientos sobre útiles y herramientas ha estado en constante
desarrollo en las últimas décadas. Los recubrimientos han venido especializándose
para mejorar una propiedad crítica característica de cada aplicación o tipo de
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
6
necesidad. Las propiedades como resistencia al desgaste, coeficiente de fricción,
dureza, tenacidad, resistencia a la oxidación se combinan para obtener en cada caso
el recubrimiento que mejor se adapta a las condiciones de trabajo. Un
recubrimiento como factor aislado no puede garantizar la consecución de los
resultados optimizados, únicamente asociado a otros factores como propiedades
del material base, estado y preparación superficial de la pieza a recubrir, técnica de
preparación del recubrimiento, condiciones de proceso; conjuntamente con las
propiedades del recubrimiento podrán asegurar que el rendimiento final sea el
deseado [2]. En la figura 1 se ilustran algunas de las técnicas más comúnmente
usadas para deposición de capas delgadas.
Figura 1. Técnicas de preparación de capas delgadas [3]
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
7
Algunos criterios importantes a considerar en la elección de la técnica de
deposición a utilizar son [3]:
Material a ser depositado (composición, estructura, etc)
Espesor, velocidad de deposición
Limitaciones impuestas por la temperatura de deposición
Adhesión del depósito al sustrato
Homogeneidad de las capas (espesor, composición, etc)
Pureza de los materiales de partida
Complejidad y coste del equipo
Disponibilidad y problemas de seguridad en el manejo de las materias
primas (técnicas de CVD)
Eliminación de subproductos para evitar la contaminación
1.3 PROCESOS ASISTIDOS POR PLASMA
Particularmente los plasmas presentan dos características importantes que los
hacen muy interesantes a nivel de procesos industriales: pueden tener valores de
temperatura y densidad tan altos no alcanzables mediante procesos químicos, u
otros tipos de procesos industriales tradicionales, a su vez los plasmas pueden
contener o producir diferentes especies energéticas activas (por ejemplo, partículas
cargadas, radicales libres, fotones visibles o ultravioletas, estados atómicos
altamente excitados y muy reactivos) que pueden dar lugar a reacciones y cambios
químicos difíciles de conseguir en reacciones químicas ordinarias. De forma
especial, una de las mayores ventajas hoy en día es la utilización de las propiedades
de los plasmas en procesos industriales “no contaminantes”, por la baja o nula
producción de residuos, además de la utilización de los mismos para la eliminación
o tratamiento de productos “tóxicos” provocados por otros procesos [4].
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
8
Los plasmas industriales pueden ser divididos de forma general y bajo un aspecto
tecnológico, en dos categorías: plasmas térmicos o de equilibrio y plasmas fríos o
de no equilibrio. Si se comunica energía eléctrica a un gas, por medio del
correspondiente acoplamiento electromagnético, y en función de la presión a la que
se realice esta transferencia de energía, nos encontramos con que a bajas presiones,
la frecuencia de las colisiones entre las partículas del plasma es baja y las
interacciones se producen entre las partículas cargadas del plasma y el material que
es procesado. Es decir, los procesos son de naturaleza física. A medida que se
incrementa la presión, las colisiones entre partículas son más probables y los
fenómenos químicos empiezan a jugar un papel importante. Si la presión sigue
creciendo, llegando incluso a presiones próximas a la atmosférica, los plasmas se
comportan como una fuente de calor: son los plasmas térmicos o de equilibrio, en
los que las temperaturas (energías) de iones y electrones son iguales. Desde el
punto de vista de aplicaciones, y de manera simplificada, se podría contemplar al
plasma como una herramienta con la que hacemos una conversión de la energía
eléctrica ya sea en energía térmica (plasma de equilibrio) o en energía de activación
(plasmas fríos) [4].
Dentro de estos procesos asistidos por plasma encontramos la aplicación de los
plasmas fríos o de no equilibrio en la obtención de capas finas, el papel del plasma
en la producción de capas finas puede ser:
Producir una reacción química: En este caso gases o compuestos
reaccionan en un plasma frío creado al efecto, y en contacto con la
superficie de la pieza proporcionan un revestimiento, a diferencia de
los procesos CVD normales (600 a 1300 °C), se trabaja a
temperaturas inferiores (30-400 °C).
Producir un aporte de iones o especies, para conformar la capa:
proceso en el que se utilizan medios físicos para introducir en el
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
9
plasma los átomos capaces de producir las especies ionizadas
necesarias para la producción de la capa sobre la superficie de la pieza
(PVD – Physical Vapor Deposition). Se puede hacer combinación de
procesos aportando átomos extraídos por medios físicos al plasma,
junto con la introducción de gases reactantes en el mismo plasma [4].
1.3.1 Procesos PVD
Los procesos PVD son procesos de deposición atomísticos en los cuales el material
es evaporado desde una fuente sólida o líquida en forma de átomos o moléculas,
transportado en forma de un vapor a través de un medio vacío o gaseoso a baja
presión (o plasma) hasta el sustrato donde se condensa (figura 2.). Típicamente los
procesos PVD son usados para depositar películas con espesores en el rango de
unos pocos nanómetros hasta miles de nanómetros; sin embargo ellos pueden
también ser usados para formar recubrimientos multicapa, depósitos gradados en
composición, depósitos muy gruesos y estructuras aisladas. Las tasas de
deposición típicas en PVD son 10 – 1000 Å (1 – 100 nanómetros por segundo).
Los procesos PVD pueden ser usados para depositar películas de elementos y
aleaciones así como compuestos usando procesos de deposición reactivos. En
procesos de deposición reactivos, los compuestos son formados por la reacción del
material que se deposita con el gas de ambiente (por ejemplo, nitrógeno para la
producción de nitruro de titanio, TiN) o con un material de co-deposición (por
ejemplo, carburo de titanio, TiC). En general, los distintos procesos PVD son
extraordinariamente sensibles al grado de limpieza de las superficies y a los
distintos parámetros del proceso, tales como temperatura, presiones parciales del
gas residual, grado de ionización del material evaporado etc [1,5].
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
10
Figura 2. Formación de recubrimiento en un proceso PVD
Las técnicas PVD asistidas por plasma han significado un aumento importante en
eficiencia comparadas con otras técnicas tradicionales debido fundamentalmente a
la condición de no equilibrio del plasma que permite generar especies reactivas a
relativamente bajas temperaturas, y aumentar la velocidad de deposición por la
presencia de iones que pueden ser acelerados eléctricamente hacia el sustrato.
Los procesos básicos de deposición por PVD son:
Evaporación
Sputtering
Por la década de los años 1970 aparece la posibilidad de asistir estos proceso con un plasma, además surge la técnica del plateado iónico (“ion plating”) y la posibilidad de desarrollar procesos de evaporación o sputtering reactivos [5].
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
11
1.3.1.1 Ion Plating (Plateado iónico)
Consiste fundamentalmente en evaporar el material blanco mientras el sustrato es
colocado a tensión negativa para atraer los iones, esto favorece una buena interfase
recubrimiento-sustrato y favorece la formación de capas compactas y adherentes
[6].
1.3.1.2 Sputtering (Pulverización catódica)
Los átomos que constituyen el recubrimiento se obtienen bombardeando blancos
(metálicos o cerámicos) con iones de un gas inerte (Argon) a baja energía (500-
1000 eV). Estos átomos pulverizados viajan hasta las superficies próximas
depositándose en ellas en proporciones similares a las del blanco de partida. Otras
veces, mediante la pulverización simultánea de dos o más materiales es posible
producir capas de recubrimientos binarios, ternarios, etc. Los procesos de
sputtering tienen el inconveniente de ser más lentos que los de evaporación, pero
tienen la ventaja de ser más limpios, más versátiles, más controlables y no necesitar
altas temperaturas.
Durante mucho tiempo los sistemas empleados se basaron en fuentes de iones de
baja energía y una adecuada disposición geométrica de fuentes, blancos y
superficies a recubrir. Recientemente, el empleo de magnetrones desbalanceados
ha permitido prescindir de las fuentes de iones y alcanzar velocidades de
recubrimiento próximas a las de los procesos de evaporación, de manera que los
procesos de sputtering se han hecho más comerciales [1].
1.3.1.3 Evaporación
Se caracteriza por la evaporación del material de partida, normalmente un metal,
mediante un calentamiento muy intenso producido por resistencias eléctricas,
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
12
corrientes inducidas, láseres o, con mayor frecuencia, por el bombardeo de un haz
de electrones. Esta técnica ha sido la más empleada para recubrimientos
comerciales de Nitruro de Titanio (TiN). Si lo que se desea es producir un
recubrimiento cerámico como el citado TiN es preciso implementar un proceso
reactivo, introduciendo nitrógeno en el vacío residual, favoreciendo la reacción
mediante una ionización parcial del vapor y colocando la superficie del substrato a
una temperatura idónea. Las fuentes de evaporación son clasificadas por el modo
de calentamiento usado para convertir el evaporante sólido o líquido a la fase
vapor. Así existen diferentes tipos de fuentes de calentamiento: por resistencia,
sublimación, inducción, haz de electrones, láser, evaporación por arco, entre otros
[1].
1.4 EVAPORACIÓN POR ARCO
El arco eléctrico puede ser definido como una descarga eléctrica entre dos
electrodos en un gas o vapor que tiene una caída de voltaje en el cátodo del orden
de la mínima ionización o potencial de excitación mínimo del gas o vapor. El arco
es una descarga auto sostenida capaz de soportar grandes corrientes suministrando
su propio mecanismo de emisión electrónica desde el cátodo. Un arco puede ser
iniciado ya sea por una chispa o por una descarga glow, o por la separación de un
contacto entre dos electrodos que llevan una corriente eléctrica, cuando esto sucede
la corriente que fluye a través de los electrodos funde y vaporiza el último pequeño
punto de contacto, dejando una descarga de vapor metálico la cual puede
convertirse en un arco si la resistencia del circuito externo es baja. Un arco puede
existir en un ambiente ya sea de alta o baja presión de gas o solo en el vapor de los
electrodos volatilizados [6].
Los sistemas de recubrimientos basados en arcos en vacío se pueden describir por
tres atributos básicos: duración del pulso, electrodo donde el vapor metálico es
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
13
producido, y filtrado de macropartículas. La duración del pulso es típicamente
dividida en dos categorías las cuales pueden ser delineadas por la fuente de
potencia del arco. Si el arco es sostenido solo por la duración de la descarga de un
capacitor (banco de capacitores), esta es designada como “pulsada”. Si el arco es
sostenido por una fuente de corriente DC, esta es designada como “continua” o al
menos “cuasi-continua”. Generalmente, un spot de arco sobre el cátodo es la
fuente de vapor metálico, aunque se presentan trabajos ya con fuentes donde el
vapor es producido desde un ánodo evaporando. Si el diseño de la fuente enfrenta
la pieza de trabajo sobre una línea de vista directa del spot de arco, y provee un
mecanismo para guiar el plasma de arco producido hasta la pieza de trabajo, la
fuente es definida como “filtrada” [7].
Actualmente, hay muchos ejemplos de deposición por arco de recubrimientos sobre
la escala comercial [7]. Hay numerosas variaciones de diseños de fuentes de arco
catódico, pero la mayoría pueden ser clasificadas por la duración del pulso y el
filtrado de macropartículas, y todas son gobernadas por las mismas reglas básicas,
en la figura 3 se observa uno de los diseños de reactor utilizados en un proceso de
evaporación por arco .
Figura 3. Esquema de un sistema de evaporación por arco
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
14
Tanto las fuente de arco pulsado como las de arco continuo, cada una presenta sus
propias ventajas. En una fuente pulsada, la duración del arco es típicamente muy
corta tal que no es necesario el enfriamiento directo del cátodo, lo cual simplifica el
diseño y facilita además el cambio de material del cátodo. Por otra parte, el
confinamiento del spot de arco a la superficie del cátodo es un poco difícil ya que la
duración es típicamente tan corta que el tiempo es insuficiente para que el spot de
arco se vaya a la superficie del cátodo, se debe proveer un mecanismo de ignición
confiable, el resultado del ciclo útil bajo es por lo tanto una baja tasa de
deposición. Las fuentes continuas tienen por su parte altas tasas de deposición,
pero el cátodo debe ser diseñado para disipar el calor generado por el arco. Esto
lleva a dificultades en el cambio de cátodos y limitaciones en el uso de algunos
materiales de conductividad térmica baja. El confinamiento del arco es esencial ya
que se pueden presentar daños en los componentes de soporte y contaminación de
los recubrimientos producidos si el spot de arco sale de la superficie del cátodo
deseada [7]. En la figura 4 se ilustran rasgos típicos de arcos pulsados y arcos
continuos.
Figura 4. Rasgos típicos en arcos producidos por a) fuente continua y b) fuente pulsada
a)
b)
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
15
1.4.1 Fuentes de arco catódico continuo
Cualquier sistema basado en arco catódico continuo debe primero, direccionar el
confinamiento del arco a la superficie del cátodo apropiada, de lo contrario se
genera contaminación del recubrimiento, o peor, la destrucción de la fuente.
Segundo, el cátodo debe ser diseñado para disipar el calor producido por el spot de
arco, el cual es aproximadamente un tercio del suministro de potencia de arco total.
Tercero, el ánodo debe ser diseñado para llevar la corriente de arco. Si se emplea
un filtro de macropartículas, se deben hacer consideraciones más profundas de la
geometría del campo magnético, camino de la corriente electrónica, y bloqueo de la
línea de vista. Todos los componentes y conexiones de la fuente deben ser
diseñados para soportar las altas corrientes requeridas para sostener un arco.
Por su parte los spots catódicos se extinguen espontáneamente, y pueden ser
caracterizados por un tiempo de vida promedio el cual se incrementa con la
corriente de arco. El tiempo de vida es una fuerte función del material del cátodo, y
es generalmente mayor para los materiales más volátiles. Adicionalmente, el
tiempo de vida es una función del circuito eléctrico, geometría del electrodo, y
campo magnético aplicado. Como regla general, la corriente de arco para arco
sostenido debe ser por lo menos tan grande como la corriente de erosión del spot
catódico. Para muchos de los materiales de interés usados en recubrimientos, la
corriente de arco debe estar en por lo menos 30-300 A. Mientras han sido
diseñadas fuentes para operar continuamente hasta en 1000 A [7, 8], muchas
fuentes comerciales típicamente operan en una corriente de aproximadamente 100
A.
La relación de macropartículas y fase vapor es una importante característica de una
fuente de arco. El número de macropartículas con dimensiones en el rango desde
fracciones a decenas de micrómetros es bastante alta en arcos de metales con bajo
punto de fusión y se incrementa con la corriente de la descarga y la temperatura del
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
16
cátodo [7, 9, 10]. Por ejemplo la erosión de un cátodo de acero inoxidable
calentado a 773 K es incrementado en un 50 % en comparación con su erosión en
temperatura ambiente. Esto es debido a un apreciable incremento en la formación
de macropartículas [7, 11]. Sin embargo, una temperatura similar alcanzada por
un cátodo de titanio resulta en un pequeño incremento en la tasa de erosión. Para
metales refractarios, cuando el cátodo es sometido a refrigeración forzada y las
corrientes son menores a 300 A, la mayoría de la masa erosionada es emitida en la
fase vapor. Se considera además que la mayoría de macropartículas son emitidas
en ángulos pequeños (10-30°) a la superficie del cátodo [12].
La energía de la descarga por arco en vacío es concentrada en la región de los spots
catódicos donde ocurre prácticamente toda la caída del voltaje aplicado. Esta
energía es removida desde el cátodo por conducción, empleada en emisión
electrónica, y llevada a la región cerca al cátodo en forma de energía cinética de
iones y en energía térmica de electrones moviéndose al ánodo, en la tabla 1 se
ilustra aproximadamente el balance de los principales tipos de disipación de
energía en una descarga de arco catódico [7], como se puede observar solo una muy
pequeña fracción de la energía es empleada en la evaporación.
