PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE RECUBRIMIENTOS Y LAMINAS DELGADAS

TEMA 3:

TÉCNICAS DE DEPOSICIÓN FÍSICA (PVD):

I. EVAPORACIÓN TÉRMICA, ARCO, LÁSER, PROYECCIÓN

TERMICA, ETC.

DR. J.M. ALBELLA

Instituto Ciencia de Materiales, CSICMadrid

TÉCNICAS DE DEPOSICIÓN FÍSICA (PVD):I. EVAPORACIÓN TÉRMICA, ABLACIÓN LÁSER,

ARCO, ETC.

ÍNDICE

1. EVAPORACIÓN TÉRMICA EN VACÍO: FUNDAMENTOS1.1. Conceptos básicos teoría cinética de gases.1.2. Ecuación Hertz-Knundsen1.3. Efecto de la direccionalidad

2. FUENTES DE EVAPORACIÓN TÉRMICA2.1. Filamento y hoja metálica.2.2. Crisoles.2.3. Fuentes de sublimación.2.4. Células de efusión (Knundsen)2.4. Cañón de electrones.

3. EVAPORACIÓN DE ALEACIONES, MEZCLAS Y COMPUESTOS4. EVAPORACIÓN REACTIVA Y ACTIVADA.

4.1. Evaporación reactiva 4.2. Evaporación activada

5. OTROS MÉTODOS DE EVAPORACIÓN5.1. ‘Ion Plating’5.2. Evaporación por arco. 5.3. Evaporación por láser (Ablación láser )5.4. Proyección térmica (‘Thermal spraying’)

6. CONCLUSIONES

1. EVAPORACIÓN TÉRMICA EN VACÍO: FUNDAMENTOS

1.1. RECORDATORIO DE ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS TEORÍA CINÉTICA DE GASES.

Concepto de presión de un gas (p): Nº de moléculas que chocan contra una unidad de área, A, por unidad de tiempo (dNi/Adt)

dNi/Adt = (2πmkT)-1/2p

Energía cinética media (Ec) de las moléculas de un gas a temperatura T:

Ec = (3/2) kT = (1/2) kT x nº grados libertad

Recorrido libre medio (λ): Distancia media recorrida por la molécula entre choques, dada por:

λ = kT/ (Pπσ221/2) = 0,066/ P (mbar)

siendo σ = sección eficaz de colisión de las moléculas(con λ en mm)

Tiempo para formar una monocapa: Tiempo necesario para que una superficie pueda ser recubierta de una capa de gas que tengael espesor de una molécula (monocapa). Viene dado por:

p )mkT(2molec/cm 10 8

/AdtdNmonocapa molec Nº t 2/1

214

imonocapa −π

×==

• Representación gráfica:

Cho

ques

por

uni

d. d

e tie

mpo

(m

ol/c

m2 x

s)

Tiem

po p

ara

form

ar 1

mon

ocap

a (s

)

10-210-410-610-810-10 100

Presión (mbar)

102

100

10-2

10-6

10-4

108

106

104

100

102

Rec

orrid

o lib

re m

edio

(mm

)

Recorrido libre medio

1012

1014

1016

1020

1018

Nº de choques

Tiempo para formar una monocapa

• En condiciones típicas de evaporación térmica: pres < 10-4 mbar → λ ≥ 50 cm, (λ ≈ dimensiones cámara vacío) → Direccionalidad de la evaporación

• En estas condiciones, tmonocapa ≈ 0.01 s

• Efecto de la presión residual, pres → Contaminación en la capa depositada

• Ejemplo: Deposición de Ti con v = 10 Å s-1:

Si pres = 10-6 mbar → t monocapa = 1 s → 1/3 del material depositado = TiO2

Notar:

• Ecuación de Clausius-Clapeyron):

Ln Pvap ≅ - (ΔH/RT) + cte (T)

con ΔH = calor de vaporización

Pres

ión

de v

apor

(mba

r), e

n eq

uilib

rio

20001000600400300 4000

Temperatura (ºC)

