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El efecto de la duración y de la temperatura a la que se realiza el limpiado iónico por pulverización catódica sobre la evolución microestructural de las capas, se muestra en la figura 2.6. Las capas más uniformes y de mayor grosor son observadas a tiempos específicos de limpiado iónico para cada temperatura: 30 min para la tratada a 350 °C (muestra 2) y 15 min para la tratada a 400°C (muestra 6). La figura 2.10 muestra las morfologías superficiales de las muestras nitruradas; obsérvese la correlación entre la rugosidad de las muestras; efecto que será discutido más adelante.

La capa de AlN formada exhibe una morfología columnar evidente, figura 2.11, que muestra una región donde la capa se fracturó. La fractura de la capa de AlN tuvo lugar en diversas regiones de la superficie y coincide con las observaciones realizadas por otros autores [14,25,40,42]; quienes lo atribuyen a los esfuerzos desarrollados durante la fase de nitruración, o a los esfuerzos

entre los coeficientes de dilatación térmica que hay entre el Al y el AlN; e incluso la fusión superficial localizada del substrato no se puede descartar como causa de la fractura. Es evidente que para ambas temperaturas el incremento en la duración del limpiado iónico condujo a un incremento en la rugosidad superficial de la capa final indicando una pulverización catódica más severa de los límites de grano en la superficie. La pulverización preferencial de las fronteras de grano es también evidente en estas micrografías y puede ser el resultado de la segregación de fases más blandas en estos lugares, como lo ha señalado Stock y colaboradores [25]. La pulverización catódica preferencial delinea la estructura de la capa de AlN en las muestras donde se formaron capas más gruesas de AlN (muestras 2 y 6). El tamaño de grano y la microestructura que desarrollaron los substratos presentan diferencias con respecto a la microestructura de la muestra no nitrurada, figura 2.1(b), indicando que la recristalización del substrato tuvo lugar durante el procesamiento y en algunos casos extremos hubo fusión incipiente de la superficie, como se discute más adelante.

Figura 2.7. Espectros EDERX de la superficie cercana a la región central: a) muestra 2 y b) muestra 6.

(a)

Figura 2.8. Difractogramas de DRXAR tomados en la superficie de las muestras 2 y 6.

Basados en las observaciones previas, es evidente que períodos más largos o temperaturas más elevadas durante el limpiado iónico por pulverización catódica no necesariamente resultan en capas continuas de mayor grosor o más uniformes. El tiempo óptimo para formar una capa uniforme y continua de AlN puede estar asociado a una competencia entre el limpiado de la capa de óxido superficial y la generación de la rugosidad, ambos generados por la pulverización catódica. Períodos demasiado cortos dan como resultado un limpiado incompleto del óxido superficial por la pulverización catódica, lo que conduce a la formación de una capa discontinua debido a que la nitruración sólo puede tener lugar en las regiones sin óxido. Por otra parte, períodos de pulverización catódica muy extensos conducen al desarrollo de una superficie rugosa donde las capas de AlN uniformes son difíciles de producir o requieren de un tiempo largo para lograr que se logre la cobertura de un área más extensa. Estos resultados están en concordancia con el trabajo de Stock y colaboradores [25], quienes sugirieron que mayores rugosidades debido a la pulverización preferencial de las fronteras de grano por períodos más largos previenen la formación de capas uniformes; concluyendo que hay un período óptimo de pulverización catódica que elimine la capa de óxido pero que no genere mayor cantidad de defectos superficiales que afecten la calidad del nitruro generado posteriormente.

Figura 2.9. Espectros de EFERX de la superficie de: a) pico Al 2p y b) pico N 1s de la muestra 2; c) pico Al 2p y d) pico N 1s de la muestra 6.

Considerando el efecto de la temperatura, el tiempo de limpiado iónico óptimo por pulverización catódica fue menor a temperaturas mayores. Sin embargo, las características de la capa desarrolladas a temperaturas inferiores son mejores en términos de uniformidad y grosor. Esto puede ser explicado considerando que una temperatura mayor demanda mayores voltajes para ser sostenida, y por ende, produce iones más energéticos que conducen a una pulverización más severa en menor tiempo. Esta es la razón por la que se observó que menores períodos resultaron en mayor rugosidad en las muestras tratadas a 400°C. Adicionalmente, temperaturas de tratamiento mayores también resultan en el engrosamiento de la estructura del substrato, lo que no es deseable en la mayoría de las ocasiones.

Figura 2.10. a) y b) Morfología superficial de las muestras 2 y 3, respectivamente. c), d) y e) Morfología superficial de las muestras 6, 5 y 4, respectivamente.

(c)

(a)

(b)

(d)

Figura 2.11. Micrografía tomada por MEB que muestra una región donde la capa de AlN está fracturada, muestra 2.

Además, para una temperatura dada, parece haber un gradiente en la estructura asociado a un gradiente en la temperatura desde el centro hacia el borde del substrato. La figura 2.12 ilustra la variación en la uniformidad de la capa y en la morfología superficial desde el borde hacia el centro de la muestra 2. El análisis de la superficie demuestra que la estructura cambia de una distribución discontinua de nódulos en una superficie rugosa en el borde la muestra, a una morfología de grano uniforme en el centro.

La estructura nodular cerca del borde, también es observada sobre las muestras que no formaron una capa de AlN continua, indicando que esta morfología tipo “coliflor” precede la formación de una capa continua. La morfología tipo “coliflor” también ha sido observada en estudios de formación de AlN por implantación iónica [37,39]. La morfología superficial en el centro de la muestra se caracteriza por ser de tipo granular y delineada por ranuraciones profundas. El tamaño de estos granos es semejante al tamaño de los granos del substrato mientras que las ranuraciones profundas coinciden con las fronteras de grano. Este efecto se aprecia en la figura 2.13, donde se muestran vistas típicas de la sección transversal y superficial cercanas al borde de la muestra 4. La figura 2.13(a) muestra granos grandes inmediatamente por debajo de la superficie y granos con estructura tipo dendrítica pequeños en la superficie. La figura 2.13(b) es una vista superficial que corresponde a este tipo de región donde la superficie de granos tipo dendrita es evidente y una disrupción de la capa de AlN se produjo. Este tipo de estructura es característica de una morfología de solidificación que sugiere fuertemente una fusión parcial en esta región. Cerca del centro de la muestra, este tipo de morfología fue raramente observada. Estas observaciones son consistentes con temperaturas más altas en el borde de las muestras que produjeron una superficie rugosa como se describió antes y regiones locales fundidas. Por otra parte, la menor temperatura en el centro produce capas de AlN más gruesas y uniformes debido en parte a que la pulverización catódica es menos severa. La diferencia en temperatura se puede originar del efecto intensificador del bombardeo iónico en las esquinas, en donde al haber mayor superficie expuesta la disipación de calor por este efecto es mayor a la región plana.

Figura 2.12. a) y b) Vistas de la superficie en regiones próximas al borde y centro de las muestras tomadas en MEB y c) y d) Vista de la sección transversal en regiones próxima al borde y centro de las muestras tomadas en MO en la muestra 2 mostrando la variación en la microestructura desde el borde al centro.

Figura 2.13. (a) Sección transversal por MO y (b) Vista superficial tomada por MEB que muestran la microestructura en la condición de “solidificada” cerca del borde en la muestra 4.