Calor conducido al cátodo 34 %
Emisión electrónica 21 %
Evaporación 3 %
Vapor de ionización 7 %
Energía de iones 23 %
Energía de electrones 10 %
Tabla1. Fracciones de disipación de energía aproximada en un arco catódico [13]
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
17
1.4.1.1 Consideraciones en el suministro de potencia
Los requerimientos en el suministro de potencia para la operación de un arco
catódico son satisfechos sobre una amplia variación de diseños. Sin embargo,
además de encontrar las condiciones de voltaje y corriente básicos para sostener un
arco sobre el material usado, se debe considerar que: la onda de voltaje a plena
carga no debe permitir que el voltaje instantáneo caiga por debajo del voltaje de
sostenimiento (o que la corriente caiga por debajo del umbral), y el sistema debe
ser capaz de resistir el voltaje transitorio resultante por la extinción del arco [7].
El suministro usado puede ser un simple transformador y un rectificador, o un
diseño de conmutación más sofisticado. Cuando se hace uso de sistemas de
rectificación se debe tener en cuenta que debido a las altas corrientes involucradas,
los filtros DC con solos capacitores son bastante ineficientes en el suavizado del
voltaje de rizado, especialmente aquellos diseñados para entrada de potencia
monofásica. Un inductor en serie con el cátodo principal, y un capacitor a través de
la salida de la alimentación, son generalmente requeridos para conseguir la
operación del arco estable. Cuando es usado un suministro del tipo transformador
con entrada de potencia trifásica, la descarga de arco en vacío puede con frecuencia
ser sostenida sin la bobina y el capacitor en el circuito. En este caso, la inductancia
del transformador, y el solapamiento de las fases, generalmente proveen un rizado
bastante bajo para la operación del arco estable.
El arco consiste de una serie de eventos individuales, discretos. Cuando el spot
empieza a extinguirse y por ende se inicia la caída de corriente, la inductancia en el
circuito causa que el voltaje en el cátodo crezca, lo cual ayuda al inicio del siguiente
spot. Los picos de voltaje pueden dañar los rectificadores en el suministro si estos
no son protegidos de alguna manera. El uso de un varistor de metal-óxido (MOV)
para absorber los transitorios puede ser efectivo [7].
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
18
Los suministros del tipo conmutado, a alta frecuencia, tienen baja inductancia
interna y generalmente requieren un inductor externo para sostener el arco por
largos períodos de tiempo. Generalmente se usan valores de inductancia en el
rango de 1 a 20 mH. Debido a las corrientes involucradas, es común encontrar que
estos inductores sean grandes en tamaño para evitar saturación magnética del
material núcleo. Una inductancia demasiado alta puede llevar a voltajes
excesivamente altos cuando el arco se extingue, y puede causar rupturas a través de
los aisladores del cátodo.
En resumen, es necesario hacer un balance entre inductancia y capacitancia en el
circuito de alimentación. La inductancia provee estabilidad al arco suavizando el
voltaje de rizado y suministrando picos de voltaje para sostener la descarga. Sin
embargo, excesiva inductancia puede producir destructivamente altos voltaje en el
circuito cuando el arco se extingue. La capacitancia también suaviza el rizado y
protege los rectificadores de la alimentación, pero puede limitar el voltaje del
cátodo demasiado y reducir el tiempo de vida del arco. Finalmente se puede
encontrar que dependiendo de la aplicación el diseño del suministro de potencia
para usar en fuentes de arco puede ser realmente simple, tal como el comúnmente
usado suministro para soldadura de arco DC [7].
1.4.2 Fuentes de arco pulsado
Las fuentes pulsadas por su parte permiten un fino control sobre el flujo de
deposición y así la formación de películas delgadas metálicas y multicapas con
espesor y composición controlable hasta el nivel de la monocapa. La tecnología de
arco pulsado ha encontrado aplicación en investigación de superficies y películas
delgadas involucrando la preparación de muestras experimentales pequeñas,
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
19
además el tiempo de preparación requerido es mínimo y la cantidad de material
consumido es insignificante.
Las fuentes pulsadas repetitivas son normalmente operadas en ciclo útil bajo y los
requerimientos de entrada de potencia eléctrica media y disipación de calor son
mucho más reducidos comparados con las fuentes DC. Generalmente son
manejadas por la descarga de un capacitor aunque un suministro DC conmutado es
también usado algunas veces. Estos aspectos térmicos y eléctricos proveen una
fuerte demarcación entre fuentes pulsadas y DC típicamente en anchos de pulso del
orden de 0.1-1 segundo o menos [7].
1.4.2.1 Consideraciones en el diseño de la fuente
Geometría del arco
A pesar de que la disipación de calor en el cátodo es importante en cualquier
sistema PVD, para el caso de fuentes pulsadas este factor es menos critico, y el
cátodo puede ser largo (longitud/diámetro> 1) comparado con los cátodo cortos
(longitud/diámetro < 1) típico de fuentes DC. Dependiendo del ciclo útil y del
tiempo de operación integrado previsto, la refrigeración por agua de la fuente
puede ser omitida completamente o quizás incluida indirectamente. El fenómeno
de spot catódico permanece esencialmente igual, sin embargo, y para la misma
corriente de arco, la tasa de generación de plasma instantáneo es la misma para
una fuente pulsada pequeña como lo es para una fuente DC grande. Lo que no es
posible es reducir la generación de plasma excepto por corriente de arco, (limitada
por la corriente pico). Así para fuentes de arco que son operadas en un modo
pulsado repetitivamente, la tasa de generación de plasma instantáneo y la tasa de
generación de plasma media pueden ser muy diferentes, por lo cual es importante
aclarar cual se está especificando en una situación particular [7].
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
20
Sistema eléctrico y electrónico del arco
Una simple descarga capacitiva provee una forma conveniente y sencilla de
manejar el arco. Pueden ser adicionadas características especiales dependiendo de
las necesidades para aplicaciones específicas. Por ejemplo, la simple capacitancia
acoplada puede ser reemplazada por una línea de pulsos L-C (pulso formando red)
para proveer una forma de pulso de corriente constante y un rápido tiempo de
levantamiento. La impedancia de la línea típicamente puede ser de uno a varios
ohms y una longitud de pulso en el rango de 10 µs a 30 ms es obtenido
convenientemente. Una resistencia en serie es algunas veces incluida para
mantener el voltaje, ya sea durante corrientes bajas en el tiempo inicial de
levantamiento de la corriente, y cuando el arco es operado en baja corriente. La
línea es cargada por un suministro de potencia DC de voltaje desde 100 V hasta 1
kV, dependiendo de la línea, y con una tasa de corriente apropiada para los
requerimientos de ciclo útil. Alternativamente, puede ser usado un suministro de
potencia DC de alta corriente por conmutación con transistor, este diseño ha sido
usado satisfactoriamente. Para generación de pulsos de sub-microsegundos, un
arreglo en paralelo de cables coaxiales puede ser más conveniente que una línea de
retardo acoplada. La utilización del diseño de línea de pulsos es simple y poco
costosa, mientras que el diseño de conmutación por transistor puede proveer una
amplia flexibilidad experimental (por ejemplo, en la duración del pulso) [7].
Activación
El arco puede ser activado por medios mecánicos (o electromecánicos),
electrónicos, u ópticos (láser), o por la inyección de plasma producido
externamente o gas expandido. En cualquier caso, el objeto es producir un plasma
de activación que atraviese el gap entre cátodo y ánodo, permitiendo que la
corriente de arco principal fluya; una vez el arco está conduciendo, este genera su
propio plasma y puede mantenerse tan largo como el pulso de corriente externa
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
21
permanezca. El plasma de activación debe ser suficientemente denso para
conducir la corriente adecuada, de duración suficiente para que el arco principal
tome lugar, y en la localización adecuada para proveer una buena conexión cátodo-
ánodo.
La activación electrónica es comúnmente usada para fuentes pulsadas repetitivas.
Una chispa de alto voltaje genera un plasma de activación entre el cátodo y un
electrodo trigger, estableciendo la generación de spots catódicos sobre el cátodo y
permitiendo que la corriente de arco principal fluya desde los mismos spots cuando
el gap cátodo-ánodo es atravesado. El pulso de descarga de activación (trigger) es
generalmente montado como una descarga superficial a través de un delgado
aislador cerámico entre el electrodo trigger y el cátodo. Han sido encontrados
circuitos que trabajan adecuadamente usando pulsos de algunos kilovoltios de
amplitud (circuito abierto), varias decenas de amperios de corriente pico (circuito
cerrado), y alrededor de 10 µs de duración (tiempo de decaimiento). Típicamente
el generador de pulso es una descarga capacitiva a través de un pulsador o
transistor interruptor dentro de un transformador elevador de aislamiento con
electrodos secundarios a través del cátodo-trigger. Esta forma de arreglo de trigger
y la electrónica para soportarlo ha sido discutida por varios autores [7, 14, 15].
1.4.2.2 Características del plasma
Las propiedades del plasma generado por fuentes de plasma de arco en vacío
pulsado repetitivo, son a grandes rasgos, las mismas que las de fuentes de plasma
DC, pero hay algunas diferencias en los detalles de las propiedades del plasma en el
tiempo inicial. El plasma puede ser formado desde cualquier metal sólido, es
altamente ionizado, y en general contiene una pequeña contaminación de
macropartículas. Anders et al han reportado [16] que los estados de carga iónica en
el tiempo inicial en la descarga por arco son significativamente más altos que
después, con un tiempo de decaimiento típico desde el nivel más alto de un ciento
hasta varios cientos de microsegundos. Este efecto ha sido explicado
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
22
provisionalmente en términos de la historia temporal de la temperatura del cátodo.
Debe ser también considerada la posibilidad de contaminación de la superficie del
cátodo por el gas de fondo en el tiempo entre descargas por arco ya que el gas
residual en temperatura ambiente y a una presión de 1 x 10-6 torr se deposita sobre
una superficie (si es retenida completamente por la superficie) en una tasa de
alrededor de 1 monocapa por segundo. Este puede ser un importante efecto en
algunos casos, por ejemplo, para cátodos de metales reactivos en longitud de pulso
corto y ciclo útil bajo [7].
1.4.3 Deposición de películas delgadas
La aplicación más común de las fuentes de arco pulsado ha sido la deposición de
películas delgadas. Pueden ser formadas películas metálicas y compuestas de
espesores que van desde monocapas hasta micrones, además, usando más de un
disparo y controlando pulso a pulso el flujo de deposición, pueden ser sintetizadas
multicapas y películas con interfases bien definidas [7, 17, 18]. En la deposición por
arco catódico la ionización de la materia ocurre en los spots catódicos -
localizaciones no estacionarias del tamaño de micrómetros de extremadamente alta
densidad de plasma (1020 cm-3) (figura 5).
Figura 5. Fenómeno ocurrido en un spot de arco catódico discreto
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
23
Las películas depositadas pueden tener propiedades ventajosas derivadas del alto
grado de ionización, energía iónica y tasa de producción de plasma [19]. Si se
introduce además la característica de polarización del sustrato en el pulso
repetitivo, a medida que se deposita el flujo de plasma sobre la superficie, puede
ser adicionada una cantidad controlable de energía a los iones depositados en el
momento de la deposición. Así la deposición a baja energía puede ser mezclada
con una fase de implantación iónica de baja energía microsegundo por
microsegundo, y puede ser definido en un alto grado el perfil de la interfase [7, 20,
21]. Finalmente, se puede notar que la operación de fuentes de arco pulsado en
modo de potencia media baja (ciclo útil bajo) provee una tecnología de deposición a
baja temperatura [7]. La mayor desventaja de la técnica de deposición por arco
catódico es la generación de las llamadas macro o micropartículas las cuales
generalmente degradan la calidad de los recubrimientos producidos. La
incorporación de partículas metálicas en el crecimiento de la película es
generalmente indeseada, ya que puede entorpecer el buen funcionamiento de los
recubrimientos (por ejemplo, disminuyendo la protección al desgaste o el
compromiso de protección a la corrosión). Una posible solución para reducir el
número de partículas es usando filtros magnéticos [20].
1.4.4 Propiedades de los recubrimientos
En gran parte la aplicación más frecuente de deposición por plasma de arco
catódico es la deposición reactiva de películas compuestas como TiN o TiAlN.
Reactivo se refiere al establecimiento de enlaces químicos entre el metal,
proveniente del plasma de spot catódico, y átomos de un gas reactivo, el cual es
usualmente introducido entre cátodo y sustrato [22].
Las propiedades de un recubrimiento dependen en forma compleja de las variables
que controlan el proceso y de las características de los propios materiales
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
24
involucrados, por ejemplo en el caso de la adherencia al sustrato, esta depende
simultáneamente de la limpieza, rugosidad superficial, compatibilidad
fisicoquímica, temperatura del sustrato, propiedades mecánicas, impurezas en el
plasma, entre otros. En el caso particular de los recubrimientos duros y desde el
punto de vista de la ingeniería las propiedades más relevantes a analizar son:
adherencia, dureza, espesor, uniformidad superficial, composición química,
porosidad/densidad, concentración de impurezas, tensiones internas.
Durante la deposición de un recubrimiento específico, existen variables de control
directo del proceso y factores asociados al diseño del reactor de plasma y del
substrato que se relacionan con las principales propiedades de los recubrimientos
duros. Dentro de las más importantes variables de control directo y su relación de
dependencia con estas propiedades son [6]:
Flujo de ingreso de los gases de trabajo al reactor de plasma: La relación
entre los flujos [átomos/segundo] de ingreso de los gases o vapores de
trabajo al reactor de plasma, así como la geometría de circulación de los
mismos alrededor del substrato, controlan la velocidad de crecimiento de la
película, su uniformidad, densidad, dureza, adherencia y la estequiometría
del compuesto formado.
Concentración y energía cinética media de los electrones del plasma; estos
valores dependen de la presión total de la mezcla gaseosa y de las
características de la descarga eléctrica que produce el plasma: Para un
proceso de recubrimiento específico (gases de trabajo, técnica de deposición,
tipo de descarga eléctrica y factores geométricos de flujo de gases y del
substrato definidos) las variables directas de control de las propiedades del
plasma son la presión de la mezcla gaseosa y tensión aplicada entre
electrodos, que determina la corriente eléctrica que circula por el plasma. El
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
25
aumento de la corriente eléctrica usualmente produce un aumento de la
concentración de electrones libres, lo que acelera los procesos de formación
de especies activas y da lugar a un incremento en la velocidad de crecimiento
de la película. El efecto de la presión aunque está también relacionado con
la velocidad de crecimiento es menos predecible y depende de las
condiciones particulares del proceso.
Potencial eléctrico de referencia del substrato con respecto al potencial local
del plasma: La superficie de la película en formación queda sujeta a un
bombardeo de iones positivos provenientes del plasma. La deposición bajo
efectos de bombardeo iónico promueve el desarrollo de una película densa
de alta calidad estructural, con buenas propiedades de dureza y adherencia,
con relativamente altas tensiones internas.
Temperatura del substrato: Controla los procesos de difusión durante el
crecimiento del recubrimiento y afecta en forma directa la estructura del
mismo. Una alta temperatura favorece la desorción de impurezas,
promueve la difusión superficial de los átomos adsorbidos hacia posiciones
de equilibrio y favorece la coalescencia de los centros de nucleación. Así, el
recubrimiento se desarrolla con una mayor perfección estructural y con una
mayor densidad, presentando por lo tanto mejores propiedades mecánicas
que un recubrimiento producido a menor temperatura [6].
1.4.5 Capas y multicapas
Concentrándonos en las aplicaciones para útiles industriales, puede decirse que los
recubrimientos por PVD más extendidos son los de Nitruro de Titanio (TiN), el
familiar recubrimiento dorado empleado en herramientas, moldes de inyección,
entre otros. En la mayor parte de los casos se trata de capas de 1-2 µm obtenidas
por métodos de evaporación, lo que normalmente implica la exposición de las
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
26
superficies a temperaturas próximas a 500 ˚C. El TiN supone cerca del 90% del
mercado actual de recubrimientos duros, siendo seguido por otros recubrimientos
basados en el Titanio como el Carburo (TiC) o el Carbonitruro (TiCN). Hay sin
embargo muchos otros recubrimientos comerciales extraduros como es el caso del
Nitruro de Cromo (CrN), ideal para problemas de desgaste-corrosión y que admite
espesores de recubrimiento de hasta 20 µm, el Carburo de Tungsteno (WC) o la
Alúmina (A1203). Las durezas obtenidas oscilan entre 1800-3300 HV [1].
Otra línea de recubrimientos es la de la lubricación sólida. El ejemplo típico es el
disulfuro de molibdeno (MoS2) ideal para los problemas de fricción. Es cada vez
más frecuente producir una primera capa extradura y sobre ella una capa de MoS2,
para reducir a la vez desgaste y fricción.