10-5

10-4

10-3

100

10-2

10-1

Zn

Cd

In

Al

Au

Cu

Mo

W

⊗

⊗

⊗

⊗ ⊗

• Representación gráfica (el símbolo ⊗ indica el punto de fusión):

líquido

vaporPvap

T = Cte

• Presión de vapor de un sólido o líquido, Pvap: Cuando un líquido se encuentra en equilibrio con su vapor en un sistema aislado, el flujo de moléculas que escapa de la superficie, dNi/Adt, es igual al de las que retornan. Se alcanza así una presión Pvap en el vapor dada por:

Pvap = dNi/Adt · (2πmkT)1/2

1.2. MODELO DE HERTZ-KNUNDSEN PARA LA EVAPORACIÓN EN VACÍO:

• El fenómeno de evaporación en vacío ocurre en situación de no equilibrio (una parte de las moléculas evaporadas son extraídas hacia el exterior)

• Se postula que el flujo de átomos (dNevap/Aevapdt) que abandona la superficie durante la evaporación no está influenciado por el flujo de los que retornan, siguiendo una ley similar a la que existe en el estado de equilibrio. Por tanto, la velocidad de evaporación, Vevap, será:

Vevap = (dNevap/Aevapdt) = α (2πmkT)-1/2(Pvap- P)

•Notar:

• Pvap depende exponencialmente con la temperatura del material, T ⇒Control difícil de la velocidad de evaporación

• Desde un punto de vista práctico se elige como temperatura adecuada para llevar a cabo la evaporación de un material, Tevap, aquella para la cual pvap = 10-2 mbar (ver tabla). En estas condiciones el ritmo típico de evaporación es del orden de 0.1-1.0 nm/s.

• Cuando Tfusión > Tevap, el material se sublima desde la fase sólida (en lugar de evaporación desde la fase líquida). (Ver Tabla).

donde: P = presión hidrostática del evaporante, α = coef. de vaporación (depende del estado de la superficie)(Generalmente, α << 1)

Temperaturas de evaporación y de fusión

Material Tevap (ºC) (*) Tfusión (ºC) Te/Tf

Aluminio (Al) 1220 659 1.61

Carbono (C) 2600 3700 0.70

Cobre (Cu) 1260 1084 1.13

Cromo (Cr) 1400 1900 0.77

Hierro (Fe) 1480 1536 0.96

Molibdeno (Mo) 2530 2620 0.97

Oro (Au) 1400 1063 1.25

Plata (Ag) 1030 961 1.06

Titanio (Ti) 1750 1700 1.03

Tungsteno (W) 3230 3380 0.96

Zinc (Zn) 345 420 0.89

Zirconio (Zr) 2400 1850 1.26

(*) Temperatura a la cual la presión la presión de vapor es, pvap = 10-2 mbar

( materiales que subliman antes de evaporar)

• La energía cinética media de los átomos evaporados, dada por:

Ec = (3/2) kTevap

es generalmente muy baja.

• Así, p.e. para el Au, con Tevap = 1400ºC, Ec = 0.2 eV (<< energía de enlace entre los átomos)

• Esto implica que los átomos tienen poca difusión superficial antes de alcanzar las posiciones de equilibrio:

⇒ las capas depositada son a menudo poco densas, e incluso con poca adherencia sobre la superficie de los substratos.

1.3. EFECTO DE LA DIRECCIONALIDAD

• No. de partículas evaporadas (en un tiempo dt), dNevap, desde una superficie Aevap (puntual), dentro del ángulo sólido dω, abarcado por un área elemental dAS:

dNevap (ϕ) = Vevap Aevap dt·cos ϕ · dω /π

(ley del coseno)

• Teniendo en cuenta que:

dω = dAsubs × cos θ/ r2,

dNdep (ϕ) = Vevap Aevapdt dAsubs cos ϕ cos θ/π r2

• Por tanto, el ritmo de deposición, Vdep, (no. átomos que alcanza el substrato por unidad de superficie y de tiempo), será:

Vdep (ϕ) = dNdep (ϕ)/(dAsubs dt) = Vevap Aevap cos ϕ cos θ/π r2

• Ritmo de crecimiento del espesor, dxdep/dt, en la dirección ϕ a distancia r:

dxdep (ϕ)/dt = dNdep (ϕ)/(dAsubs dt) ·(M/ρNA) =

dxdep (ϕ)/dt = M Vdep (ϕ)/ ρNA

( M = peso molecular, ρ = densidad, NA = No. Avogadro)

dAs

ϕr

W

Aevap

θ

90º

dω (ángulo sólido)

Ejemplo práctico:

Deposición de Al a partir de una fuente, Aevap = 1 cm2, en dirección normal (cos ϕ = 1) y en un plano perpendicular a la dirección (cos θ = 1), a 15 cm (valor típico):

Tevap = 1220 ( pvap = 10-2 mbar), M = 27 (con p = 0 y α = 1): ρ = 2.7 gr/cm3

Vdep = Vevap /707= 2.5 x 1015 atom/cm2 s

dxdep/dt = 0.41 nm/s.

