Control Flow Semantics

La figura 4.6 muestra el mecanismo propuesto para la formación de capa de AlN en el proceso NAP, el cual está en concordancia con los resultados microestructurales y de identificación de fases obtenido. El proceso inicia con la eliminación de la delgada capa impermeable de Al2O3

como resultado de la etapa de limpiado iónico por pulverización catódica, figura 4.6(a). En esta etapa algo de rugosidad se espera debido a la pulverización preferencial severa de los límites de grano y de la blanda superficie de Al, por los iones altamente energéticos producidos en este proceso. Es importante mencionar que una de las consecuencias del bombardeo iónico es el calentamiento del substrato lo que aunado al calentamiento externo puede conducir al crecimiento de grano y la precipitación, e incluso a la fusión superficial en cualquier etapa del proceso.

La secuencia de eventos propuestos a continuación durante la nitruración están basados en la caracterización de la atmósfera durante la producción de AlN por nitruración iónica, estudio realizado por Quast y colaboradores [20], y solo para las condiciones actuales en las que se llevaron a cabo estos experimentos: alta temperatura del substrato, bombardeo iónico intenso y presiones intermedias de nitruración. Este estudio señala que durante la nitruración, además de las especies de Ar+ _{y Al}+ _{ya presentes durante la etapa de limpiado iónico por pulverización}

catódica, aparecen ahora iones de N+ + N2+. En concordancia con los autores, las especies de N2+

(a)

(b)

(c)

son más abundantes pero menos energéticas que los iones de N+, los que a pesar de estar en menores cantidades, muestran una distribución de energía con un pico en los valores más elevados posibles para el voltaje aplicado. En principio, ambos iones pueden reaccionar con la superficie de Al, libre de óxido, para formar partículas de AlN; sin embargo, se esperaría que las especies de N+ reaccionen más fácilmente, ya que la reacción con N2+ podría involucrar una etapa

extra de disociación para formar iones de N+ antes de que puedan formar moléculas de AlN. Además, las partículas de N+ más energéticas pueden también penetrar la superficie de Al para reaccionar con los átomos de Al en el interior del substrato.

Figura 4.5. (a) y (b) Vistas de las muestras DFV 15 y 26 obtenidas por MEB, respectivamente.

(a)

(b)

Figura 4.6. Mecanismo de formación de la capa por procesos NAP propuesto. (a) limpiado iónico y pulverización preferencial de fronteras de grano; (b) formación de núcleos de AlN; (c) pulverización preferencial del aluminio circundante a los núcleos de AlN y formación de nuevos núcleos; (d) formación de AlN en Al del substrato expuesto por bombardeo iónico; (e) consolidación de superficie nitrurada y rugosa; (f) elevación local de temperatura y erupción de Al; (g) nucleación de AlN sobre Al desparramado en la superficie; y (h) consolidación de capa constituida de Al + AlN. (Original en colores)

Una vez que se forma el núcleo de AlN, figura 4.6(b), el bombardeo continuo de iones de N+ + N+2 y Ar+ conduce a la pulverización preferencial del Al blando que se encuentra alrededor de los

núcleo de AlN (y Al donde esté expuesto en la superficie) formando las protuberancias superficiales que se ven en la figura 4.6(c). Estimaciones de la cedencia iónica debida al bombardeo de iones de Ar y N sobre substratos de Al y sobre substratos de compuestos semejantes a los del AlN, realizadas mediante TRIM [66], demuestra que la cedencia del substrato es del orden de dos veces mayor para el Al que para el compuesto, demostrándose la factibilidad de este mecanismo. El posterior crecimiento del AlN puede ahora tener lugar por debajo del núcleo inicial hasta un espesor que permite la penetración de los iones para alcanzar la interfaz AlN/Al y reaccionar ahí con el Al del “substrato”, figura 4.6(d). La difusión del nitrógeno a través del AlN para alcanzar el “substrato” de Al y reaccionar con él para formar AlN no se esperaría si el AlN formado es estequiométrico, ya que el rango de solubilidad del N en AlN es prácticamente nulo. De esta manera, en un principio se forman protuberancias compuestas de una mezcla de Al + AlN con una corteza o capa exterior de AlN y un núcleo de Al sin reaccionar. Simultáneamente, sobre el resto de la superficie de Al expuesta y cercana a las protuberancias, muchos núcleos se pueden formar y el proceso se repite hasta que eventualmente toda la superficie es cubierta por una estructura rugosa la que es una fina mezcla de nódulos de AlN + Al. Puesto que ahora la superficie de Al está cubierta con AlN, figura 4.6(e), y el transporte de N a través de ella no es viable, el crecimiento adicional de la capa puede ocurrir por la fusión local de los “corazones” de Al y la erupción del Al fundido a través de las zonas de AlN delgadas (algo de AlN se repulveriza catódicamente), figura 4.6(f). Una vez que el Al sale y fluye sobre la capa de AlN superficial (probablemente por capilaridad), solidifica ahí y el proceso de nucleación de AlN se repite, figura 4.6(g). Incluso no se puede descartar la formación de AlN en el Al fundido ó líquido. De acuerdo a este mecanismo, continuamente se forma una capa compuesta por una fina mezcla de AlN + Al, figura 4.6(h), lo cual puede explicar la presencia de Al en la superficie como evidencia el análisis por DRXAR y en parte la rugosidad superficial observada. La presencia de una red fina de Al en la capa formada puede también explicar por qué se obtuvieron capas relativamente gruesas en comparación con algunos de los trabajos reportados en la literatura, cuyos grosores son limitados por la naturaleza dieléctrica de una capa enteramente formada de AlN. Además, también se espera que la presencia de Al en la capa de AlN puede tener un efecto benéfico sobre su resistencia al desgaste debido a que incrementa la tenacidad de la capa. Chen y colaboradores [14] y Quast y colaboradores [21] también reportaron Al metálico intermezclado en las capas de AlN obtenidas por los procesos NAP. En este mecanismo, es claro que el bombardeo de iones de alta energía del substrato es central en la formación de AlN en los procesos NAP, pero también conduce a morfologías de substrato y capa indeseables.