Las líneas de desarrollo actuales se centran en obtener procesos más eficaces, el
desarrollo de recubrimientos más complejos, como son los casos del TiAlCN o
TiAlCNB2 y el uso de multicapas y de capas de composición variable con la
profundidad [1]. Al momento, una gran parte de los recubrimientos comerciales de
alta calidad presentan estructura multicapa; este concepto implica el uso de varias
capas de materiales mutuamente solubles con el fin de promover el desarrollo de
interfases altamente adherentes entre ellos. El material de la primera capa, en
contacto con el sustrato, tiene como función principal promover una buena
adherencia, en tanto que los materiales de las capas siguientes se eligen para
promover capas de alta dureza y resistencia al desgaste y/o resistencia química; la
última capa se fabrica usualmente buscando un bajo coeficiente de fricción y
propiedades superiores en relación a la adherencia y agregación de virutas durante
el maquinado.
1.5 NITRURO DE TITANIO
El nitruro de titanio (TiN) es un miembro del grupo de metales mononitruros de
transición, cristaliza con la estructura cristalina B1 (NaCl), entre sus mayores
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
27
propiedades se destacan la alta microdureza, alta temperatura de fusión, y baja
resistividad eléctrica.
La combinación de extrema dureza (Hv 2000-3000 kg mm-2), alta temperatura de
fusión de 2950 °C, y bajo coeficiente de fricción (∼0.13) hace al TiN conveniente
como material duro, resistente al desgaste para aplicación en el recubrimiento de
herramientas de corte y formado y partes de desgaste.
La deposición de películas de TiN mediante evaporación por arco es lograda
evaporando reactivamente un cátodo de Ti puro en presencia de una alta presión
parcial de nitrógeno. Las condiciones para la formación de TiN por arco no son tan
críticas como en otros métodos de deposición PVD y el grado de control sobre las
propiedades mecánicas de las películas es logrado variando la temperatura del
sustrato, el bias del sutrato, y la presión parcial de nitrógeno. La composición de la
película no es afectada dentro de un relativamente amplio rango de presiones de
trabajo (6 x 10-2 Pa < PN2 < 2 Pa) y temperaturas de sustrato (Ts > 650 K), pero un
incremento en el potencial del sustrato reduce el contenido de nitrógeno.
1.5.1 Microestructura
Generalmente se encuentra que el TiN depositado por arco tiene una orientación
preferencial (111). El grado de orientación preferencial depende del bias del
sustrato aplicado durante el crecimiento y flujo iónico en la fuente. Se ha
encontrado que la intensidad relativa de los picos (111):(200) en la estructura de
TiN observada mediante difracción de rayos x incrementa de 40 a 2000 cuando el
flujo iónico desde la fuente se refuerza. Las películas de TiN depositadas por arco
son usualmente de una sola fase δ-TiNx, aunque algunos autores encuentran la
formación de la fase ε-Ti2N sobre ciertas condiciones de presión parcial de N2.
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
28
El tamaño del cristalito se encuentra dependiente del espesor de la película, y para
películas 10-12 µm de espesor, el tamaño promedio de los cristalitos es 15.6-16.9
nm. Andrievski et al [23] han encontrado valores tan altos como 1 µm para
películas 4-12 µm de espesor [7].
1.5.2 Propiedades mecánicas
Algunos valores encontrados en la literatura para el módulo de Young de TiN están
en el rango de 250 – 640 GPa, mientras que la relación de Poisson ha sido
calculada 0.3 por Perry [24].
Se ha encontrado que el stress residual en recubrimientos de TiN depositados por
arco es una función del espesor del recubrimiento, material del sustrato, y
condiciones de deposición.
La microdureza además de ser una función del espesor de la película, material del
sustrato, temperatura y bias, ha resultado ser también dependiente de la estructura
cristalina. Sue y Troue [25] han graficado la microdureza de TiN como una función
de la intensidad relativa de las líneas de difracción de rayos x (111)/(200). Los
resultados muestran que el valor máximo de 2200 Hv0.3 ocurre en
I(111)/I(200)=40. El decremento de la microdureza en valores altos de la relación
de intensidad se piensa que es un resultado de la variación en el stress de la
película.
La adherencia de TiN a varios sustratos es generalmente evaluada usando la prueba
de adherencia scratch, la carga de falla crítica Lc es usualmente tomada de una
figura de mérito para el par película-sustrato. La carga de falla es altamente
dependiente de la preparación inicial de la superficie del sustrato inmediatamente
a priori al recubrimiento, y de la naturaleza de cualquier capa interfase usada para
Capitulo 1 Fundamentos teóricos
29
reforzar la adherencia. Las películas de TiN depositadas por arco tienen
excepcional adherencia cuando se emplea un bombardeo de iones de Ti para
calentar y limpiar la superficie del sustrato a priori a la deposición de una capa de
unión de Ti de 100-300 nm de espesor, seguida por la capa de TiN. El bombardeo
iónico lleva a una difusión por radiación reforzada de Ti dentro de la superficie la
cual ayuda a la adherencia. Se encuentra que los valores de Lc para TiN en el rango
de 20-90 N son dependientes de la naturaleza del sustrato, bias del sustrato,
presión parcial de nitrógeno, y espesor del recubrimiento [7].
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2
DESARROLLO EXPERIMENTAL
IMPLEMENTACION DE UNA FUENTE DE ARCOS
PULSADOS Y PRODUCCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DE TiN
2.1 DESCARGAS ELECTRICAS Y PLASMA - FENOMENOLOGIA
La corriente eléctrica en un plasma es conducida principalmente por el movimiento
de electrones libres, y en algún grado, por el movimiento de iones, en respuesta a
un campo eléctrico impuesto. Se requiere de un campo eléctrico para mantener el
movimiento electrónico, y por tanto la corriente eléctrica, debido a que los
electrones pierden energía y momento cuando ellos colisionan con otras partículas
[1]. En un arco catódico los electrones son emitidos por la presencia de alta
temperatura, alto campo eléctrico, y a través de la ionización de material catódico.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
34
Es precisamente la concentración de potencia eléctrica la que hace posible la
operación de este modo de arco. Los spots catódicos tienen que satisfacer la
función de ser centros de emisión electrónica y proveer la condición para la
operación de arco auto-sostenido a través de la generación de plasma [2].
2.1.1 Estructura no estacionaria del spot catódico
El calentamiento superficial del cátodo por efecto Joule genera una microexplosión
en un pequeño volumen del cátodo y aparece una rápida transición (0.5 – 5 ns) de
sólido a vapor o a un plasma no ideal. Debido a la alta temperatura superficial en el
momento de la transición las fronteras de la interfase se mueven en el material en
bloque formando cráteres. El área del spot incrementa entonces con el tiempo
debido a la conducción de calor. Un incremento en el área del spot implica un
decremento en la densidad de corriente, lo cual paralelamente reduce la densidad
de potencia. La cantidad de material catódico transferido por la transición de la
fase explosiva se hace menor con el tiempo, lo cual causa que la densidad de
plasma local decaiga, por lo tanto la pérdida catódica se hace menor en la
superficie, y la fuerza del campo eléctrico y la densidad de potencia disminuyen con
el tiempo, reduciendo la densidad de corriente de emisión electrónica desde el
sólido. La temperatura máxima también cae, reduciendo adicionalmente la
emisión electrónica. En resumen, la actividad del spot va desde una fase
“explosiva” en nanosegundos hasta una fase “evaporativa” más lenta.
Eventualmente, la emisión electrónica y la densidad del plasma en el gap de la
descarga se reducen a tal punto que la descarga amenaza con extinguirse. El
voltaje entre ánodo y cátodo incrementa, debido a que la conductividad se reduce.
El hecho entonces de que la descarga se extinga, o el voltaje incremente,
combinado con el plasma denso que aún permanece cerca al cátodo, genera una
localización favorable en la superficie (microprotuberancia) para la emisión de
Capitulo 2 Desarrollo experimental
35
electrones. Tal localización favorable se calienta, tanto por calentamiento Joule de
los electrones en el metal como por la energía del bombardeo iónico. El aumento
de temperatura conduce a una situación de “avalancha”: más electrones son
emitidos, y crece la ionización en la vecindad de dicha localización, alcanzando
incluso un incremento en el bombardeo iónico, elevación de temperatura y emisión
electrónica. La avalancha térmica conduce a la destrucción explosiva de la
microprotuberancia sobre una escala temporal de nanosegundos, y un nuevo spot
tiene lugar en la fase explosiva [2] (figura 1).
Figura 1. Formación de plasma explosivo en los spots catódicos
Existe una corriente mínima necesaria para la operación de arco auto-sostenido
estable. Corrientes de descarga menores que la llamada “corriente de corte”
conducen a extinción espontánea del arco. Una corriente mínima es requerida para
asegurar la suficiente producción de plasma con una muy alta probabilidad de
ignición de un nuevo centro de emisión catódica cuando la densidad de potencia en
el centro activo ha decaído. Esta corriente mínima depende del material catódico
así como del estado superficial del cátodo. Por ejemplo, la corriente de corte para
el titanio puro es alrededor de 50 A [2,3].
Capitulo 2 Desarrollo experimental
36
Se ha encontrado que la cantidad de plasma producido es directamente
proporcional a la corriente de arco de la descarga [2,4]. Es interesante notar que
otros parámetros tales como voltaje de encendido, velocidad iónica, y estado de
carga iónica promedio aparentemente no dependen de la corriente de arco♦.
Aunque esto puede sorprender, llega a ser interesante si se considera que
corrientes más altas conducen a “fraccionamiento del spot” o a un mayor número
de spots catódicos activos simultáneamente, donde cada uno de los spots mantiene
aproximadamente el mismo mecanismo de operación [2].
2.1.2 Transición entre rompimiento y arco
Un método común utilizado para iniciar el arco es forzar al rompimiento del gap y
promover la continuación de ese rompimiento inicial como un arco. El objetivo en
cualquiera de los métodos utilizados es establecer uno o mas spots catódicos por un
periodo lo suficientemente largo como para dar lugar al arco catódico. En sistemas
de deposición como el que se utiliza en este trabajo, donde la ignición de la
descarga y la corriente de arco sostenido son derivadas de fuentes separadas, es
importante tener en consideración la impedancia del circuito y la estabilidad del
arco. Luego de que tiene lugar el rompimiento para la iniciación del arco hay una
erosión limitada de material catódico que produce una hendidura sobre la
superficie y que esta asociada al rompimiento (figura 2). El material erosionado es
ionizado durante el rompimiento, el pequeño volumen de plasma consecuente a la
ionización es transitorio por naturaleza. Dado que el plasma es eléctricamente
conductor, este sirve para distorsionar significativamente el campo eléctrico en su
vecindad inmediata. El plasma se contrae y finalmente se extingue. En esta etapa,
la erosión del cátodo cesa aunque aparece cierta conducción residual a través del
♦ Esto no es cierto para altas corrientes, por ejemplo, arcos con corrientes del orden de kiloamperios, cuando ocurre actividad anódica y el propio campo magnético no puede ser despreciado.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
37
gap debido a la colección de iones en el cátodo. El voltaje del plasma cerca al
cátodo empieza a crecer. Desde este momento se asume que la descarga se
encuentra en el estado inicial de un modo de arco, este aumento de voltaje tiene
una magnitud del rango de voltios, pero se asume que la presencia de la esfera de
plasma provee la capacidad suficiente para traer al cátodo campos de la vecindad
del plasma a niveles cercanos a aquellos requeridos para el rompimiento. El
incremento de voltaje acoplado con el movimiento del plasma expone nuevas áreas
del cátodo a campos altos lo cual puede resultar en un nuevo rompimiento con
consecuente erosión y nueva formación de plasma.
Figura 2. Erosión catódica explosiva
La probabilidad de un nuevo rompimiento depende de la densidad de plasma
original, así como de la presencia de defectos en la superficie, encontrada por el
plasma durante la expansión. Si la expansión no encuentra una característica
superficial conveniente antes de que la densidad decaiga a un nivel critico, el arco
se extingue.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
38
Cuando ocurre el rompimiento, la corriente es limitada solo por la impedancia del
circuito de suministro de potencia. La razón para esto es que cuando el arco se
desarrolla completamente, la caída de voltaje a través de la descarga es pequeño,
generalmente unas pocas decenas de voltios en unas pocas decenas de amperios,
incrementando modestamente a medida que la corriente se va haciendo mas
grande.
Existen varias consideraciones a tener en cuenta para que un arco estable pueda ser
iniciado y mantenido. La más importante de estas es la corriente, para casi todos
los metales catódicos es necesaria la disponibilidad de corriente de varios amperios
para establecer un arco. Así en este caso donde el arco es iniciado usando un
suministro de alto voltaje con muy pequeña disponibilidad de corriente, se alcanza
la condición de arco momentáneamente, pero este arco generalmente no es
mantenido a menos que se cuente además con la disponibilidad de alta corriente
después del rompimiento. La corriente mínima necesaria para mantener un arco
por un corto periodo varía con el metal del cátodo, sin embargo se deben tener en
cuenta algunas consideraciones en el circuito, por ejemplo es esencial que la
corriente no pase a través de un cero transitorio en la transición entre las fuentes
de alto y bajo voltaje [1].
2.1.3 Supresión de ceros
Se sugiere (en un arco catódico frío) que la descarga puede extinguirse si la
corriente es baja incluso por un periodo muy corto de tiempo (quizás
nanosegundos). Se puede esperar que entre mas largo sea el intervalo de tiempo
entre la extinción y la reaplicación de voltaje, mas voltaje será necesario para la
reignición debido a que la densidad del plasma del spot catódico residual va
decayendo con el tiempo. El decaimiento es en última instancia total y la reignición
debe ser la de un gap en su estado inicial. Es importante notar que el voltaje de
Capitulo 2 Desarrollo experimental
39
reignición no solo depende del tiempo sino también del material del cátodo.
Generalmente los cátodos metálicos que tienen masa atómica liviana decaen más
rápidamente que los elementos pesados. Por tanto para nuestra configuración de
fuentes de alto y bajo voltaje es importante evitar cruces por cero transitorios [1].
2.1.4 Tiempo de vida del arco
El spot catódico tiene dos funciones básicas. Proveer el medio a la descarga por
emisión de materia dentro del gas, y continuidad a la corriente en el cátodo por
emisión de electrones. Los ciclos de formación del spot mencionados
anteriormente no duran indefinidamente. Después de un cierto numero de ciclos
(en general >>1) el arco se extingue abruptamente, y por lo tanto se distinguen dos
tiempos de vida: tiempo de vida del spot τ y tiempo de vida del arco τl. En general,
τl >> τ. La limitación de la vida del arco esta relacionada con los fragmentos de spot,
entre mas pequeño sea el numero de fragmentos de spot que existen
simultáneamente, mas corto es el tiempo de vida del arco τl. Consecuentemente, τl
incrementa con la corriente de arco. De acuerdo con estudios de algunos autores
[1, 5-6-7) los tiempos de vida del arco obedecen a una ley de supervivencia basada
en el hecho de que la probabilidad para extinguirse por unidad de tiempo no
depende del tiempo transcurrido. Esto conduce a una forma exponencial de la
distribución de probabilidad W(τl) para la ocurrencia de un valor dado τl por
unidad de tiempo:
><
−><
=l
l
llW
ττ
ττ exp1)( (1)
donde < lτ > es el valor medio. El valor medio de tiempo de vida del arco
incrementa fuertemente con la corriente de arco, además de la corriente, este valor
Capitulo 2 Desarrollo experimental
40
< lτ > es una función compleja de: a) el estado de la superficie: , b) temperatura
superficial, c) material, d) circuito externo, e) geometría del electrodo, y f) campo
magnético externo.
2.1.5 Tasa de erosión
La tasa de erosión es definida como perdida de masa por carga transportada
(integral corriente-tiempo). La perdida de masa es debida a emisión de iones,
evaporación de átomos neutros, y eyección de gotas, a partir del spot catódico.