Notar:

En condiciones de evaporación pres ≈ 10-5 mbar, para el O2 el nº de choques contra substrato es, dNi/Adt = 3,6 x 1014

atom/cm2 ·s, luego el nivel de contaminación de oxígeno atómico (2 átomos por molec.) podría alcanzar hasta 30 %. →

Necesidad de utilizar ritmos de evaporación altos

Al

r =15 cm

Substrato

Aevap = 1 cm2

Vevap = 1,75 x 1018 atom/cm2 ·s

• Uniformidad de las capas evaporadas:

Para puntos alejados una distancia l de la normal:

cos ϕ = cos θ = h/r,

r2 = h2 + l2 ,

resultando:

Vdep (ϕ) = Vevap Aevap As /π h2 {1 + (l/h) 2}2

p.e., para l/h = 0.2, la disminución de velocidad es ≈ 10 %.

• Conveniencia de usar un sistema planetario, con la fuente y los substratos situados en la circunferencia de una esfera. Se cumple entonces para todos los puntos de la esfera:

cos ϕ = cos θ,r = 2R cos θ

Vdep = Vevap Aevap / 4πR2

(Uniforme sobre toda la esfera)

Fuente evaporación

Substratos

dAe

ϕ

θ

rR

substratol

θ

rh ϕ

Fuente

2. FUENTES DE EVAPORACIÓN TÉRMICA

2.1. Filamento y hoja metálica

• Descripción: Calentamiento mediante corriente eléctrica a través de un filamento u hoja sobre el que se deposita el material a evaporar (metales).

• Materiales típicos usados para el filamento: Ta, Mo, W, es decir aquellos con p* ≈ 0, a Tevap = 1000-2000 ºC. Conveniencia de que el evaporante moje el metal para evitar que se desprenda.

• Esquema:

(a) (b)

2.2. Crisoles

• Descripción: Calentamiento de un crisol mediante corriente eléctrica o bobina de inducción, enrollada sobre el recipiente.

• Materiales: Grafito, óxidos y nitruros refractarios. Cuando se trata de materiales conductores (como el grafito) el calentamiento puede efectuarse por inducción.

• Esquema:

Recipiente (crisol)

Filamento

• Fundamento: Crisol con un pequeño orificio o tubo calentado mediante resistencia (p = 0, además α ≈ 1, → Vevap es máxima). En condiciones de UHV, el flujo de salida del vapor se realiza en el régimen molecular, en forma de haz molecular. Flujo emitido según la ley del coseno.

Aplicación en técnicas de MBE en las que se requiere una velocidad de evaporación muy baja y controlada.

• Esquema:

2.3. Fuentes de sublimación

- Descripción: Calentamiento directo, mediante un horno, de materiales volátiles, es decir, aquellos para los cuales Tevap < Tfus, p.e.: Cr.

- Esquema:

Barra de cromo(Tevap = 1400 ºC)

Resistencia de calentamiento

Pantallas de radiación

Material sublimado

2.4. Células de efusión (Knudsen):

Termostato(control T)

Material a evaporar

2.5. Cañón de electrones

− Descripción: Evaporación producida por bombardeo de una corriente de electrones de alta energía, generalmente varios KeV (cañón de e-) .

− Fundamento: Emisión de e- producida mediante un filamento incandescente (cátodo), los cuales son acelerados hacia un ánodo mediante una d.d.p. elevada (kilovolts). El ánodo puede ser el propio crisol o un disco perforado situado en sus proximidades (cañones auto-acelerados). A menudo se incluye un campo magnético para curvar la trayectoria de los e- y dirigirla de forma controlada hacia el crisol.

− Características:

Alta densidad de potencia (varios kW) → Control de vel. de evaporación desde valores bajos hasta muy altos.

