7.3 CAWEFA
7.3.4 Peer-to-Peer Message Exchange
La nitruración de aluminio y sus aleaciones mediante procesos NAP ha sido ampliamente estudiada y mucho se ha discutido respecto a las etapas que tienen lugar y los mecanismos asociados a éstas, como se describió en la sección 2.1 de este trabajo. Sin embargo, los mecanismos mediante los cuales es factible formar y crecer una capa de AlN no están totalmente elucidados, y han sido motivo de amplios estudios [18-24]. Así, tenemos que la mayoría de las tecnologías realizan la nitruración en “estado sólido”, donde la formación de una capa incipiente de AlN mediante procesos NAP involucra la eliminación o adelgazamiento parcial de la capa de óxido de aluminio, ambos por pulverización catódica; la adsorción de nitrógeno y su reacción con el substrato de aluminio. Una vez constituida una capa delgada de AlN, su posterior crecimiento involucra una competencia de procesos que son discutidos por diversos autores [22,24]. Sin embargo, los mecanismos mediante los cuales tiene lugar la difusión y síntesis del AlN para el crecimiento de estas capas recién constituidas no han sido totalmente explicados. Möller y colaboradores [22,105] realizaron experimentos de formación y crecimiento de capas de AlN en aluminio puro por medio de implantación iónica y por nitruración iónica con el objetivo de estudiar los mecanismos por medio de los cuales tiene lugar el crecimiento de estas capas. El experimento se basó en la nitruración a elevadas temperaturas (T/Tfusión = 0.7 – 0.8) de aluminio
puro policristalino, la que se realizó en dos etapas, empleando isótopos diferentes en cada una de ellas, 14N y 15N, y estudiando la evolución de las interfases al seguir la posición de un elemento traza12. La figura 7.2 presenta resultados parciales de dicho trabajo, mostrando las
12 Evidentemente el diseño de experimento usado por Möller [105] fue mucho más complejo de lo que se presenta
aquí. El experimento consisitió en producir AlN policristalino en dos etapas con diferentes isótopos de N, y con base a la evolución en los perfiles de concentración del Al y de los isótopos de N determinar el mecanismo que domina la difusividad en el compuesto AlN. Adicional a esto, se usó Au como elemento traza, el cual se implantó después de la primer etapa de nitruración con 14N a una profundidad de 160 nm, con una concentración de 0.65 % at. y cercano al
centro de la capa de AlN producida durante la primera etapa de nitruración iónica, mostrando un perfil de concentración gaussiana con una anchura a cada lado de la concentración máxima de 30 nm. Después de un “recocido” de 400 °C, el elemento traza no cambio su distribución, lo que demostró que la difusividad térmica del Au en el AlN es despreciable. Este resultado se usó para que después de la segunda etapa de nitruración, en este caso con 15N, y con base a la posición relativa con respecto a la superficie, se determinará si el crecimiento de la capa de
nitruro tuvo lugar en la interfaz AlN/substrato de Al o en la superficie del depósito de AlN. El resultado fue que el pico de concentración del Au cambio de posición desplazándose hacia la interfaz capa de AlN/substrato de Al, aún considerando los efectos de pulverización catódica que sufre el compuesto nitrurado. Este resultado demuestra que la
concentraciones de los elementos principales. En la figura 7.2(a), se presentan perfiles de concentración de 14N, Al y O posterior a la primera etapa de nitruración iónica. Obsérvese que la concentración de átomos de Al y 14N a lo largo del depósito, desde 0 hasta cerca de los 400 nm,
es prácticamente la misma por lo que se produjo básicamente AlN estequiométrico. La figura 7.2(b), presenta los perfiles de concentración de 15N, 14N, Al y O posterior a la segunda etapa de nitruración iónica. Es evidente que hay un gradiente en la concentración de átomos de Al, siendo mayor en la interfaz AlN/substrato de Al, superior a 0.5 x 1023 at./cm3, que en la superficie de la nueva capa de AlN, 0.4 x 1023 at./cm3, y menor a la cantidad estequiométrica del AlN. Sus resultados parecen evidenciar que el proceso de nitruración es controlado por la difusión de Al a través de la capa de AlN hasta reaccionar con el nitrógeno en la vecindad de la superficie externa, y que condiciones tanto de temperatura de tratamiento como de energías de los iones elevadas son condiciones indispensables para desarrollar capas de AlN gruesas; mientras que niveles relativamente bajos de estas dos variables conducirían a una condición de equilibrio entre los procesos de formación y pulverización catódica de AlN, lo que conduce a capas de AlN relativamente delgadas.
Figura 7.2. Perfiles de concentración de 14N (círculos abiertos), 15N (círculos llenos), Al (cuadrados) y O (triángulos) obtenidos por ERDA (por sus siglas en inglés, Elastic Recoil Detection Análisis). (a) Tratamiento térmico a 400 °C y (b) nitruración iónica posterior con 15N. (Adaptado de la referencia 105)
Meletis [106] concuerda con los resultados obtenidos por Möller [22] e incluso infiere que esta forma de crecimiento de la capa deriva en la forma nodular, tipo “coliflor”, del nitruro de
aluminio como consecuencia de minimizar la energía superficial del sistema. Meletis [106] justifica está conclusión en términos de que si el nitruro creciera por migración de átomos de nitrógeno a la interfaz AlN/substrato de Al, no habría posibilidad de que la superficie evolucionará en estos nódulos por que la formación del nitruro no tiene lugar ahí. En contraparte, los átomos de Al que migran de la interfaz AlN/substrato de Al a la superficie difunden hacia la superficie externa en forma perpendicular a la superficie discontinua, y por ende, la formación de AlN aumenta la “superficie libre” del nódulos, y por ende su tamaño, como una forma de reducir la energía superficial. Esta evidencia es poco común si tomamos en cuenta otros sistemas nitrurados por procesos NAP, p. ej. aceros inoxidables [22], en donde es la difusión del nitrógeno a través de la capa de nitruro lo que controla su cinética y crecimiento.
En el presente trabajo, se planteó un modelo que explica la formación de una capa de nitruro en condiciones de temperatura cercanas a las de fusión, figura 4.4 y sección 4.3. Sin embargo, falta precisar los mecanismos difusivos actúan durante el crecimiento de la capa de AlN en competencia con la pulverización catódica que tiene lugar en algunos procesos NAP y la modelación matemática correspondiente que comprendería el planteamiento y solución de las leyes de Fick, incluyendo un término que pondere el efecto de la pulverización catódica que tendría que ser valorado mediante modelación matemática; p. ej. usando SRIM [66].