Estos componentes dependen de manera diferente de la corriente de arco, duración
de la descarga, temperatura del cátodo, material del cátodo, y campo magnético
externo. Muchas determinaciones experimentales directas de la tasa de erosión
están basadas en las medidas de perdida de masa catódica, lo cual incluye tanto
evaporación como emisión de macropartículas, mientras que las predicciones
teóricas incluyen solo la evaporación. Ha sido determinado por Daalder [8], sin
embargo, que esencialmente toda la erosión es en forma de iones y macro-
partículas, considerando que el vapor neutro es un componente insignificante. Asi
la tasa de evaporación puede ser determinada a partir de medidas experimentales
de la corriente iónica extraída del arco:
Zefm
E nr = (2)
Donde f es la fracción de corriente iónica, y Z es la carga iónica promedio.
En fuentes de plasma pulsado la corriente de iones de plasma Ip es una fracción
casi constante f de la corriente de arco Iarc, donde se ha observado que f varia sobre
un rango aproximado relativamente angosto de 0.07-0.12, [9] para varios
materiales catódicos:
Capitulo 2 Desarrollo experimental
41
arcp fII = (3)
El flujo de iones asociado con esta corriente es:
eQfI
F arci = (4)
Donde e es la carga electrónica y Q el estado de carga iónico medio. Otro factor, ε,
es introducido para considerar la eficiencia del cañón de plasma que resulta ser
menos del 100 % - parte de la corriente de plasma cae sobre el ánodo y sirve para
mantener fluyendo la corriente de arco, y solo una parte del total está disponible
como salida del cañón de plasma. Queda entonces:
eQfI
F arci
ε= (5)
Y, para un arco pulsado de longitud τ, el número de iones es:
eQfI
N arci
ετ= (6)
Como ejemplo, se toma un factor de eficiencia ε=0.5, longitud del pulso τ=500 µs,
f=0.1, una corriente de arco de 100 A, y un estado de carga iónica media de 2.
Resulta así, Ni ≈ 1 x 106 iones por pulso. Si el cañón es usado para deposición y por
simplicidad se asume que el flujo es depositado uniformemente sobre una región
circular de 2 cm de diámetro, entonces la densidad de iones depositados es
aproximadamente ni ≈ 2.5 x 1015 iones /cm2 por pulso, o alrededor de 1 monocapa
por pulso [1].
Capitulo 2 Desarrollo experimental
42
2.1.6 Macropartículas
Las macropartículas son partículas residuales sólidas o líquidas que se producen
en los spots catódicos junto con el plasma. En el modelo de spot catódico de
Jüttner [10] se explica la formación de la partícula a través de la acción de la
presión del plasma sobre el material catódico fundido que está presente entre el
plasma denso y el cuerpo relativamente frío del cátodo. La producción de las
partículas está por lo tanto intrínsecamente conectada con la existencia de los spots
catódicos no estacionarios (figura 3).
Figura 3. Emisión explosiva y formación de macropartículas
Capitulo 2 Desarrollo experimental
43
Las macropartículas son llamadas de esta forma para enfatizar su naturaleza muy
masiva comparada con iones y electrones. Numerosos estudios han sido realizados
para determinar las distribuciones de tamaño y velocidad como una función del
material catódico, la temperatura, duración del arco, amplitud de la corriente, y la
presencia de campos magnéticos externos. [11-12-13].
La distribución de tamaño es muy amplia, desde unos pocos nanómetros hasta
tamaños del orden de micrómetros. Los materiales de punto de fusión bajo tienen
muchas más y más grandes macropartículas. En corrientes bajas (por debajo de 50
A), la perdida de masa ocurre sobre todo en forma de iones (>50 %), y el diámetro
más probable de las macro-partículas está alrededor de 0.1 µm.
2.1.7 Crecimiento de películas en un proceso PVD
Las etapas de crecimiento de una película en un proceso PVD pueden ser
definidas así [14]:
Condensación y nucleación de los adatomos sobre la superficie
Crecimiento de los núcleos
Formación de la interfase
Crecimiento de la película – nucleación y reacción con material
depositado previamente
Figura 4. Ilustración de las etapas de crecimiento de una película en un proceso PVD
Capitulo 2 Desarrollo experimental
44
2.1.7.1 Condensación y nucleación
Los átomos que inciden sobre una superficie en un medio vacío son ya sea
reflejados inmediatamente, re-evaporados después de un tiempo de residencia o
condensados sobre la superficie (figura 4). Si los átomos no reaccionan
inmediatamente con la superficie, ellos tendrán cierto grado de mobilidad
superficial antes de que ellos condensen. Los átomos móviles sobre la superficie
son llamados adatomos. La re-evaporación es una función de la energía de enlace
entre el adatomo y la superficie, la temperatura superficial y el flujo de adatomos
móviles [14].
Movilidad superficial:
La movilidad de un átomo sobre una superficie dependerá de la energía del átomo,
de las interacciones átomo-superficie (enlace químico) y la temperatura de la
superficie. La movilidad en una superficie puede variar debido a cambios en la
química o cristalografía. Los diferentes planos cristalográficos de una superficie
tienen diferentes energías libres superficiales que afectan la difusión superficial.
Esto significa que diversos planos cristalográficos crecerán en diferentes
proporciones durante la condensación de los adatomos.
Nucleación:
Los átomos condensan sobre una superficie por pérdida de energía y enlace con
otros átomos. Ellos pierden energía por reacción química con los átomos de la
superficie del sustrato, encontrando sitios de nucleación preferencial (por ejemplo,
defectos de red, escalones atómicos, impurezas), la colisión con otros átomos
superficiales que difunden y la colisión con especies superficiales por adsorción.
Los átomos que condensan reaccionan con la superficie para formar enlaces
Capitulo 2 Desarrollo experimental
45
químicos átomo- a – átomo. Los enlaces químicos pueden ser por enlace metálico,
enlace electrostática, o por atracción electrostática. Si la interacción átomo-átomo
es fuerte, la movilidad superficial es baja y cada átomo superficial puede actuar
como un sitio de nucleación. Si el enlace químico resultante entre el átomo
condensado y la superficie es fuerte, se dice que el átomo es “quimiabsorbido” [14].
Si la interacción adatomo-superficie es débil, el adatomo tendrá una alta movilidad
superficial y condensará en sitios de nucleación preferencial donde hay enlaces más
fuertes ya sea debido a un cambio en la química (elemental o electrónica) o un
incremento en el número de coordinación. Los sitios de nucleación preferencial
pueden ser: discontinuidades morfológicas superficiales, defectos de red en la
superficie tales como defectos puntuales o límites de grano, otro tipo de átomos
incorporados en la superficie, sitios de carga en superficies aislantes, o áreas
superficiales que tienen diferente química u orientación cristalográfica [14].
2.1.7.2 Crecimiento de núcleos
Los núcleos crecen coleccionando adatomos, estos inciden sobre el núcleo
directamente o migran en la superficie hacia los núcleos. Tres tipos diferentes de
mecanismos de nucleación han sido identificados dependiendo de la naturaleza de
la interacción entre los átomos depositados y el material del sustrato [15-16-17]: (a)
el mecanismo van der Merwe conduce a un crecimiento monocapa por monocapa.
(b) el mecanismo Volmer-Weber caracterizado por una nucleación y crecimiento
tridimensional. (c) el mecanismo Stranski-Krastanov (S-K) donde se forma una
capa superficial alterada por reacción del material depositado, generando una
estructura deformada o pseudomórfica, seguido por la nucleación de cluster sobre
esta capa alterada. Las condiciones para estos tipos de crecimiento son
generalmente descritas en términos de consideraciones termodinámicas y energía
superficial [18-19].
Capitulo 2 Desarrollo experimental
46
2.1.7.3 Formación de la interfase
El material en la región “interfasial”. El material en la región interfacial ha sido
llamado el “material interfase”y sus propiedades son importantes para la
adherencia, propiedades eléctricas y electrónicas de sistemas película-sustrato. El
tipo y grado de la región que compone la interfase puede cambiar con los procesos
de deposición o ser modificada por tratamientos post-deposición. Estas regiones se
categorizan como [20]: abrupta, difusión, compuesta (también requiere difusión),
pseudodifusión, reactivamente calificado, combinación de las anteriores.
Interfase de difusión:
La interfase por difusión está caracterizada por un cambio gradual o gradación en
composición sin formación de compuesto. La interfase de difusión se forma
cuando hay solubilidad sólida mutua entre la película y el material del sustrato y el
tiempo y la temperatura son suficientes para permitir que la difusión ocurra. Si
hay contaminación presente en la superficie, la difusión puede no ocurrir. El grado
de difusión en la interfase depende del tiempo y la temperatura. Las diferentes
tasas de difusión de los materiales de la película y el sustrato pueden crear
porosidad en el material interfase (porosidad Kirkendall). Esta porosidad puede
debilitar el material de la interfase facilitando la fractura y fallas por adherencia.
La interfase de difusión conduce generalmente a la buena adherencia, pero si la
región de reacción es demasiado gruesa, el desarrollo de porosidad puede conducir
a la pobre adherencia. La composición de la interfase, la estructura y el espesor
pueden ser modificados por: (a) limpieza superficial del sustrato y preparación de
la superficie, (b) cambio en la temperatura del sustrato y el tiempo de deposición,
(c) energía en la región superficial durante la deposición.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
47
2.1.7.4 Crecimiento de la película
Las películas crecen por nucleación continuada de átomos que se depositan sobre
material depositado previamente [21] y la superficie va siendo continuamente
cubierta por nuevo material depositado. El crecimiento de la película, así como el
modo de nucleación determinan muchas propiedades de la película tales como
densidad de la película, área superficial, morfología superficial y tamaño de grano.
Los aspectos más importantes en el crecimiento de la película son: (a) rugosidad
superficial y temperatura superficial del sustrato [22] –inicialmente y durante la
formación de la película, (b) movilidad superficial adatomica [23], (c) efectos
geométricos – efectos del ángulo de incidencia, (d) reacción y transporte de masa
durante la deposición (por ejemplo efectos de segregación) [24]. Generalmente a
medida que la película crece, la rugosidad superficial incrementa debido a que
algunos planos cristalográficos crecen más rápidamente que otros.
2.2 SISTEMA DE DEPOSICIÓN POR ARCO PULSADO UTILIZANDO LA
DESCARGA DE UN BANCO DE CAPACITORES
El Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad Nacional de Colombia Sede
Manizales cuenta con un sistema de deposición PAPVD por arco en el que una
cámara construida en acero inoxidable 316 es conectada a un circuito serie RLC (R
= 0.54 Ω L = 2.3 mH, C(Banco de capacitores) = 54 mF). Dentro de la cámara se
encuentran dos electrodos enfrentados en los que se ubica el material de aporte y el
sustrato, cátodo y ánodo respectivamente. El circuito eléctrico está formado por
una fuente de corriente DC a 400 V, 1.5 kilovatios de potencia la cual carga un
banco de condensadores conformado por 15 capacitores de 3600 µF equivalente a
una capacitancia total de 54 milifaradios, luego de que la fuente carga el banco de
capacitores al voltaje requerido, esta es aislada del circuito y el banco de
capacitores es conectado a través de los electrodos como se observa en la figura 5.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
48
Una ignición momentánea (pulso corto 20 kV, 5 mA y 5 ms aproximadamente) es
activada para romper la rigidez dieléctrica del medio y permitir la descarga del
banco de condensadores a través de los electrodos.
Figura 5. Sistema PVD por arco pulsado utilizando la descarga de un banco de
capacitares. Equipo experimental implementado en el Laboratorio de Física del
Plasma
El proceso de deposición se inicia cuando la presión de vacío alcanza un valor
alrededor de 2 x 10-5 mbar. Previo al proceso de deposición se genera una descarga
glow en atmósfera de argón durante 15 minutos aproximadamente con el fin de
garantizar mejor limpieza en la superficie del blanco y el sustrato. A continuación
se alcanza nuevamente presión de vacío del orden de 2 x 10-5 mbar y se introduce
nitrógeno hasta llegar a 2.5 mbar. El banco de capacitores es ahora cargado a un
voltaje típico de 300 V, y descargado a través de los electrodos usando un arreglo
de trigger para iniciar el arco. El tiempo de descarga del banco de capacitores es de
Capitulo 2 Desarrollo experimental
49
aproximadamente 30 ms para 300 V de voltaje de carga. Sucesivos procesos de
carga y descarga del banco de capacitores se llevan a cabo tantas veces como
numero de arcos quieran ser aplicados en el recubrimiento.
Como es posible apreciar en este diseño, el sistema hace uso de uno de los circuitos
más simples utilizados en el desarrollo de fuentes de arco pulsado. Como se
mencionaba en el capitulo anterior se pueden conseguir diseños un poco más
elaborados, los cuales aunque pueden incrementar un poco el costo de fabricación
pueden también ofrecer amplias posibilidades en el manejo y control de variables
de proceso que se traducen en sistemas mas eficientes, con mejor reproducibilidad
y calidad en los resultado obtenidos.
Recubrimientos de TiN crecidos previamente mediante banco de condensadores
[25] han sido considerados dentro de este trabajo con el fin de señalar algunas
diferencias en los resultados de caracterización frente a los resultados obtenidos de
recubrimientos crecidos con la fuente de arcos pulsados.
En la tabla 1 se observan las condiciones de trabajo utilizadas en los recubrimientos
mediante descarga del banco de capacitores.
Identificaci
ón
Presión
(mbar)
Voltaje de carga
del banco de
capacitores (V)
Distancia
interlectródica
(mm)
Número de
descargas
S1 2.2 320 5 1
S2 2.2 320 5 3
S3 2.2 320 5 5
Tabla 1. Condiciones de trabajo utilizadas en la producción de recubrimientos de TiN
mediante descarga del banco de capacitores
Capitulo 2 Desarrollo experimental
50
2.3 IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS PULSADOS
REPETITIVOS
El diseño de la fuente se basa en la disponibilidad de un sistema de alimentación
trifásico como entrada de un convertidor AC/DC completo controlado o puente
trifásico, formado por un arreglo de seis tiristores de control de fase, los cuales
facilitan la variación del voltaje DC a la salida del convertidor. En la siguiente
etapa esta fuente DC suministra la potencia entre electrodos (cátodo: material
blanco y ánodo: pieza a recubrir) necesaria para la formación del arco eléctrico.
Para la formación de arcos pulsados, se hace uso de un dispositivo de potencia
denominado transistor bipolar de compuerta aislada (Insolate Gate Bipolar
Transistor – IGBT) ubicado en un circuito serie con los electrodos de la cámara de
proceso, este dispositivo cuenta con la posibilidad de establecer conmutación en el
flujo de corriente a través de sus terminales, colector – emisor, mediante de una
señal de control que llega a su terminal de compuerta y sobre la cual se aplican los
parámetros de conmutación requeridos en la corriente de colector, representada en
este caso también como corriente de arco (figura 6).
Figura 6. Esquema general del sistema implementado en la fuente de arcos pulsados
repetitivos
Capitulo 2 Desarrollo experimental
51
Es importante tener en cuenta que la señal de compuerta del IGBT debe estar
sincronizada con la señal de disparo de trigger para que se logre formar el arco en
el momento adecuado según los requerimientos de tiempo establecidos para la
secuencia de pulsos. Las señales de control tienen lugar gracias a las facilidades
que ofrece el lenguaje de programación LabVIEW y la versatilidad de un sistema
de adquisición de datos que adapta estas señales al hardware de control.
2.3.1 Conversión ac/dc
El comúnmente denominado rectificador es un circuito que convierte una señal de
corriente alterna en una señal de corriente directa, estos circuitos pueden ser
monofásicos o trifásicos dependiendo del sistema de alimentación utilizado.
Generalmente están formados por dispositivos de potencia denominados diodos,
con los cuales se logra un voltaje de salida fijo, sin embargo es posible también
acceder a un voltaje de salida dc controlado haciendo uso de dispositivos
denominados tiristores de control de fase en lugar de los diodos convencionales. El
tiristor opera como conmutador biestable, pasando de un estado no conductor a un
estado conductor, se activa aplicándole un corto pulso a su terminal de compuerta
y se desactiva debido a la conmutación natural o de línea. Dado que estos
rectificadores controlados convierten ac en dc, se conocen también como
convertidores ac/dc, y son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales
[26].
En este trabajo se ha implementado un convertidor ac/dc trifásico completo
controlado como se observa en la figura 6. El par de tiristores conectados entre el
par de líneas de alimentación que tengan la diferencia de potencial instantáneo
más alto de línea a línea son los que conducen, sin embargo, los tiristores solo
entran en estado de conducción cuando además de establecerse la condición
anterior, son disparados a través de una señal de control que llega a su terminal de
Capitulo 2 Desarrollo experimental
52
compuerta, en cuyo caso el nivel de voltaje a la salida del rectificador se hace
función del retraso o ángulo de disparo de los tiristores.
