DEPOSICIN FISICA ASISTIDA POR FASE DE VAPOR (PVD)

UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERIA Y ESCUELA DE INGENIERIA MECANICADEPARTAMENTO DE MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIONPROCESOS DE FABRICACION IICICLO I /2014DEPOSICION FISICA EN FASE VAPOR (PVD)

INTREGRANTES:PONCE REYES, FRANCISCO JAVIERPR09034SALGUERO RAMIREZ, MARVIN RENESR09040ALVARADO QUIJADA, JOS PORFIRIOAQ98007DEPOSICIN FISICA ASISTIDA POR FASE DE VAPOR (PVD)

DEFINICINLa deposicin de vapor es un proceso en el que el sustrato (superficie de la pieza de trabajo) se somete a reacciones qumicas mediante gases que contienen compuestos qumicos del material a depositar. Por lo general, el espesor del recubrimiento es de unas cuantas m mucho menor que los espesores producidos. Los materiales depositados pueden consistir en metales, aleaciones, carburos, nitruros, boruros, cermicos u xidos.

VENTAJAS DE LOS PROCESOS PVD

Reduccin de costes. Aumento de la productividad. Mayor vida til de la herramienta. Menores tiempos de mecanizado. Mayor calidad. Mayores velocidades de corte y avances. Menos cambios de herramienta. Menos paradas de mquina. Menos gastos en refrigerante. Mejor acabado superficial, menos rugosidades. Similar rendimiento de herramientas afiladas.

La formacin de una superficie de ingeniera tiles y comercialmente atractiva, utilizando cualquier proceso de PVD (deposicin en vaco, deposicin por pulverizacin catdica, sedimentacin inica ) consta de varias etapas:1. Eleccin del sustrato ("superficie real") y el desarrollo de un adecuado proceso de preparacin de superficies2. Seleccin del material (s) de pelcula para producir las propiedades requeridas para la superficie3.Eleccin del proceso de PVD para proporcionar propiedades reproducibles, la compatibilidad con la subsiguiente procesamiento, y la estabilidad a largo plazo4. Desarrollo de los parmetros del proceso de fabricacin, los lmites de los parmetros, y el monitoreo / control tcnicas5. Desarrollo de tcnicas de caracterizacin adecuadas para determinar las propiedades de la pelcula y la estabilidad del producto6. Creacin de especificaciones escritas e instrucciones de proceso de fabricacin para cubrir el sustrato procedimientos materiales, preparacin de superficies, procesos de deposicin y caracterizacin

Crecimiento de la PelculaCrecimiento de la pelcula se produce como resultado de la condensacin de tomos sobre una superficie. Las etapas de pelcula formacin son: 1. La vaporizacin del material para ser depositado 2. Transporte del material al sustrato 3. La condensacin y la nucleacin de los tomos4. Crecimiento Ncleos 5. Formacin de la interfaz 6. Crecimiento de la pelicula - nucleacin y la reaccin con el material previamente depositado 7. Los cambios en la estructura durante el proceso de deposicin - interfaz y en la pelicula 8. Postdeposition cambia debido a los tratamientos, la exposicin a el ambiente, subsiguiente etapas de procesamiento, cambios en el almacenamiento, o cambios en el servicio

Deposicisin al Vaco, Evaporacin Reactiva y el Gas de Evaporacin

Deposicin al vaco o evaporacin al vaco, es un proceso de deposicin fsica de vapor en el que los tomos o molculas de una fuente de vaporizacin alcanzan el sustrato sin chocar con las molculas de gas residual. Generalmente, la fuente de vaporizacin es uno que se vaporiza materiales por medios trmicos (es decir, la evaporacin o sublimacin), pero aparte de vapor fuentes se pueden utilizar. La ventaja de la evaporacin al vaco es que las pelculas de una variedad de materiales pueden ser depositados en alto tasas en grandes reas en una forma muy pura. La deposicin de vaco

En el proceso de deposicin en vaco, elementos, aleaciones, o compuestos se vaporizan y se depositan en un vaco. El proceso se lleva a cabo a presiones de menos de 0.1 Pa (1 mTorr) y por lo general en niveles de vaco de 10 a 0.1 MPa (100 a 1 torr).

