Los avances en los procesos de pulverización catódica (Sputter Coating) han tenido y tienen un impacto profundo, aunque en gran medida invisible, en prácticamente todas las áreas de nuestro día a día.

Las mejoras en los recubrimientos de película delgada han sido posibles tanto por ampliar la gama de materiales que se pueden utilizar para crear recubrimientos, como por la mejora de la tecnología para depositar capas de película delgada.

Los métodos modernos varían según la aplicación, pero todos se centran en depositar capas de material que van desde unos pocos átomos hasta unas pocas micras. Uno de los métodos más populares para crear películas delgadas es el recubrimiento por pulverización catódica.

En este artículo abordaremos las distintas tecnologías de los recubrimientos de película fina y cómo los últimos avances en vacío pueden hacer que este proceso sea más eficiente, preciso y fiable.

Recubrimientos antirreflectantes / de alta reflectividad

Cuando la luz se mueve de un medio con un índice de refracción determinado a un medio con un índice diferente (como del aire al vidrio), parte de esa luz se refleja en lugar de transmitirse. Los revestimientos en capas permiten filtrar la luz de forma selectiva en función de las longitudes de onda. Por ejemplo, los recubrimientos en capas ayudan a proteger nuestra vista de los dañinos rayos UV.

La microscopía fluorescente moderna también ha permitido proporcionar una miríada de posibles combinaciones de tintes fluorescentes. La concesión del Premio Nobel de Química 2008 por el descubrimiento y desarrollo de la proteína verde fluorescente (GFP) contó con la ayuda del tipo de filtros que se describen aquí. Chroma Technology es una empresa que ofrece filtros personalizados y prototipos creados con recubrimientos ópticos de película fina pulverizados.

Células cancerosas HeLa cultivadas representadas utilizando proteínas fluorescentes para ilustrar el aparato de Golgi (naranja) y los microtúbulos (verde), con núcleos portadores de ADN teñidos de azul. Imagen cortesía de los Institutos Nacionales de Salud. Las excitaciones fluorescentes y las separaciones de color se logran utilizando filtros ópticos recubiertos de película delgada.

Recubrimientos de Óxido conductor transparente

Los recubrimientos de óxido conductor transparente (TCO) permiten la aplicación de recubrimientos conductores de electricidad casi invisibles. Los materiales más utilizados son el óxido de indio y estaño (ITO) y, más recientemente, el óxido de aluminio y zinc (AlZnO). Aunque rara vez se pueden ver, los recubrimientos de TCO se encuentran a diario en forma de pantallas de cristal líquido (LCD), pantallas táctiles e incluso células solaresutilizadas en la energía fotovoltaica. Los recubrimientos conductivos han permitido también el desarrollo de algunas tecnologías únicas para monitorización de tensión, así como un diverso expectro de distintos sensores de medida.

Recubrimientos de carbono tipo diamante

Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) se están volviendo menos exóticos y más accesibles a medida que empresas como Duralar Technologies desarrollan instrumentos de recubrimiento diseñados específicamente para fabricar recubrimientos DLC.

Estos recubrimientos se denominan así ya que proporcionan muchas de las mismas propiedades beneficiosas de los diamantes reales: resistencia a la abrasión (ya sea mecánica o química), dureza y lubricidad.

Estos revestimientos de alto rendimiento se están utilizando comúnmente en muchos procesos mecánicos que antes requerían grandes cantidades de lubricantes (típicamente a base de combustibles fósiles) para evitar el desgaste abrasivo. Los componentes de automóviles y los componentes de armas de fuego a menudo tienen aplicados recubrimientos DLC.

El DLC, al igual que los diamantes sintéticos, se aplica típicamente mediante deposición química de vapor (CVD).

Sistema Duralar Centurion para una aplicación productiva y rentable de DLC. Imagen usada con permiso

Recubrimientos duros biocompatibles

La pulverización también ha sido útil en la creación de recubrimientos biocompatibles. Uno de los desafíos para los fabricantes de dispositivos médicos ha sido encontrar materiales que tengan las propiedades necesarias (a menudo, resistencia al desgaste químico, biológico y mecánico) y que no estimulen una respuesta inmune.

Muchos materiales, que normalmente serían adecuados, no se pueden utilizar debido a su reactividad biológica. En muchos casos, los materiales que estimulan una respuesta inmune pueden protegerse y hacerse biocompatibles con recubrimientos duros apropiados. Los recubrimientos duros biocompatibles pueden tener el beneficio adicional de prevenir la adhesión celular no deseada. Los revestimientos típicos incluyen nitruro de titanio (TiN) y variaciones de este.

Recubrimiento para crear películas delgadas

Existen muchos métodos para depositar capas de película fina, como los descritos anteriormente. Uno de los procesos más populares se conoce como recubrimiento por pulverización catódica o "pulverización catódica" para abreviar (técnicamente una forma de deposición física de vapor).