Crisol refrigerado → Evita problemas de contaminación.

Posibilidad de evaporar metales con alto punto de fusión.

Equipo complejo, con coste elevado

− Esquema:

Haz de e-

(enfoque magnético)

Cañón electrones(filamento)

Crisol

AguaRefrigeración

Sistemavacío

Substratos

Flujo de vaporFundente

Fuente Alta Tensión (1-10kV)

3. EVAPORACIÓN DE ALEACIONES, MEZCLAS Y COMPUESTOS

• Problemas con la diferencia en la presión de vapor de cada componente → Diferente Tevap → Evaporación incongruente

• Algunas aleaciones se evaporan en forma congruente, p.e., permalloy(85 % Ni- 15 % Fe)

• Conveniencia de las técnicas de sputtering para control de la composición, p.e. en caso del nichrome (80% Ni - 20% Cr)

• Técnica de evaporación por ‘flash ‘→ control de la composición.

• Aumento de la congruencia mediante bombardeo e- cuando pvap es similar (después de un transitorio la mezcla fundida se enriquece por difusión de la fase sólida). Ej.: nichrome, Ti-6Al, Ag-5Cu, etc. Ver esquema:

Fuente de material

Flujo evaporado

Difusión de la fase sólida

Material fundido

• En el caso de compuestos puede haber problemas de disociación (Ver Tabla, pág. siguiente)

• Ejemplos de compuestos que no se disocian a Tevap : SiO, SnO, GeO, MgF2, CaF2, B2O3,

• Los compuestos del grupo II-VI se disocian pero tienen pvap similar →Posibilidad de control de la composición mediante evaporación separada.

• Los compuestos del grupo III-V tienen pvap muy diferente → problemas de evaporación.

Tabla: Datos de evaporación de algunos compuestos inorgánicos

CompuestoEspecies

predominantes en el vapor (*)

Temperatura fusión

(ºC)

Temperatura evaporación

(ºC)

Materiales de soporte

Al2O3Al, O. AlO,

Al2O, O2(AlO)22030 ∼1800 Mo, W

SiO SiO - 1025 Mo, Ta

SiO2 SiO, SiO2 1730 ∼ 1250 Mo, Ta, W

TiO2 TiO, Ti, TiO2 1840 - -

ZrO2 ZrO, O2 2700 - -

ZnS - 1830(150 atm) 1000 Mo

CdS S2, Cd, S, 1750(150 atm) 670 C, Mo, Ta,

W, Al2O3

MgF2MgF2, (MgF2)2,

(MgF2)31263 1130 Mo

CaF2 CaF2, CaF 1418 1300 Mo

(*) Ordenados según su abundancia en el vapor

4. EVAPORACIÓN REACTIVA Y ACTIVADA

4.1. Evaporación reactiva

• Posibilidad de formar compuestos mediante evaporación en atmósfera reactiva, p.e. óxidos metálicos (cuando no se pueden depositar directamente):

• Tabla: Datos de evaporación reactiva de algunos óxidos

Metal evaporado

Oxido depositado

Presión O2Torr

Vel. Depos.Å/s

Temp. Substr.ºC

Al Al2O3 10-5 -10-4 ∼ 1 400-500

Cr Cr2O3 2x 10-5 ∼ 2 300-400

Ta Ta2O5 10-4 -10-3 ∼ 2 700-900

Ti TiO2 10-4 - 300

Ba+Ti BaTiO3 10-2 2-8 770-1025

• Problemas para conseguir una condensación alta de moléculas de oxígeno, para PO2 altas (debido a la dificultad de disociación del O2).

• Ejemplo: Preparación de capas de SiO2 por evaporación de Si en atmósfera de O2 → Necesidad de usar concentraciones elevadas de O2para obtener películas estequiométricas (ver gráfica)

• Degradación de las propiedades de compuestos al evaporar en PO2elevadas → Soluciones: - Vel. de evaporación baja

- Temperatura substrato alta- Activación mediante plasma

Rel

ació

n O

/Si

en la

cap

a

Relación de átomos O2/Si que alcanza la superficie

10-1 100 101 102 103

1.0

2.0

0

4.2 Evaporación reactiva activada (ARE):

− Descripción:

Descarga eléctrica en forma de plasma entre dos electrodos en la región del vapor con objeto de disociar las moléculas del vapor de O2 (o de otro gas reactivo) por efecto del plasma.