Figura 7. Secuencia de disparo para los tiristores en un convertidor trifásico
completo controlado
Este convertidor genera componentes ondulatorias de seis pulsos en el voltaje de
salida (figura 7), teniendo en cuenta la numeración asignada en la figura 6 la
secuencia de conducción para los tiristores es 1-6, 6-2, 2-4, 4-3, 3-5, y 5-1. Cada
uno de ellos conduce durante 120°.
Si los voltajes línea a línea se definen mediante las siguientes expresiones:
+=−=
63 πωtsenVvvv mbnanab (7)
Capitulo 2 Desarrollo experimental
53
−=−=
23 πωtsenVvvv mcnbnbc (8)
+=−=
23 πωtsenVvvv mancnca (9)
El voltaje promedio de salida se determina a partir de:
∫∫+
+
+
+
+==
απ
απ
απ
απ ωπω
πω
π2
6
2
6
)(6
33)(3 tdtsenVtdvV mabcd (10)
απ
cos33 m
cdV
V = (11)
Esta última expresión (ec. 11) representa así la dependencia del voltaje promedio a
la salida del puente rectificador con el ángulo de disparo de los tiristores [27].
Con el fin de obtener una señal de disparo adecuada en el ángulo de retraso α
requerido, se ha implementado un sistema de detección de cruce por el cero donde
cada voltaje línea a neutro es llevado a través de un transformador reductor hasta
un circuito modulador de ancho de pulso (PWM). Con este circuito se consigue
transformar el semiciclo positivo de la sinusoide de entrada en una señal diente de
sierra, de tal forma que la comparación de esta última con un voltaje de referencia
(Vref) genere una forma de onda rectangular cuyo flanco de subida se desplaza a
partir del cruce por cero un ángulo α a medida que la señal de referencia varía
desde 0 V hasta la amplitud máxima de la señal diente de cierre (-10 V),ver figura
8, esta amplitud tiene lugar 180° (8.3 ms) más adelante a partir del cruce por cero
inicial [27]. Bajo estas condiciones el ángulo de retraso, ahora representado con el
flanco de subida de la señal rectangular, debe ser expresado en función del voltaje
Capitulo 2 Desarrollo experimental
54
de referencia requerido, como se puede observar en la figura 8 esta expresión no es
más que la ecuación utilizada para describir la diagonal en la forma de onda
triangular:
Figura 8. Formación de la señal de control para tiristor
xmy ×= (12)
) V/ms)( 2.1( xy −= (13)
Definiendo x como el ángulo de disparo α y y como el voltaje de referencia
correspondiente, se parte de la ecuación (13) para expresar el voltaje promedio a la
salida del puente rectificador en función del voltaje de referencia. De (11) se tiene:
radVar cd ))10*56.3(cos( 3−=α (14)
VVarV cdref )))10*56.3(cos((168.3 3−−= (15)
Capitulo 2 Desarrollo experimental
55
Esta expresión es evaluada a partir del voltaje promedio de salida ingresado por el
usuario haciendo uso de las herramientas que proporciona el lenguaje de
programación LabVIEW, se genera luego la salida de un voltaje análogo a través del
sistema de adquisición de datos, este voltaje ingresa al hardware de control ocmo
voltaje de referencia para manejo del ángulo de disparo. Una vez formada la señal
de disparo, esta es llevada hasta el terminal de compuerta de los tiristores a través
de trasformadores de impulsos los cuales proporcionan el aislamiento adecuado
entre la etapa de control y la etapa de potencia [28]. En la figura 9 se observa la
forma de onda del voltaje de salida del puente rectificador implementado
utilizando un ángulo de disparo de α = 0° y α = 45°.
Figura 9. Forma de onda del voltaje de salida para a) α = 0˚ y b) α = 45˚
Capitulo 2 Desarrollo experimental
56
2.3.2 Conmutación DC
La salida DC del puente rectificador está ahora disponible para ser usada como
fuente de alimentación en la formación del arco eléctrico. Para la conmutación de
este suministro DC a través un par de electrodos dentro de la cámara de proceso se
ha usado el transistor bipolar de compuerta aislada (Insulated Gate Bipolar
Transistor – IGBT) como elemento de potencia, este dispositivo tiene la facilidad
de conmutar corrientes muy fuertes con un mínimo de pérdidas y a una velocidad
razonable. El IGBT cuenta básicamente con tres terminales, colector (C), emisor
(E) y compuerta o gate (G), dependiendo de su polaridad existen IGBTs NPN y
PNP, en esta aplicación particular se ha utilizado un dispositivo tipo NPN. Cuando
es aplicado un voltaje de compuerta VGE = -7 V, circula una corriente de fuga (ICES)
muy débil entre colector y emisor y el IGBT está esencialmente bloqueado. Si el
voltaje positivo de compuerta aumenta llegando a un punto en el cual se supera un
valor umbral (VGE(th)), el dispositivo entra en conducción, permitiendo la
circulación de la corriente de colector (IC) [28]. Como se observa en la figura 2 la
corriente de colector del IGBT corresponde a la corriente de arco que circula a
través de los electrodos, por lo tanto la conmutación controlada de la corriente de
colector a través de la señal de compuerta permite la conmutación del arco con
parámetros establecidos por el usuario.
La señal de compuerta del IGBT es un tren de pulsos que se genera a partir de las
herramientas de programación en LabVIEW, siendo posible la modificación de
parámetros tales como número de pulsos, tiempo de pulso sostenido y tiempo
inactivo entre pulso y pulso, de acuerdo a valores ingresados por el usuario a través
de la interfaz gráfica de usuario. El tren de pulsos se hace disponible gracias a la
salida digital del sistema de adquisición de datos. Sin embargo, considerando que
las señales de control utilizadas en el manejo de dispositivos de potencia deben
contar con algunas características particulares, es necesario contar con el hardware
auxiliar que permita el acoplamiento adecuado de la señal desde la salida del
Capitulo 2 Desarrollo experimental
57
sistema de adquisición de datos hasta el terminal de compuerta del IGBT. Este
módulo de control provee una señal con especificaciones de corriente adecuadas
para la compuerta del IGBT. Si estas señales no tienen suficiente potencia, el IGBT
no conmutará apropiadamente, y pueden ocurrir pérdidas adicionales o incluso la
destrucción del IGBT. Este módulo cuenta además con un circuito que monitorea
el voltaje colector-emisor VCE, de tal forma que si es detectado ya sea un corto
circuito o mal funcionamiento de VS (Alimentación del módulo), una memoria de
error bloquea la transmisión de todas las señales de encendido para el IGBT y
genera una señal de alarma.
En esta aplicación son conectados 3 IGBT’s en paralelo para alcanzar un manejo de
corriente de 300 A aproximadamente, en caso de que se requiera superar este valor
pueden ser conectados dispositivos IGBT’s adicionales en paralelo.
2.3.3 Disparo de trigger
Una fuente de 15 V, 3 A se conecta a través del primario de un auto-transformador
elevador generando en el secundario un pulso de aproximadamente 20 Kv, 5 mA, la
chispa producida en el cátodo inicia la formación del arco al romper la rigidez
dieléctrica del medio. Un transistor de media potencia es conectado en serie con el
embobinado primario del auto-transformador elevador, de tal forma que una señal
de control de 0V en la base del transistor mantiene al transistor bloqueado, cuando
se aplica un nivel de 5 V a la base, el transistor entra en conducción y se genera la
chispa en terminales del secundario (ubicados en el cátodo del sistema).
Finalmente, para lograr la formación del arco en el momento adecuado se debe
sincronizar la señal de control para disparo de trigger con el flanco de subida de la
señal de control para activación del IGBT. La sincronización vía software establece
primero conducción en el IGBT y después la activación del trigger.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
58
2.3.4 Configuración exterior de la fuente de arcos pulsados
En la figura 10 se observa la distribución exterior final de la fuente de arcos pulsado
(Anexo 1). En el módulo lateral izquierdo ha sido ubicada la etapa de potencia cuya
numeración en la figura corresponde a la siguiente descripción:
1. Breaker
2. Visualizadores de voltaje DC (salida del convertidor AC/DC) y amperímetro
DC.
3. Contactor para etapa de potencia
4. Tiristores (T1 - T4) y disipadores. Los módulos 2, 3 y 4 conforman el
convertidor AC/DC. (Anexo 2)
5. Tiristores (T2 - T5) y disipadores
6. Tiristores (T3 - T6) y disipadores
7. Contactor para etapa de control e interruptores
8. IGBT con su respectivo driver. (Anexo 3)
9. Resistencias para sensar corriente de arco
10. Fuente y embobinado para trigger
En la parte lateral derecha se encuentra instalada la etapa de control. La
numeración en la figura 10 corresponde a la siguiente descripción:
11. Tablero de mando.
12. CPU
13. Módulo de conexión del sistema de adquisición de datos. (Anexo 4)
14. Módulo de reserva
15. Tarjeta de control para disparo de trigger. (Anexo 5)
16. Tarjeta de control para convertidor AC/DC. (Anexo 6)
17. Fuentes de alimentación para etapa de control. (Anexo 7)
18. Transformadores reductores
Capitulo 2 Desarrollo experimental
59
Figura 10. Distribución exterior de los componentes (vista frontal)
La configuración exterior del tablero de mando es observado en la figura 11, a
continuación se describen los componentes. El esquema de circuito eléctrico es
ilustrado en los anexos 8 y 9):
1. Selector con llave de dos posiciones para encender o apagar la etapa de
control
2. Pulsador luminoso verde para encendido de la etapa de control.
3. Pulsador luminoso rojo para desactivar la estapa de control
4. Pulsador luminoso verde para encendido de la fuente de trigger
5. Pulsador luminoso rojo para desconectar la fuente de trigger
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 15 16 17 18
Capitulo 2 Desarrollo experimental
60
6. Pulsador luminoso verde para activar la etapa de potencia
7. Pulsador luminoso rojo para desconectar la etapa de potencia (entrada
trifásica al convertidor AC/DC)
8. Pulsador en hongo con paro de emergencia, suspende la entrada de potencia
(trifásica).
9. Selector de dos posiciones con el que se establece la variación manual o
automática del voltaje DC.
10. Potenciómetro para hacer variación manual del voltaje DC requerido.
Figura 11. Distribución exterior de los elementos en el tablero de control
2.3.5 Configuración final – Software de control
El software desarrollado mediante lenguaje de programación LabVIEW para el
manejo de algunos parámetros en la fuente de arcos pulsado, es ejecutado
mediante la interfaz gráfica mostrada en la figura 12 (Anexo 10). Las etapas son
descritas a continuación:
Capitulo 2 Desarrollo experimental
61
Voltaje DC: Fija el voltaje DC requerido entre electrodos, permitiendo
hacer variaciones entre 0 V y 280 V rms.
Arcos pulsados: Fija el número de arcos consecutivos, el tiempo de arco
activo (ms), el tiempo de arco inactivo (ms). Contiene un led que se activa
cuando se presenta señal de error en el monitoreo de VCE o alimentación
del módulo de control para el IGBT.
Manejo de datos: Permite almacenar o tener acceso a la fecha y los datos
manejados en un procedimiento específico.
Más información: Contiene información extra acerca del manejo de la
aplicación.
Figura 12. Interfaz gráfica del software desarrollado para manejo de la fuente de
arcos pulsados
Capitulo 2 Desarrollo experimental
62
2.4 CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA LA PRODUCCIÓN DE
RECUBRIMIENTOS DE TiN CON FUENTE DE ARCOS PULSADOS
El sistema de deposición utilizado básicamente comprende las partes mencionadas
para el experimento con banco de condensadores, estos son: cámara en acero
inoxidable 316, un par de electrodos enfrentados (ánodo: portamuestras y cátodo:
target), entrada de gases, sensores, bomba mecánica y turbo molecular. En este
caso los terminales de salida de la fuente, + / -, son conectados a los electrodos
(portamuestras y target respectivamente), la cámara no se conecta a tierra y es
aislada del resto del sistema.
Para producir los recubrimientos de TiN se ha usado un target de Ti con 99.999%
de pureza, ubicado sobre el cátodo, el sustrato (probeta de acero inoxidable 304) es
localizado sobre el ánodo a una distancia de 7 mm del target. La cámara alcanza
inicialmente una presión de vacío de 2 x 10-4 mbar, se lleva a cabo el calentamiento
del substrato hasta 200 °C, posteriormente se introduce nitrógeno (N) hasta
establecer una presión de 2.5 mbar, finalmente se ejecutan los pasos a continuación
mencionados para la formación de arcos eléctricos consecutivos:
1. Llevar a ON el breaker ubicado en la parte lateral izquierda de la consola.
2. Encendido del computador
3. Llevar a ON el selector para tensión general (figura 11).
4. Ingreso al software de trabajo utilizando el icono “PAS110”
5. Para el control de voltaje, llevar el selector de dos posiciones a modo manual
o automático, si se desea trabajar en modo manual se debe variar el
potenciómetro hasta visualizar en el voltímetro (figura 10) el voltaje
requerido, en caso de trabajar bajo el modo automático se debe fijar el
voltaje requerido a través de software.
6. Pulsar el botón de arranque (verde) de la etapa de control.
7. Pulsar el botón de arranque (verde) del trigger.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
63
8. Pulsar el botón de arranque (verde) de la etapa de potencia.
9. Correr el software cuya interfaz está disponible en el computador
10. Ingresar el valor de voltaje promedio requerido entre electrodos. Pulsar el
botón aceptar.
11. Verificar a través del visualizador de voltaje DC (voltímetro DC – figura 10)
el valor de voltaje DC disponible a la salida del convertidor AC/DC.
12. Ingresar el número de arcos, el tiempo de arco activo e inactivo. Pulsar el
botón aceptar.
13. Una vez finalizada la secuencia de arcos el programa automáticamente lleva
a cero todas las variables, quedando disponible para la ejecución de otro
procedimiento con el ingreso de nuevos valores.
14. En caso de que se desee finalizar toda la sesión de trabajo, pulsar el botón de
parada (rojo) de la etapa de potencia, pulsar el botón de parada (rojo) de
trigger, pulsar el botón de parada (rojo) de la etapa de control, en el orden
que ha sido mencionado.
15. Llevar el selector de tensión general a cero.
16. Cerrar el software de control
17. Llevar a OFF el breaker de alimentación general en la parte lateral izquierda
de la consola.
18. En caso de que durante el período de operación se presente alguna falla en el
sistema se debe pulsar inmediatamente el paro de emergencia y llevar a OFF
el breaker de alimentación general.
En la tabla 2 se identifican las muestras y se resumen las condiciones de proceso
utilizadas en la producción de recubrimientos de TiN con la fuente de arcos
pulsados.
Capitulo 2 Desarrollo experimental
64
Identificaci
ón
Distancia
interelectr
ódica
(mm)
Voltaje
(V)
Número
de arcos
Tiempo de
arco activo
(s)
Tiempo de
arco inactivo
(s)
M1 7 265 1 1 1
M2 7 265 3 1 1
M3 7 265 5 1 1
M4 7 265 7 1 1
M5 7 265 3 0.6 1
M6 7 265 3 1 1
M7 7 265 3 1.4 1
M8 7 265 3 1.8 1
Tabla 2. Identificación de las muestras obtenidas y descripción de las condiciones de
trabajo en la producción de recubrimientos de TiN con fuente de arcos pulsados
REFERENCIAS
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Capitulo 2 Desarrollo experimental
66
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26. M. H. Rashid. “Electrónica de potencia; circuitos, dispositivos y aplicaciones”,
segunda edición. Ed. Prentice may. México. 1995.
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eléctricos pulsados”, Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, 2001.