El uso común de la palabra "rociar" significa expulsar o rociar; para recubrimientos de película fina, también es una descripción adecuada para el proceso de recubrimiento por pulverización catódica. El recubrimiento por pulverización funciona "rociando" moléculas de un objetivo sobre un sustrato adecuado mientras se encuentra a una presión extremadamente baja (condiciones de vacío). El material objetivo es bombardeado por iones de un gas inerte, comúnmente argón. Si bien el recubrimiento por pulverización catódica siempre funciona como se describió anteriormente, existen algunas variaciones en la forma en que ocurre el bombardeo que influyen en el diseño del sistema.

En Ion Beam Sputtering (IBS), los iones se generan en una fuente de iones dedicada y se aceleran hacia el objetivo. En la pulverización catódica de magnetrones, el objetivo también se conoce como el "cátodo" porque se aplica un gran voltaje negativo para crear un plasma a partir del gas inerte que se inyecta a su alrededor. Los iones del plasma son atraídos hacia el objetivo por el campo electromagnético. La energía cinética de los iones, libera algunas de las moléculas del objetivo y las expulsa. Algunas de las moléculas objetivo expulsadas llegan al sustrato con el que forman un enlace muy fuerte.

Las técnicas de pulverización normalmente requieren una evacuación inicial de la cámara, seguida de la adición de un gas inerte a partir del cual se crea el plasma (con mayor frecuencia argón). En la pulverización catódica reactiva, se agrega gas adicional (a menudo oxígeno o nitrógeno) para crear productos de reacción depositados sobre la superficie del sustrato. La creación de las condiciones adecuadas de la cámara requiere la coordinación de los niveles de vacío, la entrada de gas argón (o similar) y las entradas de los potenciales gases de reacción. Si bien las instalaciones de investigación y desarrollo pueden crear sus propios sistemas de pulverización catódica, también existen muchas opciones comerciales.

El papel del control de vacío en los sistemas de revestimiento por pulverización catódica

El rendimiento de los sistemas de recubrimiento por pulverización catódica depende de muchos factores, encontrándose entre los más importantes las presiones parciales del gas de proceso y la presión general del sistema. Obtener una baja latencia, alta precisión y rentabilidad, así como un control rápido, son generalmente los principales objetivos de diseño.

Los controladores de caudal másico de Alicat Scientific permiten un control muy rápido y preciso de los gases de entrada. Estos equipos pueden lograr un control en hasta 30 ms y, además, informar de múltiples parámetros al sistema (flujo volumétrico y másico, presión y temperatura) hasta 1.000 veces por segundo.

La precisión de estos controladores másicos es del 0.6% de la lectura para la mayoría de los equipos, lo que garantiza que se entreguen las cantidades adecuadas de gas. Estos dispositivos también pueden introducir gases en función de la "masa real" (peso real de las moléculas de gas suministradas) o cuantificar el número de moles para cálculos estequiométricos, lo que se traduce en un control de las entradas de gas (especialmente argón para la generación de plasma) rápido y sencillo.

El control del nivel de vacío dentro de la cámara de pulverización catódica también es un componente esencial del proceso de recubrimiento por pulverización catódica. Para ello, la nueva serie de controladores de presión “Conductor”  permite medir y controlar el nivel de vacío dentro de la cámara, integrando un medidor de vacío, un controlador de vacío y una válvula de mariposa independientes.

Esta serie de controladores gestiona cada uno de los elementos involucrados para garantizar que se logre el vacío necesario y que la cámara de pulverización catódica esté lista para comenzar la deposición de película delgada. A medida que comienza el proceso de deposición, la introducción de gases adicionales, así como los cambios de temperatura, pueden afectar las condiciones de la cámara y el posterior control del proceso. Durante todo el proceso, el controlador de presión trabaja para garantizar que el nivel de presión en la cámara de pulverización catódica se mantenga en armonía con los requisitos de control de su proceso.

Sistema de revestimiento al vacío típico que muestra un transmisor de presión, un controlador de presión y una válvula de mariposa.

Sistema de recubrimiento al vacío simplificado que muestra el controlador de presión de la serie conductor de Alicat reemplazando varios componentes.

La serie de controladores de presión “Conductor”, comparten las mismas interfaces digitales y analógicas que el resto de caudalímetros y controladores másicos y de presión de Alicat (también puede seleccionar otros protocolos industriales).

Estos equipos cierran la brecha que se encuentra comúnmente entre el flujo másico y los sistemas de control de vacío, lo que permite acceder fácilmente a los controles de proceso desde una interfaz común. También cuentan con una pantalla innovadora, que permite visualizar de un vistazo las condiciones de la cámara de pulverización catódica.

Todos estos instrumentos pueden fabricarse a medida según sus especificaciones y enviarse en días para su integración en su sistema, reemplazando múltiples componentes, aumentando la capacidad de respuesta del sistema y mejorando su eficiencia. 

Si tiene dudas o quiere profundizar en cómo podemos ayudarle a que su proceso, llámenos +34 91 805 19 10 o contáctenos por e-mail. ¡Estaremos encantados de ayudarle!