Ventajas de la deposicin al vaco son:

Las elevadas tasas de deposicin que se pueden obtenerEl monitoreo de la tasa de deposicin es relativamente fcil.La vaporizacin puede ser de muchas formas (por ejemplo, trozos, polvo, alambre, salta, y as en).Fuente de vaporizacin de alta pureza es relativamente barato.Pelculas de alta pureza de material son fcilmente depositadas, debido a que el ambiente de deposicin se puede hacer sin contaminantes como sea necesario.La tcnica es relativamente barato en comparacin con otras tcnicas de PVD.Limitaciones de la deposicin al vaco son:

Deposicin de lnea de visin da cobertura superficial pobre, por lo que requiere elaborar herramientas y utillajes.Lnea de deposicin vista evita depsitos uniformes sobre un rea de superficie grande a menos que una fijacin compleja y las herramientas estn disponibles.La deposicin de muchas aleaciones y compuestos es difcil.Costos de equipos de capital son altos en relacin con los de otras tcnicas de deposicin (por ejemplo, galvanoplastia).Se requieren altas cargas de calor radiante durante el proceso.Material vaporizado se utiliza de forma ineficiente.Propiedades de la pelcula son subptimas (defectos tpicos incluyen agujeros, menos de la densidad aparente, columnar la morfologa, la alta tensin de la pelcula residual, y as sucesivamente).Pocos parmetros de procesamiento estn disponibles para el control de propiedades de la pelcula.

Aplicaciones de deposicin al vaco

Aplicaciones de los procesos de evaporacin incluyen:Recubrimientos elctricamente conductores para la metalizacin de cermica (por ejemplo, Ti-Au, Ti-Pd-Au, Al, Al-Cu-Si, Cr-Au, Ti-Ag), los semiconductores de metalizacin (por ejemplo, Al-2Cu en el silicio), y la metalizacin de lminas de condensadores (por ejemplo, de zinc y de aluminio).Recubrimientos pticos para capa de acabado reflectante, antirreflectante, y resistente a la abrasin (por ejemplo, SiO, MGF) aplicaciones.Revestimientos decorativos (por ejemplo, aluminio y oro)Barreras para los materiales de embalaje contra la a humedad y la permeabilidad de Resistencia a la corrosin (por ejemplo, de aluminio sobre acero)Capas aislantes para la microelectrnica.Recubrimiento de labes de la turbina del motor.Evitar los problemas de contaminacin asociados a la galvanoplastia (es decir, el "proceso seco")Vaco chapado de alta resistencia Aceros para evitar la fragilizacin por hidrgeno asociado con galvanoplastia (por ejemplo, cadmio sobre acero, o "chapado CAD de vaco")

La deposicin catdica

Es un proceso de vaporizacin no trmico en el que los tomos de superficie son expulsados fsicamente de una superficie por transferencia de momento de una especie que bombardean energticas de tamao atmico / molecular.

En comparacin con otros mtodos de deposicin de pelcula delgada, tcnicas de deposicin por pulverizacin catdica tienen varias ventajas distintas:

El uso de una gama ilimitada de materiales bsicos y de la pelcula (por ejemplo, metales, semiconductores, aislantes, aleaciones, y compuestos)Las pequeas variaciones de pulverizacin catdica rendimiento de un material a otro en comparacin con la variacin relativa en las tasas de evaporacin a una temperatura dadaFacilidad de depsito de baja temperatura de materiales refractarios Facilidad de formacin de pelculas de componentes mltiplesLa uniformidad del espesor de la pelcula en grandes reas Alto grado de adhesin de la pelcula Procesamiento de medio ambienteObjetivo (fuente) llos materiales deben ser normalmente en forma de lmina o tubo. Los ndices de depsito son tpicamente menos de 300 nm / min (3.000 una / min). Costos de instalacin son altos debido al ambiente de vaco requerido. La eficiencia energtica es baja (70% o ms de la energa de entrada se gasta en calefaccin de destino).

DEPOSICIN INICA. La deposicin inica es un trmino genrico que describe diversos procesos combinados de chisporroteo y evaporacin al vaco. Un campo elctrico provoca una descarga de destello, generando un plasma (Ver siguiente Fig.). Los tomos vaporizados en este proceso se ionizan slo parcialmente. La deposicin reforzada (asistida) por haces inicos tiene la capacidad de producir pelculas delgadas como recubrimiento para aplicaciones de semiconductores, tribolgicas y pticas. La deposicin dual de haces inicos es una tcnica de recubrimiento hbrido que combina deposicin fsica de vapor con bombardeo simultneo de haces de iones. Esta tcnica da como resultado buena adhesin a los metales, cermicos y polmeros.

Esquema de un aparato de deposicin inica. Ion Plating .