El potencial aplicado suele ser pequeño (20- 100V), si embargo la descarga puede ser auto-mantenida por efecto de los electrones secundarios emitidos en el crisol que actúa de cátodo.

Como resultado, hay un cierto intercambio de carga entre las partículas evaporadas y los iones del plasma, que son acelerados hacia los substratos donde se produce la reacción.

− Aplicación: preparación de capas de óxidos, nitruros y carburos.

− Esquema:

Fuente alimen-tación

Sistema de evaporación

Sistemavacío

Substratos

Flujo de vapor

Gas reacción (O2)

Plasma +

-

5. OTROS MÉTODOS DE EVAPORACIÓN

5.1. Ion plating

- Descripción:

Sistema de evaporación convencional (térmica, bombardeo de electrones) asistido mediante la formación de una descarga eléctrica en forma de plasma entre el propio filamento de evaporación (ánodo) y el soporte de los substratos (que actúa de cátodo).

- Esquema:

- Notar:

Configuración muy similar a la del ‘sputtering’, donde el filamento (o cañón de electrones) actúa de ánodo y los substratos de cátodo (configuración tipo diodo)

Fuente alimen-tación

Sistema de evaporación

Sistemavacío

Substratos

Flujo de vapor

Gas reacción (O2)

Plasma

-

+

- Características de la técnica de Ion Plating:

Debido a la descarga, existe un bombardeo de iones positivos sobre los substratos durante la evaporación (aunque el porcentaje de ionización es pequeño). El efecto global se traduce en un aumento de la energía de llegada de los átomos al substrato, produciendo:

· Mayor difusión superficial· Disminución del efecto de sombreado· Aumento de la densidad de las películas. Aumento de la adherencia al substrato

Posibilidad de bombardeo de los substratos antes de evaporación →efecto de limpieza de la superficie

Posibilidad de deposición de compuestos añadiendo un gas reactivo →Aplicación en recubrimientos duros

5.2. Evaporación por arco catódico.

- Descripción:

Basada en la descarga por arco entre un electrodo (ánodo) y un blanco (cátodo) del material a evaporar. Generalmente, el arco estáformado por eventos sucesivos de corriente, de muy corta duración, en puntos localizados de la superficie. La alta energía de la descarga es capaz de fundir y evaporar pequeñas cantidades del material en la superficie del cátodo.

La descarga se inicia mediante un sistema de ignición formado por un electrodo auxiliar situado en las proximidades del cátodo, el cual se alimenta mediante un pulso de alto voltaje o, alternativamente, de bajo voltaje y una aproximación mecánica del electrodo al cátodo.

Los pulsos de descarga se mueven aleatoriamente sobre la superficie a una velocidad ≈ 100 m/s. El movimiento puede ser controlado mediante la presencia de campos magnéticos apropiados (arcos confinados).

- Esquema de un evento de evaporación mediante descarga en arco:

Iones metálicos

Cátodo

Ánodo

Descarga en arco

Plasma denso

⊕

⊕

Átomos neutros

Micro-gotas (bajo ángulo)

1-20 μ

- Características de la evaporación por arco:

• Formación de un plasma, con densidad de iones elevada (≈ 100 % ioniz.):

- Permite direccionar la trayectoria del material hacia el substrato- Átomos muy reactivos → facilidad para la formación de

compuestos estequiométricos (p.e., TiN)

Evaporación en forma de micropartículas que conservan la composición del blanco → Aplicación en la deposición de compuestos y aleaciones metálicas.

Permite introducción de gases reactivos (O2, N2, CH4, etc) para la preparación de óxidos, nitruros y carburos, etc.

Condensación de átomos con mucha energía (10-100 eV).

Posibilidad de añadir un voltaje de polarización (bias) al substrato con objeto de aumentar la energía de llegada de los iones del plasma a la superficie del substrato → densificación de la capa y aumento de la adherencia y dureza.

Alta velocidad de evaporación → Aplicaciones técnicas para recubrimientos de capas gruesas de compuestos (p.e. TiN) sobre un gran número de substratos.