28. M. Melito, A. Galluzzo. “An introduction to IGBT’s”. STMicroelectronics, 1999.
3
RESULTADOS
PRODUCCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DE TiN CON FUENTE DE
ARCOS PULSADOS Y CARACTERIZACIÓN
3.1 RESUMEN DE RESULTADOS
Como resultado del desarrollo experimental mencionado en el capítulo anterior se
ha obtenido la implementación de una fuente de arcos eléctricos pulsados
repetitivos para un proceso PAPVD, desarrollando los circuitos de control y
potencia necesarios, así como el software requerido para llevar a cabo un manejo
automático de las variables a establecer tales como: Voltaje entre electrodos,
número de arcos aplicados, tiempo de arco activo, tiempo de arco inactivo. Esta
fuente permite hacer una variación de voltaje entre electrodos desde 0 V hasta 280
V rms, con una corriente de trabajo máximo hasta de 150 A, valores superiores
pueden ser alcanzados hasta 400 A, sin embargo para este caso se deben tener en
cuenta factores adicionales como son el acondicionamiento de filtros AC y la
disponibilidad de potencia necesaria desde la alimentación trifásica (actualmente
Capítulo 3 Resultados
69
es utilizado un transformador de 30 kVA de potencia máxima). El tiempo de arco
activo está limitado en su valor mínimo por el tiempo de respuesta del circuito,
principalmente el tiempo mínimo necesario para que el proceso de formación del
arco tome lugar dentro de las condiciones de trabajo establecidas (presión, material
blanco, gas de trabajo, entre otros), el tiempo de arco inactivo entre electrodos
puede tomar cualquier valor teórico, sin embargo se debe tener en cuenta que su
valor mínimo está sujeto al tiempo de extinción del arco para las condiciones de
trabajo empleadas (principalmente material blanco y gas de trabajo), un tiempo de
arco inactivo muy bajo puede llegar a convertir la fuente en un sistema de arco
continuo donde se deben tener consideraciones importantes de disipación de calor,
perdiendo de alguna manera una de las ventajas de las fuentes de arco pulsado.
Teniendo en cuenta las condiciones ya mencionadas se ha sugerido dentro de las
especificaciones de trabajo de la fuente un tiempo de arco activo mínimo del orden
de 10 ms y tiempo de arco inactivo mínimo de 500 ms.
Luego de la implementación de esta fuente han sido llevados a cabo algunos
experimentos que corroboran la aplicación de la misma en la producción de
recubrimientos duros, para tal caso se han producido recubrimientos de nitruro de
titanio (TiN) bajo condiciones ya mencionadas en el segundo capítulo, estos
recubrimientos han sido caracterizados mediante técnicas como XRD, AFM, XPS,
SEM, encontrando también valores aproximados de espesor. Mediante el proceso
de caracterización se establecen las principales propiedades de los recubrimientos
crecidos con la fuente de arcos pulsados, notando particularmente las diferencias
que se generan frente a los recubrimientos crecidos mediante el sistema tradicional
por descarga de banco de capacitares.
3.2 FORMACIÓN DE ARCOS ELÉCTRICOS PULSADOS REPETITIVOS
Algunas curvas de voltaje a través de los terminales de ánodo (sustrato) y cátodo
(target) han sido obtenidas para diferentes configuraciones de tiempo de arco
Capítulo 3 Resultados
70
activo e inactivo durante el proceso de formación de arcos eléctricos pulsados, el
registro de las formas de onda es mostrado en la figura 1, la medida de tiempo
sobre el eje X a través de cursores permite confirmar que el período de tiempo
establecido automáticamente corresponde con los períodos de tiempo reales
durante la aplicación del tren de pulsos (arcos) que generan el recubrimiento.
a)
b)
Capítulo 3 Resultados
71
Figura 1. Registro de voltaje a través de los terminales ánodo y cátodo para un
proceso aplicando 3 arcos consecutivos para los siguientes valores de tiempo de arco
activo e inactivo a) ta= 1 s, ti= 1 s, b) ta= 0,5 s, ti= 1 s, c) b) ta= 0,8 s, ti= 2 s,
Cuando se inicia la formación del arco y cuando este se extingue se puede observar
la formación del dv/dt (figura 1), el cual alcanza valores de voltaje de 300 V. Los
dispositivos de potencia han sido configurados con circuitos auxiliares para evitar
daños por este efecto.
Tal y como lo indica la figura 1a, el voltaje de arco oscila alrededor de 16 V
aproximadamente para las condiciones de material catódico y corriente utilizadas
en este trabajo. En la literatura se asume que el voltaje de arco es
aproximadamente igual a la caída de voltaje del cátodo. Este valor incrementa con
la temperatura de fusión del cátodo (energía de enlace) desde 8-9 V para cátodos
de Hg hasta 22-28 V para cátodos de W. Este voltaje también incrementa
levemente con la corriente de arco. Desde el punto de vista teórico se han
c)
Capítulo 3 Resultados
72
encontrado dos aproximaciones a partir de las cuales se puede derivar la caída de
voltaje del cátodo, estas son [1]:
• Asumir que la caída de voltaje es determinada por el primer
potencial de ionización del material catódico.
• Asumir que la caída de voltaje es determinada por la resistencia
Ohmica en la región de transición de metal a plasma.
3.3 MEDIDA DE ESPESOR EN LOS RECUBRIMIENTOS DE TiN
Para medir el espesor de los recubrimientos las probetas son empaquetadas dentro
de láminas delgadas y resina con el fin de brindar mayor rigidez a la muestra
durante el proceso de corte, este se lleva a cabo utilizando disco de diamante por un
período de 4 horas aproximadamente. Finalmente se hace pulido del corte
transversal y después de limpieza en cuba ultrasónica se obtiene la micrografía
SEM. Las imágenes son generadas por emisión de electrones retrodispersados en
un equipo JEOL JSM 5910. La figura 2 destaca dos de las micrografias obtenidas
para realizar medida de espesor. Los valores de espesor encontrados en los
recubrimientos aparecen en las figuras 3 y 4 como función del número de arcos
aplicados y del tiempo de arco activo, respectivamente. Un comportamiento
creciente en ambas figuras ilustra que efectivamente hay un incremento en la tasa
de deposición cuando aumenta el número de arcos aplicados y el tiempo de
deposición. Los valores de espesor encontrados sugieren una tasa de deposición de
aproximadamente 1.2 µm/s, (corriente de arco: 70 A), mientras que para el sistema
con descarga del banco de condensadores esta es de aproximadamente 0.1
µm/descarga (corriente de arco: 180A), (figura 5), donde la descarga tiene una
duración de 30 ms aproximadamente.
Capítulo 3 Resultados
73
Figura 2. Micrografías SEM de secciones transversales para medir el espesor del
recubrimiento de TiN en una muestra crecida con fuente de arcos pulsados , 5 arcos
consecutivos y tiempo activo de 1 s.
Figura 3. Espesor Vs número de arcos aplicados para recubrimientos crecidos con
fuente de arcos pulsados
1 2 3 4 5 6 70,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Esp
esor
(um
)
Número de arcos aplicados
2.8 µm 2.76 µm
Capítulo 3 Resultados
74
Figura 4. Espesor Vs. Tiempo de arco activo para recubrimientos crecidos con fuente
de arcos pulsados
Figura 5. Espesor Vs. Número de arcos aplicado para recubrimientos crecidos con
banco de capacitores
3.4 DIFRACCIÓN DE RAYOS X: Los experimentos de difracción de polvos de rayos x fueron realizados usando un
difractómetro Bruker AXS (D8 Advanced) con radiación CuKα en 40 kV y 30 mA y
1 2 3 4 5
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Esp
esor
(um
)
Número de arcos aplicados
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,81,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
Esp
esor
(um
)
Tiempo de arco activo (s)
Capítulo 3 Resultados
75
monocromador de grafito en el plano secundario colocado frente al detector de
centelleo. Ha sido aplicado un arreglo con geometría asimétrica con haz a
incidencia rasante. El esquema del arreglo es representado en la figura 6. Cuando
es aplicada la geometría de haz a incidencia rasante los planos cristalográficos que
están en la posición Bragg están inclinados a la superficie formando con esta un
ángulo ψ = θ - α, donde α es el ángulo incidente (ver figura 6). Para esta geometría
los haces, el incidente y el difractado no son simétricos con respecto a la normal de
la superficie (N) y el registro del patrón de difracción es realizado manteniendo α
= constante y efectuando únicamente rotación 2θ del detector [2].
Figura 6. Arreglo geométrico en difracción de rayos X usando haz a incidencia rasante
Los patrones de difracción han sido obtenidos a un ángulo de incidencia α = 2° y un
rango de barrido 2θ = 30° a 80°. A partir de los datos obtenidos se evalúan
resultados acerca de identificación de fases, parámetro de red, textura
cristalográfica, y ensanchamiento de los picos de difracción (FWHM), relacionado
con imperfecciones en la red cristalina.
Fuente de rayos X
Superficie de la muestra
Rayos X difractados
Capítulo 3 Resultados
76
Figura 7. Patrones de difracción de rayos X de recubrimientos de TiN crecidos
mediante fuente de arcos pulsados variando el tiempo de arco activo a) 0.6 s, b) 1 s, c)
1.4 s, d) 1,8 s.
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
160
TiN (222)
TiN (311)+S
S
TiN (220)S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
TiN (222)
TiN (311)+S
TiN (220)
S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
TiN (222)
STiN (311)
TiN (220)
S
STiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
30 40 50 60 70 800
50
100
150
200
TiN (222)
TiN (311+S)
TiN (220)
S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
a)
b)
c)
d)
Capítulo 3 Resultados
77
3.4.1 Identificación de la fase TiN
En la figura 7 se aprecian cuatro patrones de difracción de rayos X
correspondientes a recubrimientos TiN crecidos con fuente de arcos pulsados sobre
los cuales se ha variado el tiempo de arco activo ((a) 0,6 s, b)1 s, c) 1,4 s, d) 1,8 s).
La figura 8 presenta también patrones de difracción de rayos X de muestras
crecidas con fuente de arcos pulsados pero ahora obtenidos modificando el número
de arcos aplicados (a) 1 arco, b) 3 arcos, c) 5 arcos, d) 7 arcos), paralelamente en
esta misma figura es posible observar los difractogramas previamente obtenidos de
recubrimientos de TiN producidos mediante descarga del banco de condensadores
los cuales se diferencian por el número de descargas (e) 1 descarga, f) 3 descargas,
g) 5 descargas) [3], aquí se pueden distinguir los cambios que aparecen en la
estructura cristalina de TiN cuando se realiza el proceso utilizando la nueva fuente
de arcos eléctricos pulsados. En la identificación de fases presentes los
recubrimientos señalan patrones típicos de materiales policristalinos donde se ha
crecido la fase γ-TiN. Las posiciones teóricas de los picos para esta fase son
tomadas de los estándares de difracción de polvos emitidos por el Centro
Internacional para Datos de Difracción (ICDD No. 38-1420), el cual ha sido
sobrepuesto al patrón experimental en la figura 7a. La estructura cristalina
corresponde a un sistema cúbico fcc, grupo espacial Fm3m, cuyo parámetro de red
es reportado en las tablas 1, 2 y 3 para las muestras crecidas, incluyendo las
muestras crecidas con banco de condensadores. Los parámetros de red fueron
calculados haciendo un ajuste al patrón de difracción de rayos X utilizando
funciones Pearson V y siguiendo el algoritmo Pawly, a través de las herramientas
que brinda el software denominado Topas R [4] . El incremento en el espesor de la
película puede ser relacionado con el decremento en la intensidad del pico γ-Fe
(111), (sustrato), observado a lo largo de los patrones de difracción en las figuras 7 y
8.
La tabla 1 por su parte indica un ligero decremento en el parámetro de red con el
incremento en el número de arcos aplicados, así como con el incremento en el
Capítulo 3 Resultados
78
tiempo de arco activo, reflejando valores más bajos que los encontrados para
recubrimientos con banco de capacitores, los cuales tienden también a decrecer con
el número de descargas. Aparentemente nos encontramos con un decremento en el
parámetro de red a medida que se incrementa el espesor del recubrimiento.
Experimentos realizados por Yokota et al. [5] sugieren un incremento en la dureza
del recubrimiento para decrementos en el parámetro de red, en cuya relación han
encontrado que para mayores valores de dureza el parámetro de red de TiN está
alrededor de 0.423 nm mientras que para menores valores de dureza el parámetro
de red está alrededor de 0.426 nm, considerando estos reportes y los valores
encontrados en este experimento, así como los valores de espesor ya mencionados,
se propone un incremento en la dureza de los nuevos recubrimientos frente a
aquellos depositados previamente en este laboratorio.
Tabla 1. Parámetro de red de TiN
crecido con fuente de arcos pulsados
variando número de arcos aplicados
Tabla 3. Parámetro de red de TiN crecido con descarga de banco de capacitares
variando número de arcos aplicados
(No de arcos) Parámetro de red (A)
1 4,246 ± 0,006
3 4,239 ± 0,001
5 4,236 ± 0,001
7 4,232 ± 0,004
(Tiempo activo) Parámetro de red
(A)
0.6 s 4,241 ± 0,003
1 s 4,239 ± 0,001
1.4 s 4,238 ± 0,002
1.8 s 4,235 ± 0,002
Tabla 2. Parámetro de red de TiN
crecido con fuente de arcos pulsados
variando tiempo de arco activo
(No de arcos) Parámetro de red
1 4,289 ± 0,005
3 4,270 ± 0,002
5 4,268 ± 0,001
Capítulo 3 Resultados
79
Por otra parte corrimientos de los picos de difracción hacia mayores valores de
distancia interplanar “d” respecto a valores teóricos (ICDD – No. 38-1420) indican
en la figura 8e que para recubrimientos crecidos con banco de capacitares se tiene
lugar a un estado de stress compresivo, sin embargo para los recubrimientos
crecidos con fuente de arcos pulsados prácticamente no se presentan corrimientos
(figura 8a), en este punto nos podemos referir a estudios realizados por Chou et al
[6] quienes reportan que el stress residual compresivo en recubrimientos de TiN
decrece con el incremento en el espesor de la película, siendo un caso similar
reportado en películas de ZrN [7]. Se ha encontrado que para recubrimientos
crecidos con banco de condensadores aplicando 5 descargas consecutivas, el
corrimiento es menor que para recubrimientos aplicando 1 descarga (menor
espesor), por lo tanto para el caso de los recubrimientos con fuente donde el
espesor es mayor, aun aplicando un arco, el corrimiento prácticamente tiende a
desaparecer. Estos autores [7] sugieren que el decremento del stress residual
puede estar relacionado con la influencia de la orientación (111) y la orientación
(200), disminuyendo cuando la orientación (111) se hace más importante a medida
que el espesor crece, pues la constante elástica en la dirección <111> es más
pequeña que aquella en la dirección <200>.
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
160
180
TiN (311)+STiN (220)
S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)30 40 50 60 70 80
0
20
40
60
80
100
120
S TiN (311)STiN (220)
S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
a) e)
Capítulo 3 Resultados
80
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
TiN (222)
S TiN(311)S
TiN (220)
S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
Figura 8. Patrones de difracción de rayos X de recubrimientos TiN crecidos mediante
fuente de arcos pulsados para a) 1 arco b) 3 arcos c) 5 arcos d) 7 arcos, y
recubrimientos TiN crecidos con descarga de banco de capacitores e) 1 descarga f) 3
descargas g) 5 descargas
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
TiN (222)
TiN (311)+S
S
TiN (220)S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
TiN (222)
TiN (311)+S
TiN (220)
S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)30 40 50 60 70 80
0
20
40
60
80
TiN (222)
S TiN (311)S
TiN (220)S
S
TiN (200)
TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
120
140
160
STiN (311)
TiN (222)
TiN (220)
S
S
TiN (200)TiN (111)
Inte
nsid
ad (C
ps)
2-theta (grados)
c) g)
d)
b) f)
Capítulo 3 Resultados
81
3.4.2 Textura
Los patrones de difracción de rayos X incluidos en las figuras 7 y 8 indican un
cambio en las intensidades de los picos de difracción correspondientes a las
reflexiones (111) y (200) del TiN cuando aumenta el número de arcos aplicados y el
tiempo de arco, teniendo en cuenta la relación previamente presentada entre estos
parámetros y el incremento en el espesor de los recubrimientos obtenidos se
estiman pertinentes a este caso algunos reportes bibliográficos [8,9] en los que se
describe la evolución en la orientación de las películas por efecto del incremento en
el espesor de las mismas como consecuencia de la relación entre la energía de
superficie y la energía de deformación. Inicialmente cuando la etapa de nucleación
y crecimiento temprano tienen lugar se distinguen fundamentalmente
orientaciones aleatorias, una vez el proceso de deposición continúa, la orientación
preferencial (200) es la favorable energéticamente para reducir la energía de
superficie. A medida que el espesor de la película sigue incrementando, la energía
de deformación es mayor y finalmente impide que los granos ya deformados sigan
creciendo. En esta etapa, el crecimiento de la película favorece la orientación
preferencial (111) dado que esta presenta la energía de deformación más baja; el
crecimiento establece una textura cristalográfica tendiente a minimizar la energía
total del sistema. La topología superficial del recubrimiento ilustrada más adelante
en la figuras 15 y 16, describe una estructura de colinas y valles con montículos que
se van inclinando alrededor de 50 ˚ ± 15˚ a la normal de la superficie a medida que
aumenta el espesor. Se menciona en algunos estudios [10] que esta inclinación es
la que permite la relajación de esfuerzos en los granos, y que finalmente el estado
de relajación alcanzado es ilustrado con el aumento en la reflexión (111).
