Recubrimiento al vacío mediante tecnología de pulverización catódica 28 de abril de 2021
La pulverización catódica es un proceso en el que los átomos se expulsan de un material objetivo sólido debido al bombardeo por partículas de alta energía. Hoy en día, es un proceso más maduro, su uso es generalizado y la tecnología utilizada avanza rápidamente.
El efecto de la pulverización catódica fue observado por primera vez por Grove en 1852 y Faraday en 1854. Las primeras discusiones y publicaciones teóricas sobre la pulverización catódica se publicaron antes de la 1a Guerra Mundial, pero no surgió realmente hasta la década de 1950. En aquel entonces, el desarrollo de recubrimientos se centraba más en la evaporación. Sin embargo, en los años 60, algunos de los primeros productos industriales producidos en serie con tecnología de pulverización catódica fueron las placas de afeitar pulverizadas con cromo.
Pulverización catódica
En la pulverización catódica, un objetivo sólido es bombardeado por iones de alta energía. Estos iones se generan mediante una descarga en un campo de CC (pulverización de CC). El objetivo se encuentra en un potencial negativo de varios 100 voltios, mientras que el sustrato es el electrodo positivo. Mediante la introducción de un gas inerte (en la mayoría de los casos argón), se genera un plasma debido a la ionización del gas. A continuación, los iones Ar+ se aceleran hacia el objetivo. Aquí pulverizan material de cátodo, que luego se deposita en el sustrato. Esto funciona bien siempre que el objetivo sea metálico. Si el objetivo no es conductor eléctrico, se cargará positivamente rápidamente y este campo impedirá que los iones lleguen al objetivo.
Pulverización catódica de magnetrón
A menudo, se produce un campo magnético adicional debajo del objetivo. En este proceso, los electrones generados vuelan en largas pistas en espiral, lo que permite una mayor probabilidad de ionización. Esto conduce a mayores velocidades de pulverización catódica y a una mejor focalización en el objetivo.
Esquema de un dispositivo de pulverización catódica de CC
Esquema de un dispositivo de pulverización catódica de magnetrón
Pulverización reactiva
Pulverización de radiofrecuencia
La pulverización catódica por radiofrecuencia (RF-Sputtering) permite la deposición por pulverización catódica de materiales aislantes (no conductores).
La pulverización catódica de RF funciona utilizando la potencia suministrada en radiofrecuencias, a menudo fijadas en 13,56 MHz, junto con una red correspondiente. Al alternar el potencial eléctrico con la pulverización catódica por radiofrecuencia, la superficie del material objetivo se puede “limpiar” de una acumulación de carga con cada ciclo. En el ciclo positivo, los electrones se atraen al material o superficie objetivo, lo que le da un sesgo negativo. En el ciclo negativo, el bombardeo de iones del objetivo que se va a pulverizar continúa.
Sistemas de vacío para pulverización catódica: recubrimiento
El sistema de vacío de un recubrimiento por pulverización catódica es más complejo que en los evaporadores térmicos o de haz electrónico. Al igual que todas las estucadoras, se requiere una presión base en el rango de alto vacío. Esto es necesario para tener superficies limpias, especialmente en el sustrato, y evitar la contaminación por moléculas de gas residuales. Normalmente, las presiones base antes de iniciar el proceso de recubrimiento son de 10-06 mbar o mejores. A continuación, se introduce el gas de pulverización catódica, lo que significa un flujo de gas adicional que debe manejar la bomba de vacío. Los flujos de gas varían desde unos pocos sccm en campos de investigación hasta varios 1000 sccm en dispositivos de producción (nota: 1 sccm equivale a 1,69·10-2 mbar*l/s). Las presiones durante la deposición por pulverización catódica están en el rango mTorr, de 10-3 a unos 10-2 mbar. El flujo de gas suele ajustarse mediante un controlador de flujo, mientras que el grosor de la capa se regula mediante un controlador de grosor de película.
Bombas turbomoleculares para pulverización catódica
La bomba turbomolecular es el caballo de batalla clásico de los dispositivos de pulverización catódica. Permite una evacuación rápida a la presión base y permite grandes flujos de gas pulverizado. La mayoría de los dispositivos de laboratorio utilizan bombas mecánicas de tamaño medio en el rango de velocidad de bombeo de 300-1000 l/s, mientras que las bombas previas son bombas de paletas rotativas o bombas secas pequeñas (de desplazamiento o de lóbulos multietapa). En caso de pulverización catódica reactiva, en la que se añade oxígeno, asegúrese de que los lubricantes de las bombas (el cojinete de la TMP mecánica y el aceite de la bomba de paletas rotativas) no se oxiden. Una solución clásica es añadir gas de purga a la TMP y utilizar aceite con una alta resistencia al oxígeno en la bomba de vacío preliminar.
Hoy en día, los revestidores más grandes para la producción utilizan bombas turbomoleculares con suspensión magnética. Esto evita la oxidación del lubricante del cojinete y garantiza un mejor tiempo de actividad de la bomba. Los altos caudales de gas de pulverización catódica de argón también provocan una mayor carga de temperatura en la bomba. Por un lado, esto requiere una mayor aceleración debido a la mayor fricción del rotor. Por otro lado, el gas argón pesado es un conductor de calor deficiente y proporciona menos refrigeración al rotor. Cuando se trate de la presión de enfriamiento y la presión previa de la bomba con el rendimiento previsto, siga el diagrama de funcionamiento del fabricante de la bomba.
La presión en la cámara de pulverización se controla mediante controladores de flujo. El control mediante la velocidad de rotación de la TMP es demasiado lento, por lo que a menudo se cierra una válvula de mariposa adicional en la parte superior de la TMP durante la pulverización catódica. Actualmente, los sistemas de bombeo en seco son el estándar para bombas primarias magnéticas TMP.
Bombas criogénicas para pulverización catódica
Muchos dispositivos de pulverización catódica grandes utilizan bombas criogénicas. La ventaja de la bomba criogénica en esta aplicación es su alta velocidad de bombeo, especialmente para el vapor de agua, ya que la presión base se puede alcanzar más rápidamente. Algunas bombas criogénicas están diseñadas específicamente para procesos de pulverización catódica; estas bombas funcionan y se regeneran automáticamente. Tenga en cuenta que a altas velocidades de pulverización catódica, la capacidad de las bombas criogénicas puede alcanzarse en una semana.
Las primeras bombas criogénicas tuvieron que enfrentarse al problema de que el argón ya se podía condensar en el deflector, donde las temperaturas pueden ser tan bajas como 35 K. En este caso, el argón se condensa aquí, pero a presiones de vapor de tan solo 10-04 mbar. Después del recubrimiento, estas bombas cargadas no podían alcanzar la presión base de alto vacío requerida. Sin embargo, los controladores modernos de bombas criogénicas controlan la primera etapa del refrigerador criogénico con calentadores a temperaturas superiores a 70 K.
Las siguientes imágenes muestran algunos ejemplos de recubrimientos por pulverización catódica, desde el uso en laboratorio hasta grandes máquinas de producción.
En este blog, hemos mostrado los diferentes métodos básicos de las tecnologías de recubrimiento por pulverización catódica y la tecnología de vacío relacionada. La pulverización catódica es la tecnología más extendida y avanzada para el recubrimiento de películas finas para pantallas, aplicaciones solares, semiconductores, sensores y láminas.