Problemas debidos a la formación de micro-gotas y no-uniformidad de erosión del blanco. Se evita mediante:

- Reducción de la corriente de descarga- Aumento de la presión del gas reactivo (si procede) - Técnicas de guiados magnético y arco distribuido

(Uso limitado a aplicaciones metalúrgicas y tribológicas)

Necesidad de refrigeración del cátodo, excepto cuando se usan arcos pulsados.

-Esquema de un equipo de evaporación por arco:

Cuadro resumen

PARÁMETRO RANGO

Voltaje aplicado 15-50 V

Corriente 30-400 A

Densidad de corriente (arco) 107- 1010 A cm-2

Potencia desarrollada 109 W cm-2

Tamaño del cráter 1-20 μm

Velocidad de movimiento del ‘spot’ 100 ms-1

Densidad del plasma 1014 cm-3

Grado de ionización 01-1.0

Energía de los iones 25-75 eV

Temperatura electrones 3-10 eV

Cátodo

Refrigeraciónde agua

Sistemavacío

Substratos

Flujo de vapor

Plasma

- +Fuente

alimentación (0-50 V dc)

Circuito ignición

Ánodo

5.3. Evaporación por LÁSER pulsado (PLD) o “Ablación láser“

- Descripción:

Evaporación de material (blanco) mediante irradiación con luz láser de alta energía (láser pulsado)

- Fundamentos del proceso:

La absorción de un pulso de luz (anchura 20-30 ns, densidad de energía 1-10 J cm2) produce un calentamiento hasta la evaporación de unas decenas de nm de la superficie del material (“pluma”) en forma de átomos y moléculas neutros o ionizados con energías de decenas de eV.

- Esquema:

Láser

Vacío

Ventana

Porta-substratos

Blanco

Pluma

Características de la ablación por laser:

Técnica muy simple. No requerimientos fuertes de vacío.

Posibilidad de evaporar una gran variedad de materiales (T blanco: 2000- 3000 ºK).

Intensidad umbral ≈ 1-2 J/cm2 para pulsos de λ = 248 nm y duración 20-30 ns. Velocidad de crecimiento espesor ≈ 200 nm/s (≈ 0.1 nm por pulso)

Evaporación debida al calentamiento localizado del substrato →Conservación de la composición del blanco → Útil en la evaporación de compuestos óxidos (materiales ferroeléctricos, superconductores, etc.).

Formación de un plasma o “pluma”, compuesto por átomos y iones muy energéticos → Formación de capas densas (Energía átomos ≈varios eV). (Similar a la deposición por arco).

Formación de micro-gotas para altas intensidades.

No-uniformidad de erosión (formación de cráteres) → Necesidad de rotación del blanco.

5.4. Proyección térmica (‘thermal spraying’)

- Fundamento de la técnica de ‘Proyección térmica’:

Término genérico para designar diferentes técnicas en las cuales se realiza un depósito en forma de recubrimiento a partir de un material fundido mediante un proceso de activación en un plasma térmico. Para ello, se introduce polvo del material en la región del plasma, de forma que el material fundido se proyecta después en forma de pequeñas gotas sobre la superficie a recubrir.

Recordar algunas características de los plasmas térmicos:

Alta densidad de partículas: ≅ 1010 e- /cm3

Temperaturas de los e- y de los átomos o moléculas neutras iguales Energía de las moléculas y átomos muy elevadaPresión del gas de átomos elevada →Transferencia de energía del plasma a los átomos del gas y las partículas del polvo muy eficiente.

- Esquema del proceso de proyección térmica:

polvo

substrato

Plasma (antorcha de combustión o arco)

depósito

Partículas fundidas o semi-fundidas

gas

− Procesos de activación de las partículas en el plasma:

Según sea el método para excitar el plasma, se pueden distinguir dos tipos de procesos de activación:

1. Combustión de gases (acetileno, propileno, propano o incluso hidrógeno) en oxígeno, y a menudo a presión alta (dependiendo de la técnica empleada). → Técnicas de antorcha de proyección.

La temperatura de la llama es alrededor de 3000 ºC mientras que la velocidad de salida de las partículas del plasma varía entre 40 y 100 m/s. Con objeto de aumentar la velocidad, se han desarrollado nuevas técnicas basadas en la combustión a presiones muy elevadas. En la técnica de HVOF (high velocity oxy-fuel) hay una expansión brusca de los gases de combustión experimentando una fuerte aceleración a la salida, alcanzando la velocidad valores supersónicos (400-800 m/s).