El grado de orientación preferencial (111) es cuantificado a través del coeficiente de
textura dado por:
[ ])200()111()111(
IIICT+
=
Capítulo 3 Resultados
82
Donde I es la intensidad integrada de los correspondientes picos de difracción.
En la figura 9 se ilustra el incremento en el coeficiente de textura en función del
espesor de la película (variando el número de arcos aplicados), por debajo de un
espesor de aproximadamente 2 µm se presenta un estado de nucleación inicial
aleatorio seguido por un crecimiento dominado por la orientación (200), por
encima de 2 µm de espesor se favorece el crecimiento de la reflexión (111) hasta
que por encima de un espesor crítico de aproximadamente 3 µm esta reflexión (111)
se hace dominante y el coeficiente de textura alcanza valores importantes alrededor
de 0,7. Sin embargo como se observa en la figura 10 no es posible observar esta
transición para recubrimientos obtenidos con descarga del banco de capacitares, ya
que una menor tasa de deposición implica espesores no mayores a 0.4 µm, de tal
forma que se mantiene la orientación (200) más favorable y el coeficiente de
textura permanece casi constante por debajo de 0,4.
Figura 9. Coeficiente de textura en función del número de arcos aplicados para
recubrimientos obtenidos mediante fuente de arcos pulsados
1 2 3 4 5 6 70,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
Coe
ficie
nte
de te
xtur
a
Número de arcos aplicados
Capítulo 3 Resultados
83
Figura 10. Coeficiente de textura en función del número de arcos aplicados para
recubrimientos obtenidos mediante descarga del banco de capacitores
Figura 11. Coeficiente de textura en función del tiempo de arco activo para
recubrimientos obtenidos mediante fuente de arcos pulsados
La figura 11 igualmente ilustra el coeficiente de textura Vs el espesor de la película,
pero ahora para muestras crecidas variando el tiempo de arco activo, el coeficiente
de textura incrementa con el tiempo de arco activo, sin embargo para las
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,80,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
Coe
ficie
nte
de te
xtur
a
Tiempo de arco activo (s)
1 2 3 4 50,24
0,26
0,28
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,40
Coe
ficie
nte
de te
xtur
a
Número de arcos aplicados
Capítulo 3 Resultados
84
condiciones de trabajo utilizadas (Número de arcos, tiempo de arco y corriente de
arco) solo se alcanza el espesor crítico después de un tiempo de arco activo de 1,4 s
para dar lugar a la orientación preferencial (111), es importante tener en cuenta que
estos recubrimientos han sido obtenidos aplicando 3 arcos consecutivos. Las
barras de error que se distinguen en las gráficas a lo largo de este trabajo han sido
obtenidas a partir de la desviación encontrada en la medida sobre diferentes
muestras crecidas bao condiciones similares, o como en el caso de AFM, medidas
realizadas en diferentes áreas del recubrimiento.
El incremento en el coeficiente de textura (111) sugiere un incremento en la dureza
de los recubrimientos, esta relación ha sido ampliamente estudiada por Chou et al
[11] quienes explican este fenómeno por la relación entre la orientación
preferencial (111) y esfuerzos de cizallamiento sobre los sistemas de deslizamiento
de TiN, el sistema de deslizamiento activo del TiN es 110 <110> [12]. Si la fuerza
externa es perpendicular al plano (111), el esfuerzo de cizallamiento sobre todos los
sistemas de deslizamiento es cero, consecuentemente es muy difícil inducir
deformación plástica, y se mide entonces una alta dureza. Por lo tanto si el
recubrimiento posee una alta orientación preferencial (111), la dureza es mayor que
la de otras orientaciones.
3.4.3 Imperfecciones en la red cristalina
Las imperfecciones en la red cristalina del recubrimiento han sido analizadas vía
los valores del ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de los picos de
difracción de rayos x. Así como se reporta en la bibliografía [8] el valor FWHM
caracteriza la concentración de dislocaciones, vacancias y fallas de apilamiento. En
las figuras 12 y 13 se registran los valores FWHM para las reflexiones (111) y (200)
de recubrimientos obtenidos variando el número de arcos aplicados mediante
fuente de arcos pulsados y descarga de banco de capacitores, respectivamente, la
figura 14 registra el FWHM de estas mismas reflexiones ahora para recubrimientos
Capítulo 3 Resultados
85
obtenidos variando el tiempo de arco activo. Los picos de difracción para los
recubrimientos crecidos con banco de condensadores son más anchos y menos
intensos, el FWHM para la reflexión (111) crece con el número de descargas
mientras que el FWHM para la reflexión (200) decrece a partir de 1.3˚ (1 descarga),
como se observa en la figura 12, sus valores tienden a converger alrededor de 0.75˚.
Para el TiN crecido con fuente de arcos pulsados los picos son agudos y más
intensos con valores FWHM por debajo de 0,4˚ en ambas reflexiones, lo cual se
traduce en incremento del tamaño de cristalito. Menor valor FWHM asociado a la
disminución de defectos de red concuerda con los resultados encontrados en
cuanto a la relajación de esfuerzos compresivos en estas últimas películas
depositadas y que es reportado previamente.
Figura 12. FWHM para las reflexiones (111) y (200) en función del número de arcos
aplicados con fuente de arcos pulsados
1 2 3 4 5 6 7
0,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,90
FWH
M (g
rado
s)
Número de arcos
FWHM (111) FWHM (200)
Capítulo 3 Resultados
86
Figura 13. FWHM para las reflexiones (111) y (200) en función del número de arcos
aplicados con descarga de banco de capacitares
Figura 14. FWHM para las reflexiones (111) y (200) en función del tiempo de arco
activo utilizando fuente de arcos pulsados
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,80,280,300,320,340,360,380,400,420,440,460,480,500,520,540,56
FWH
M (g
rado
s)
Tiempo de arco activo (s)
FWHM (111) FWHM (200)
1 2 3 4 50,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
FWH
M (g
rado
s)
Número de arcos aplicados
FWHM (111) FWHM (200)
Capítulo 3 Resultados
87
Se apunta a que una estructura cristalina con menos densidad de defectos este
influenciada por la disminución en el stress residual compresivo mencionado
previamente, así como al incremento en la temperatura de deposición (200 ˚C) y a
la energía promedio de entrada durante un período de tiempo más largo en el arco,
en estos dos últimos casos se puede favorecer la movilidad de los átomos en la
película, difundiéndose fácilmente de un lugar a otro. Los átomos atrapados en
posiciones de no equilibrio pueden ajustar su posición y cambiar a una posición de
mayor equilibrio, disminuyendo también el stress compresivo y por tanto
disminuyendo la densidad de defectos en la red [13]. Como se observa en las
figuras 12 y 14, para el mayor espesor reportado se encuentra que el FWHM
aumenta significativamente, para sugerir razones por las que tiene lugar este
comportamiento se estimaría conveniente obtener recubrimientos con valores de
espesor aun más altos y determinar su tendencia, sin embargo, se podría señalar a
priori que en espesores muy altos los defectos se incrementan por la acumulación
de material depositado y la densificación de la película.
3.5 MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA
Mediante esta técnica de caracterización puede ser apreciada en gran detalle la
imagen de la fase inicial del proceso de crecimiento, granularidad, y rugosidad de
las capas. AFM tiene la ventaja adicional de que la rugosidad superficial puede ser
medida directamente como una función de la longitu. Para las imagenes AFM ha
sido utilizado un microscopio Park Scientific Instruments modelo Autoprobe CP,
en temperatura ambiente y modo contacto usando un cantilever de 180 µm de
longitud con una constante de resorte de 0.26 N/m. Además de visualizar la
topología de la muestra, ha sido medida la rugosidad raíz cuadrática media
superficial (rms) y el tamaño de grano promedio.
Capítulo 3 Resultados
88
Figura 15. Micrografías AFM de recubrimientos TiN crecidos con fuente de arcos
pulsados variando el número de arcos aplicados a) 3 arcos, b) 5 arcos y variando el
tiempo de arco activo c) 1 s, d) 1,4 s.
Micrografías obtenidas de las muestras, algunas de las cuales aparecen en las
figuras 15 y 16 indican que la microestructura de las películas puede ser
representada por la Zona 1 en el modelo de Movchan and Demchishin [14], esta
Zona se caracteriza por poseer columnas afiladas con terminaciones en forma de
domos, siendo determinada principalmente por condiciones de baja movilidad
adatómica. La condición de baja movilidad adatómica responde precisamente al
hecho de que esta Zona 1 comprende regiones donde T/Tm < 0.25-0.3 (baja
temperatura del sustrato), siendo Tm el punto de fusión del material de la película
(Tm = 2930 ˚C para TiN) y T la temperatura del sustrato, evaluando esta relación
para T = 200 ˚C (temperatura de deposición de las películas obtenidas), se tiene
a) c)
b) d)
Capítulo 3 Resultados
89
que T/Tm = 0,068. En esta zona, la difusión superficial adatómica es insuficiente
para superar la característica geométrica que tiene lugar cuando se proyecta el
material sobre la superficie; aparecen entonces fronteras abiertas entre las
columnas que se forman (película poco densa). Esta morfología produce en la
película una superficie que tiene una apariencia “mosaico” [15, 1].
Figura 16. Micrografía AFM de recubrimiento TiN crecido con fuente de arcos
pulsados aplicando 3 arcos y un tiempo de arco activo de 0,6 s.
En su dependencia con el espesor de la película, la microestructura es descrita por
el modelo evolucionario de Messier [16,17], las regiones de valles son llenadas
debido al impacto de material depositado previamente lo que conduce a la
densificación de la película. La evolución durante el crecimiento de la película es
descrita por Messier en términos de una competencia formación-interrupción entre
columnas y valles (figura 16).
Capítulo 3 Resultados
90
Tabla 4. Tamaño de grano y rugosidad rms de recubrimientos TiN crecidos con fuente
de arcos pulsados variando número de arcos aplicados
Tabla 5. Tamaño de grano y rugosidad rms de recubrimientos TiN crecidos con fuente
de arcos pulsados variando tiempo de arco activo
Las tablas 4 y 5 exhiben un incremento en el tamaño de grano y rugosidad
superficial de los recubrimientos (para un área de 5 µm x 5 µm) a medida que crece
el número de arcos aplicados (figuras 17 y 18) o el tiempo de arco activo (figuras 19
y 20). En este trabajo se propone que el incremento en tamaño de grano y
rugosidad responde a los cambios estructurales encontrados ya previamente con
DRX cuando aumenta el espesor de la película, y que reflejan además algunas de
las características particulares del tipo de crecimiento sugerido para los
recubrimientos, como es el caso por ejemplo de la tendencia más favorable a la
coalescencia de islas y la formación de domos más grandes sobre las columnas
cuando el espesor aumenta [1].
No. de
arcos
Tamaño de
grano (nm)
Rugosidad
rms
(nm)
1 105,2 ± 13,3 9,2 ± 1,5
3 135,1 ± 10,5 14,4 ± 2,8
5 143,6 ± 24,1 20,7 ± 5,0
7 953,2 ± 82,7 41,3 ± 3,1
T. arco
actitvo
Tamaño de
grano (nm)
Rugosidad
rms (nm)
0,6 s 123 ± 11,6 7,2 ± 1,4
1 s 135,1 ± 10,5 14,4 ± 2,8
1,4 s 390,7 ± 35,8 10,3 ± 1,2
1,8 s 1002 ± 83,4 35,4 ± 8,4
Capítulo 3 Resultados
91
Figura 17. Tamaño de grano de
recubrimientos TiN en función del
número de arcos aplicados
Figura 18. Rugosidad rms de
recubrimientos TiN en función del
número de arcos aplicados
Figura 19. Tamaño de grano de
recubrimientos TiN en función del
tiempo de arco activo
Figura 20. Rugosidad rms de
recubrimientos TiN en función del
tiempo de arco activo
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Tam
año
de g
rano
(nm
)
Tiempo de arco activo (s)0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rug
osid
ad rm
s (n
m)
Tiempo de arco activo (s)
1 2 3 4 5 6 7
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tam
año
de g
rano
(nm
)
Número de arcos1 2 3 4 5 6 7
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rug
osid
ad rm
s (n
m)
Número de arcos
Capítulo 3 Resultados
92
No. de
arcos
Tamaño de
grano (nm)
Rugosidad
rms (nm)
1 48,5 ± 5,9 12,1 ± 1,3
3 45,6 ± 3,1 18,9 ± 2,6
5 82,7 ± 7,9 28,0 ± 4,5
Tabla 6. Tamaño de grano y rugosidad rms de recubrimientos TiN crecidos con banco
de capacitores variando número de descargas
Probablemente como consecuencia de un mayor espesor en el recubrimiento
(mayor tasa de deposición) y el incremento en la temperatura de deposición, se
observan valores más altos en el tamaño de grano frente a los valores encontrados
para recubrimientos crecidos con la descarga del banco de capacitares (tabla 6).
Para el caso de la rugosidad rms los valores reportados con fuente de arcos
pulsados se encuentran ligeramente por encima de los valores estimados en TiN
con banco de capacitares, aunque conservando el mismo orden de magnitud. El
incremento en la temperatura del sustrato favorece el crecimiento del grano y por
tanto la rugosidad superficial dado que se dispone de mayor movilidad superficial
adatómica y difusión atómica [14].
3.6 ESPECTROSCOPIA DE FOTOELECTRONES DE RAYOS X
Los recubrimientos obtenidos mediante fuente de arcos pulsados fueron
caracterizados químicamente por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X
(XPS) con un sistema Termo VG Scientific ESCALAB 250, radiación Al Kα (1486.6
eV), que permite realizar análisis químico superficial con resolución en
profundidad < 20 nm y analizador de energía hemisférico entre -10 y 1200 eV. La
calibración estuvo basada en la posición del pico C 1s (284.8 eV) reportado para
Capítulo 3 Resultados
93
enlaces C-C característicos de hidrocarburos contaminantes del ambiente y se ha
encontrado un corrimiento constante de 0.25 eV, estable en todos los análisis.
Dado que los recubrimientos son expuestos al aire entre su fabricación y el análisis,
la superficie de la muestra es fuertemente contaminada, por lo tanto ha sido usada
erosión iónica con iones de 3 keV Ar+ de manera sistemática para remover esta
contaminación.
A continuación se detallan algunas observaciones para el recubrimiento de TiN
crecido utilizando 5 arcos, tiempo de arco activo 1 segundo y tiempo de arco
inactivo 1 segundo. Dos espectros amplios han sido obtenidos antes y después de la
erosión iónica, el análisis XPS antes de la erosión iónica muestra la presencia de
titanio, nitrógeno, carbón y oxígeno (figura 21). Después de 15 minutos de erosión
iónica la contaminación de carbón decrece fuertemente y causa modificaciones en
las intensidades Ti 2p, O1s y N 1s como se observa en la figura 22.
Figura 21. Espectro amplio XPS de TiN crecido mediante fuente de arcos pulsados
antes del ataque con iones de Ar+
800 600 400 200 00
20000
40000
60000
80000
100000
120000
Ti 3pTi 3s
C 1sN 1s
Ti 2p1
Ti 2p3
O 1s
Ti 2s
Inte
nsid
ad (C
ps)
Energía de enlace (eV)
Capítulo 3 Resultados
94
Figura 22. Espectro amplio XPS de TiN crecido mediante fuente de arcos pulsados
después de 15 minutos de ataque con iones de Ar+
Después del ataque con iones han sido tomados espectros a alta resolución
energética (0.05 eV/paso) para la identificación de los tipos de enlaces presentes en
la muestra.