Es un trmino genrico aplicado a los procesos de deposicin de pelcula en el que la superficie del substrato y la pelcula en crecimiento se someten a un flujo continuo o peridico de partculas de bombardeo energticas masivas (iones , radicales , tomos, molculas o - reactivos o inertes ) suficientes para causar cambios en el proceso de formacin de la pelcula y las propiedades de la pelcula depositada. Hay dos versiones bsicas del proceso de recubrimiento inico . En inico a base de plasma chapado el sustrato est en contacto con un plasma , y los iones se aceleran a partir del plasma y llegar a la superficie con un espectro de energas .

La nucleacin . En recubrimiento inico , es importante que el bombardeo de la superficie del sustrato durante la etapa de preparacin de la superficie se continu en la etapa de deposicin , donde se van aadiendo continuamente tomos a la superficie Crecimiento de Pelicula . Bombardeo de partculas energticas durante el crecimiento de la pelcula puede modificar un nmero de propiedades de la pelcula , incluyendo:DensidadMorfologa granelLa morfologa superficialEl tamao de granoLa orientacin cristalogrficaResistencia elctricaLa porosidad

La deposicin reactiva . En sedimentacin inica reactiva , codepositing especies , o depositando especies y especies gaseosas , reaccionar para formar un material de pelcula de compuesto no voltil . En bao de iones a base de plasma , el plasma se activa especies reactivas y crea nuevas especies en la fase gaseosa . En bao de iones a base de vaco , el bombardeo de la pelcula de depsito por iones de gas reactivos energticos mejora la reaccin qumica.

Implantacin de ionesLa necesidad de encontrar materiales capaces de trabajar en condiciones cada vez mas extremas y agresivas (desgaste, corrosin, oxidacin, fatiga) ha hecho que desde comienzos de los 80 se hayan desarrollado toda una serie de tcnicas de modificacin superficial encaminadas a obtener nuevos materiales en superficie, con propiedades diferentes a las del material base o imposibles de obtener por mtodos tradicionales.Desde el punto de vista qumico, las superficies modificadas pueden desarrollar una serie de mecanismos protectores por modificacin en las propiedades de adherencia de los xidos formados o por formacin de capas pasivas que prolongan la vida en servicio de los materiales metlicos tanto frente a la corrosin electroqumica como a la originada por altas temperaturas.Fundamento de la implantacin inicaLos iones no son otra cosa que tomos cargados elctricamente, normalmente mediante el arranque de uno de sus electrones. Esto es necesario para poder acelerarlos y localizarlos mediante campos elctricos y magnticos.El proceso de implantacin inica consiste en la creacin del haz de iones, su aceleracin hasta la energa prevista (normalmente 100 - 200 keV). En estos rangos de energa, los tomos penetran dentro de la superficie incrustndose a una profundidad de muchas capas atmicas. Por ejemplo, los iones de Nitrgeno acelerados con 100 keV se mueven en el vaco a una velocidad de 1.170 Km/s y al chocar contra una superficie de Acero se incrustan alcanzando profundidades de hasta 0,2 micras. Este es el proceso que conocemos como implantacin inica.

Arriba: Vista esquemtica de un proceso de implantacin inica Abajo: la interaccin de los iones con los tomos del sustrato en una colisin simple en cascada.

24Aplicaciones prcticas

Deposicin por lser pulsado (PLD) Consiste en la aplicacin de pulsos cortos (10 a 30ns) de alta energa sobre un material de aporte, generalmente cermico, encerrado en una cmara de alto vaco. El material cermico se desprende y deposita sobre un substrato recubrindolo como una fina pelcula. El nmero de pulsos se puede ajustar para conseguir distintos espesores de material. En un caso ideal los pulsos del lser deberan tener una longitud de onda corta, es decir, en el espectro ultravioleta. Por lo tanto para estas aplicaciones se utiliza un lser excmero. Bastan pulsos de varios nanosegundos para un desprendimiento no trmico del material de aporte sin cambios en su composicin. Es de gran inters especialmente en la fabricacin de superconductores a alta temperatura y materiales magnticos.En esta tcnica el material que se deposita sobre el sustrato proviene de la superficie de un slido (el blanco) irradiado por un rayo laser pulsado. El fenmeno sobre el blanco es conocido como ablacin lser en el cual la superficie del material se calienta al absorber la energa de los fotones y sublima, o se evapora. La estequiometria del blanco se conserva durante el deposito y permite aplicaciones como: Superconductores, metales para catalizadores y recubrimientos duros y la produccin de Nanotubos y nano particulas. Sin embargo no se utiliza aun como tcnica de deposito a escala industrial debido a la dificultad de control de uniformidad del deposito.

Diagrama esquemtico de un tpico sistema PLD.