Esquema de la técnica de antorcha de proyección (‘Flame spray’ o Combustion Spray’):

Polvo del material a depositarAgua

refrigeración

Gases combustión

Antorcha (plasma)

2. Descarga en arco entre dos electrodos en la atmósfera formada por la corriente de gases → Técnicas de proyección por arco.

En este caso, la descarga eléctrica suele hacerse en un gas inerte, y la temperatura del gas en el plasma es del orden de 15.000 ºC para una potencia de descarga de 40 kW en c.c. La velocidad de salida de las partículas oscila entre 100 y 300 m/s. También es posible utilizar descargas en corriente alterna, a través de una bobina de inducción dispuesta alrededor del tubo de salida de los gases.

Esquema de la técnica de proyección por arco (‘Arc Spray’ o ‘Plasma spray’):

- +

polvoAgua refrigeración

Fuente Alimentación

Antorcha (plasma)

Gas de plasma (Ar)

ánodo

cátodo

− Características comunes a ambas técnicas:

Dependiendo de la temperatura y de la velocidad de los gases en el plasma (según el caso), las partículas del material pueden alcanzar la temperatura de fusión y alcanzar la superficie del substrato en estado fundido o semi-fundido.

Estos mismos factores (temperatura y velocidad de los gases en el plasma) afectan también la estructura y morfología del depósito formado: bajas velocidades o temperaturas dan lugar a capas porosas, en forma de escamas.

En general, la densidad del plasma es muy elevada por lo que velocidad de deposición suele ser también bastante elevada (varias micras/hora), aunque la deposición es bastante direccional y localizada en la región de la llama.

Al mismo tiempo la técnica de proyección es simple y además, para un gran número de materiales (los no oxidables), no es necesario el uso de técnicas de vacío. Permite también la deposición de un gran número de compuestos, incluidos los de carácter refractario.

Todo ello hace que se trate de una técnica muy versátil, por lo que es ampliamente utilizada para depositar capas de gran espesor (varias centenas de micras) y sobre grandes superficies,para aplicaciones como barreras térmicas (en aeronáutica), revestimientos anticorrosivos, recubrimientos para implantes bio-médicos, etc.

6. CONCLUSIONES

- Las técnicas de evaporación están muy bien establecidas en la preparación de capas delgadas y de recubrimientos de diversos materiales:

elementos de tipo metálicocompuestos: óxidos, carburos y nitruros

- Empleo en una gran variedad de aplicaciones:

capas de metalización en circuitos y componentes electrónicoscontactos eléctricos en dispositivosrecubrimientos ópticos (espejos, películas antirreflectantes, etc.)recubrimientos duros (herramientas y piezas mecánicas)recubrimientos protectores (anticorrosión, barreras térmicas)

- Existen técnicas de evaporación con diferentes características según el sistema de calentamiento:

Filamento incandescente → Fácil de implementar. (Válido para metales de p. fusión bajo)Bombardeo de e- → Complejo. Útil para metales de p. fusión alto.Ion Plating’ → Permite aumentar energía de llegada de los átomosEvaporación por arco → Velocidad alta de evaporación. Permite depositar compuestos. Aplicaciones tecnológicasAblación láser → Técnica simple y versátil. Mantiene la composición de los blancos.Proyección por plasma → Muy energética. Aplicaciones industriales. Válida para grandes superficies. No requiere vacío. Espesores elevados.

− Inconvenientes de las técnicas de evaporación en vacío:

En las técnicas de evaporación térmica o bombardeo de e- y de ion plating:

· Problemas de direccionalidad, asociados a la deposición en vacíos altos → Necesidad de usar sistemas planetarios o rotación del substrato para aumentar la homogeneidad del depósito.

· Problemas asociados a las altas temperaturas de evaporación → Calentamiento de paredes, desorción de gases, contaminación.

· Degradación rápida del filamento cuando se trabaja en atmósferas reactivas.

· Dificultades en la evaporación de aleaciones y compuestos para mantener la composición del material evaporado.

· Espesor de las capas, típicamente, menor de 1 μm.

En las técnicas alternativas ablación láser, arco y proyección térmica:

· Formación de micro-gotas

BIBLIOGRAFÍA

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