Figura 23. Espectro angosto Ti2p del recubrimiento TiN
800 700 600 500 400 300 200 100 00
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
200000
220000
Ti 3pTi 3s
Ar 2pC 1s
N 1s
Ti 2p3
Ti 2p1
O 1s
Ti 2s
Inte
nsid
ad (C
ps)
Energía de enlace (eV)
466 464 462 460 458 456 4540
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000Ti 2p
457.04 eV
464.20 eV
455.15 eV
460.98 eV
Ti - O
Ti - N
Ti - O
Ti - N
Inte
nsid
ad (C
ps)
Energía de enlace (eV)
Dato experimental Ti - N Ti - O Ti - N Ti - O Ajuste
Capítulo 3 Resultados
95
En la figura 23 se presentan dos contribuciones en la distribución Ti2p, una
correspondiente a los componentes spin-orbita, Ti2p3/2 y Ti2p1/2, localizados en
457.04 y 464.20 eV, respectivamente, estos son debidos a átomos de Ti enlazados a
oxígeno como TiO2 [18]. La otra componente (Ti2p3/2 en 455.15 eV y Ti2p1/2 en
460.98 eV) corresponde a Ti-N enlazados como TiN, esta última incrementa en
intensidad después de la erosión, cuando las especies TiOx son parcialmente
eliminadas.
Figura 24. Espectro angosto N 1s del recubrimiento TiN
La distribución N 1s (figura 24) revela dos contribuciones situadas en 397.22 eV y
399.84 eV. La primera, la cual se incrementa después de la erosión, es atribuida a
especies N-Ti. La contribución ubicada 399.84 eV no muestra muchos cambios en
intensidad, y puede ser atribuida a enlaces N-O en compuestos oxinitruros [19].
Una tercera contribución desaparece después de la erosión y se sugiere es debida a
enlaces N-C.
404 403 402 401 400 399 398 397 396 395 394 393 392 3910
10000
20000
30000
40000
50000N 1s
399.84 eV
397.22 eV
N - O
N - Ti
Inte
nsid
ad (C
ps)
Energía de enlace (eV)
Dato experimental N - Ti N - O Ajuste
Capítulo 3 Resultados
96
Figura 25. Espectro angosto O 1s en el recubrimiento TiN
La distribución O 1s (figura 25) contiene dos contribuciones situadas en 531.20 y
534.16 eV. El pico en 531.20 eV es característico de especies O-Ti. La erosión
iónica aunque causa un considerable decremento de la contribución 531.20 eV, esta
se sigue manteniendo, considerándose entonces debida a especies O-Ti (TiO2)
dentro del volumen de la película [17]. El pico alrededor de 534.16 eV
generalmente esta relacionado con enlaces O-C por la presencia de contaminación
atmosférica, estas especies generalmente desaparecen o se minimizan bastante
después de la erosión.
La distribución C 1s (figura 26) revela una contribución debido a polución
atmosférica: C-C en 285.0 eV. Después de la erosión esta contribución decrece
fuertemente. El pico presente en 282.07 eV, muestra que enlaces C-Ti han sido
formados durante el proceso de deposición.
538 537 536 535 534 533 532 531 530 529 528 527 526 52530000
32000
34000
36000
38000
40000
42000 O 1s
534.16 eV
531.20 eV
O - C
O - Ti
Inte
nsid
ad (C
ps)
Energía de enlace (eV)
Dato experimental O - Ti O - C Ajuste
Capítulo 3 Resultados
97
Figura 26. Espectro angosto C 1s en el recubrimiento TiN
La presencia de especies O-Ti en el recubrimiento ha sido atribuida frecuentemente
a la reactividad entre los iones de titanio y contenido de oxígeno en la cámara de
proceso, la presencia de especies C-Ti propone estar relacionada con el proceso de
calentamiento del sustrato antes de la deposición y la evaporación de especies
contaminantes desde la superficie del sustrato y portamuestras. En cualquier caso,
las características propias de un crecimiento zona 1 como el encontrado en estos
recubrimientos no presentan una buena densificación de la película, exhibiendo
alto grado de porosidad y facilitando la inserción de especies contaminantes dentro
de la estructura del recubrimiento.
Después de la erosión los picos angostos experimentales fueron ajustados por
medio de una combinación de funciones Lorentzianas y Gausianas con corrección
de línea base no lineal tipo Shirley [20], para realizar los cálculos de concentración
atómica del enlace Ti-N y Ti-O , y conocer la concentración molar en el compuesto
TiN investigado; los factores de sensitividad utilizados para la cuantificación,
fueron extraídos de las tablas Scofield, las cuales han sido teóricamente derivadas
de la probabilidad de fotoionización de cada elemento, para fuentes de Rayos X de
Aluminio Kα [21]. La estequiometria calculada para los recubrimientos de TiN
290 289 288 287 286 285 284 283 282 281 2803600
3800
4000
4200
4400
4600
4800
5000
5200
5400
5600
5800
6000C 1s
282.07
285 eV
C - Ti
C - C
Inte
nsid
ad (C
ps)
Energía de enlace (eV)
Dato experimental C - C C - Ti Ajuste
Capítulo 3 Resultados
98
variando el número de arcos aplicados se mantuvo alrededor de TiN1.6 , la relación
estequiométrica N/Ti = 1.6 representa una composición sobre-estequiométrica, lo
que indica un exceso de nitrógeno incorporado en las películas durante su
crecimiento [22].
3.7 Macropartículas
La presencia de macropartículas en la superficie de los recubrimientos ha sido
observada utilizando microscopia electrónica de barrido (SEM) trabajando en alto
vacío y operando en 15 kV, con magnificación de 3000 aumentos.
Figura 27. Micrografías SEM de recubrimientos TiN crecidos con fuente de arcos
pulsados para a) tiempo de arco activo 0,6 s y 3 arcos aplicados, b) tiempo de arcos
activo 1 s y 3 arcos aplicados, c) tiempo de arco activo 1 s y 5 arcos aplicados
a) b)
c)
Capítulo 3 Resultados
99
En la figura 27 algunas micrografías SEM destacan la presencia de
macropartículas, la variación de tiempo de arco activo señala cualitativamente un
incremento tanto en tamaño como en cantidad dentro de la superficie del
recubrimiento, lo cual puede corresponder con estudios realizados por Tai et al
[23], en los que se concluye que el número de macropartículas puede ser reducido
decreciendo el tiempo de deposición, la corriente de arco, y el espesor del cátodo,
incrementando la distancia al sustrato, el bias del sustrato y la presión de
nitrógeno; sin embargo en una buena cantidad de casos la modificación de alguno
de estos parámetros resulta en un decremento en la tasa de deposición.
En la tabla 7 se reportan los tamaños promedio de macropartícula encontrados
para 3 valores diferentes de tiempo de arco activo.
Por otra parte, el porcentaje de ocupación promedio estimado ha señalado un
incremento cuando aumenta el tiempo de arco activo, pero refleja valores
aproximadamente iguales variando el número de arcos y manteniendo el mismo
tiempo de arco activo.
Identificación Área de ocupación
promedio (%)
0,6 seg 1,71 ± 0,82
1 seg 6,3 ± 0,76
1,4 3,98 ± 1,26
Tabla 7. Diámetro promedio de macropartícula variando el tiempo de arco activo
En algunos estudios realizados por Cheng et al [24] se reportan valores
característicos para el radio y la temperatura de macropartículas de Ti versus la
distancia al spot catódico, en estos se encuentra que la macropartícula solidifica
Capítulo 3 Resultados
100
cuando el radio es menor a 2 µm y 200 mm de distancia desde el spot catódico,
cuando el radio de la macropartícula es mayor a 2 µm la macropartícula permanece
en estado líquido y forma una geometría aplanada sobre el sustrato. Keidar et al
[25] apuntan a que la energía de tensión superficial es mucho mas alta que la
energía cinética para una macropartícula de titanio pequeña. Esto significa que la
forma de las macropartículas pequeñas es esférica, pero para aquellas más grandes
la energía de tensión superficial no es suficiente para mantener la forma esférica
cuando colisionan con el sustrato dando lugar a partículas elípticas o aplanadas.
Cuando las macropartículas colisionan con el recubrimiento de TiN y se alojan
sobre la superficie, se forman vacíos por debajo de las macropartículas debido al
efecto de proyección del flujo iónico (figura 28c). El vacío toroidal achatado
formado por debajo de la macropartícula dentro del recubrimiento de TiN es
sellado a medida que la deposición continúa tal y como se indica en la figura 28d.
Figura 28. Esquema del mecanismo de formación de macropartículas en
recubrimientos crecidos por arco [26]
Flujo iónico Flujo iónico Flujo iónico
Flujo iónico Flujo iónico
Substrato
Substrato
Capítulo 3 Resultados
101
Los bordes de los toroides son inclinados a la superficie debido al crecimiento
continuo de la macropartícula. Si los vacios en forma de toroide se presentan cerca
a la superficie del recubrimiento generan una adherencia pobre de la
macropartícula al recubrimiento y se puede presentar un desprendimiento debido a
la diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre Ti y TiN, generando
agujeros en la superficie del recubrimiento. Estos agujeros son perjudiciales para
la resistencia a la corrosión de los recubrimientos [27]. En la figura 29 se aprecian
los agujeros formados en las películas de TiN que han sido crecidas para este
trabajo. El crecimiento posterior de TiN sobre las macropartículas sigue la
orientación del nitruro de titanio depositado previamente (figura 28f). Si se
detiene la deposición del recubrimiento como se muestra en la figura 28e aparece
una protuberancia cónica sobre la superficie del recubrimiento, resultando una
morfología superficial rugosa.
Figura 29. Identificación de agujeros por desprendimiento de macropartículas en un
recubrimiento de TiN crecido con fuente de arcos pulsados aplicando 3 arcos
consecutivos 1 s de tiempo activo
Capítulo 3 Resultados
102
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Capítulo 3 Resultados
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335
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138.
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Capítulo 3 Resultados
105
CONCLUSIONES
Actualmente las técnicas de deposición de recubrimientos superficiales
basadas en procesos por plasma han representado un fuerte campo de
desarrollo dadas las variadas aplicaciones que se pueden considerar y la
eficiencia de las mismas en cuanto a calidad del recubrimiento. Las
propiedades de los recubrimientos obtenidos están estrechamente
relacionadas con las variables de proceso involucradas y por ende con los
mecanismos utilizados para su control.
En procesos asistidos por plasma mediante deposición física en fase vapor se
ha distinguido la utilización del arco eléctrico en la producción de
recubrimientos duros, el diseño en el circuito eléctrico para el suministro de
potencia puede tener diferentes configuraciones las cuales se adaptan a los
requerimientos costo – beneficio, sin embargo el objetivo final en cuanto a
desempeño es tener mayor flexibilidad en el manejo de parámetros sin
afectar o limitar los demás componentes del sistema.
En este trabajo ha sido implementada una fuente para generación de arcos
eléctricos pulsados utilizando un puente rectificador trifásico y un
dispositivo de potencia para conmutación controlada de corriente. En esta
fuente se hace variación automática del número de arcos consecutivos a ser
aplicados, tiempo de arco activo, tiempo inactivo entre arcos, y voltaje entre
Capítulo 3 Resultados
106
electrodos, este voltaje presenta un rango de trabajo de 0 V a 280 V DC,
aproximadamente.
La fuente ha sido adaptada a un sistema de deposición de recubrimientos
duros, obteniendo películas de TiN sobre sustratos de acero inoxidable 304
aplicando diferente número de arcos consecutivos y variando también el
tiempo de arco activo. Durante el proceso se encuentra mayor eficiencia en
la ejecución del proceso frente al que tiene lugar cuando se generan los arcos
a partir de la descarga de un banco de capacitores dado que el tiempo de
carga del banco es de aproximadamente 1.5 minutos y el tiempo de vida del
arco está limitado a 30 ms, que es el tiempo de descarga del banco cuando se
carga a 300 V.
Dentro de las condiciones experimentales utilizadas se han corroborado
datos bibliográficos en los que se determina la supresión de filtros DC a la
salida del puente rectificador cuando se diseñan sistemas de rectificación
trifásicos ya que el rizado es mucho menor que en casos de rectificación
monofásica. La fuente puede suministrar valores de corriente de 150 A y
alcanzar un valor hasta de 400 A, sin embargo para este ultimo caso se
deben hacer consideraciones para la instalación de filtros AC y sobre las
limitaciones que puede tener el suministro trifásica de la fuente
(transformador de 30 kVA).
El tiempo de vida mínimo impuesto por el usuario está limitado por el
tiempo de respuesta del circuito así como por las condiciones
experimentales (presión, voltaje, distancia interelectrodica, etc) las cuales
influyen sobre el tiempo mínimo para la iniciación o formación del arco. El
tiempo de vida máximo de duración del arco y el tiempo mínimo entre arcos
debe ser estimado adecuadamente para evitar calentamiento de las partes
ánodo y cátodo, en este caso se pierde una de las ventajas de las fuentes
Capítulo 3 Resultados
107
pulsadas frente a las fuentes continuas, ya que se incurre en trabajar casi de
modo continuo. El tiempo entre arcos mínimo ha sido limitado a 1 s en el
software de control.
Para producir los nuevos recubrimientos de TiN con la fuente de arcos
pulsados ha sido adaptado un sistema de calentamiento del sustrato previo a
las deposiciones cuando se han alcanzado las condiciones de vacío, este
accesorio cuenta con una termocupla que permite monitorear la
temperatura de trabajo deseada (en este caso 200 ˚C) y puede alcanzar un
valor máximo de 500 ˚C.
Estableciendo las condiciones de gas y presión adecuadas dentro del reactor
la fuente puede ser utilizada para generar descargas glow antes de establecer
el tren de arcos que producen el recubrimiento.
La flexibilidad en el manejo del tiempo de arco activo y el número de arcos
consecutivos favorece una mayor tasa de deposición y por lo tanto un rango
más amplio de espesores puede ser alcanzado en los recubrimientos
obtenidos, así mismo se pueden hacer aproximaciones más detalladas de la
reproducibilidad en las condiciones experimentales y por tanto de los
resultados conseguidos.
A medida que el espesor de los recubrimientos crece incrementa el
coeficiente de textura en la orientación (111), cuando se alcanza un espesor
crítico y por encima de él se hace dominante esta orientación, desde el punto
de vista cristalográfico esta orientación ofrece características adecuadas
para mejorar la dureza del recubrimiento. Aplicando condiciones de
proceso similares en el reactor pero utilizando la descarga del banco de
condensadores (15 descargas), no se ha alcanzado este espesor crítico.
Capítulo 3 Resultados
108
El ancho a media altura de los picos de difracción indican una menor
densidad de defectos cristalográficos en los recubrimientos crecidos con
fuente de arcos pulsados frente a aquellos obtenidos con banco de
capacitores, el hecho de encontrar también esta característica cuando no se
incrementa la temperatura del sustrato usando la fuente, establece un efecto
adicional por el calentamiento y la mayor movilidad de los átomos en la
película, intrínsicos al manejo de potencia y tiempo de arco activo que se
puede tener en la fuente de arcos pulsados.
Los recubrimientos de TiN presentan un crecimiento columnar con domos
en la parte superior formando “V”, el crecimiento competitivo entre crestas y
valles genera coalescencia de islas a medida que aumenta el espesor de la
película, incrementando el tamaño de grano y la rugosidad superficial.
El análisis químico de los recubrimientos TiN indican baja presencia de
oxinituros y carburo de titanio dentro del material de TiN después del
ataque iónico, esta observación sugiere contaminación incorporada durante
el proceso de crecimiento, en el que puede estar influyendo el estado de las
paredes y accesorios en el interior del reactor, insuficiencia o perdida de
vacío en el proceso y efectos secundarios por calentamiento del sustrato.
La posición de los picos de difracción mantiene aproximadamente los
valores teóricos del patrón de referencia, mientras que en el caso de
crecimientos con banco de capacitares se presentan corrimientos hacia
mayores valores “d”, se infiere que el crecimiento temprano del
recubrimiento con la orientación (200) produce deformación en la red
(stress compresivo), la cual se relaja con el incremento en temperatura,
menor entrada de potencia pico instantánea y la transición durante el
crecimiento hacia la orientación (111), la cual relaja el stress acumulado por
energía de deformación.
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