LIMPIADO IÓNICO Y NITRURACIÓN EN LOS PROCESOS NAP
La nitruración de la aleación de aluminio se realizó estableciendo la descarga luminiscente debida a la caída de potencial entre el cátodo (substrato) y el ánodo (paredes del reactor); de ahí que a esta geometría recurrentemente se le llame tipo “diodo”. La fuente de poder utilizada para generar las descargas fue de corriente directa y se construyó en un trabajo previo [49]. Como parte de las posibilidades de dicha fuente se adaptó una tarjeta de adquisiciones de datos para captar señales de tiempo, voltaje, corriente, temperatura en el transformador, y temperatura en el substrato. Las corridas experimentales realizadas en este trabajo, y que se reportan en la tabla 2.3,
eventos que se comentan a continuación y que no son reportados en el capítulo 2 por falta de evidencia para establecer los fenómenos que tienen lugar, pero que se cree tienen una relación importante con el proceso de limpiado iónico y la posterior nitruración del substrato. La figura 7.1(a) muestra el gráfico de tiempo de pretratamiento contra corriente y/o voltaje. En la figura 7.1(b) se muestran fotografías que se tomaron a lo largo de la etapa de limpiado iónico; y que en la figura 7.1(a) se indican de que momento son representativos.
Como se puede observar, la descarga característica consiste de una emisión entre morada y rosada, punto 1. Lamentablemente, al momento de realizar esos experimentos no se tenía la posibilidad de monitorear la atmósfera reactiva mediante alguna técnica; p. ej. Espectroscopía de Emisión Óptica (EEO); sin embargo, basados en mediciones de EEO realizadas posteriormente durante la deposición física de AlN y tomando en cuenta la mezcla de gases y condiciones experimentales, es probable que dichas emisiones correspondan a longitudes de onda de aluminio y argón. Después de un tiempo de pulverización por bombardeo iónico, la demanda de corriente sufrió una caída drástica y se observaron fluctuaciones pequeñas en el voltaje aplicado, punto 2; pese a que el valor consigna no se modificó manualmente. Esta caída en la corriente estuvo acompañada por el cambio radical en la emisión óptica, siendo ahora de color verde turquesa en la zona externa a la descarga luminiscente y de color verde blancuzco en la zona cercana al substrato (cátodo). El proceso descrito se repitió cíclicamente durante aproximadamente 35 min (puntos 1 y 4) hasta que se introdujo el N2 para iniciar la etapa de nitruración, punto 5. Este comportamiento cíclico no ha sido reportado previamente en la bibliografía consultada en el presente trabajo [14-24]. Solamente Quast y colaboradores [20,21]; al estudiar la etapa de limpiado iónico durante la nitruración de aluminio puro y una de sus aleaciones, capturaron mediante una ventana los iones que bombardeaban el cátodo y los analizaron mediante un sistema de monitoreo de plasma determinando las intensidades de sus espectros de masa y distribuciones de energía y comparando la evolución de los iones de Al+ y O- con el tiempo durante esta etapa. Los resultados de Quast [19] permitieron evidenciar que el óxido de aluminio superficial es pulverizado en forma progresiva hasta que se elimina totalmente de la superficie de la muestra, momento en el que es posible introducir el gas reactivo, p. ej. N2, e iniciar la nitruración de la superficie del substrato que ahora se encuentra limpia de óxido. Sin embargo, los resultados reportados por Quast y otros autores [20-22], contrastan con los reportados en la figura 7.1, cuya principal característica es el cambio cíclico de emisión óptica y de la variación de la corriente del cátodo, aunque se pueden relacionar en cierta medida con el fenómeno de histéresis que ocurre durante la deposición física de vapores en modo reactivo. Es bien conocido que en este proceso tienen lugar efectos de inestabilidad que se manifiestan en un fenómeno de histéresis cuando se monitorea el flujo de átomos metálicos pulverizados del blanco en función de la presión parcial o flujo del gas reactivo; y que se puede asociar al envenenamiento del blanco (y que se manifiesta en la presión del sistema o el voltaje del cátodo) Una descripción detallada de este fenómeno es reportada por diversos autores [60,67,74,104]; pero para fines del presente trabajo un resumen breve es presentado en la sección 7.4. En cuanto a nitruración iónica, cabe dentro de las posibilidades que durante el limpiado iónico del aluminio, tenga lugar un fenómeno semejante de envenenamiento. Una vez pulverizada la capa de óxido de aluminio y ante la ausencia de un gas reactivo diferente a él, tenga lugar la recombinación del oxígeno con el ahora aluminio del substrato y la oxidación de esta superficie.
(a)
Punto 1 Punto 2
(b)
Figura 7.1. (a) Gráficos de tiempo contra corriente y tiempo contra voltaje durante la etapa de limpiado iónico en la muestra 3. (b) Fotografías del momento indicado en la figura 1a,
Punto 3
Punto 4
Punto 5 (b)
Entonces, es probable que la variación en la corriente observada en este trabajo esté relacionada con un mecanismo de eliminación y reformación de óxido de aluminio; ya sea por el presente en forma residual, p. ej. en nitruración iónica, o por el introducido debido a la pulverización de la capa de óxido y ausencia de gas reactivo que reaccione con el substrato de aluminio, en un mecanismo similar a la contaminación del blanco. El estudio posterior de este fenómeno por espectroscopía de emisión óptica aportaría información no sólo para definir el mecanismo que tiene lugar en dicha etapa, sino para determinar el momento en el que se debe introducir el gas reactivo en el proceso y controlar las etapas posteriores durante la nitruración.