APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR Buenos Aires. 28 noviembre -1º diciembre 2006. Prof. Dr. Juan Antonio Trilleros Villaverde.

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1 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR Buenos Aires. 28 noviembre -1º diciembre 2006. Prof. Dr. Juan Antonio Trilleros Villaverde

2 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR MODIFICACION SUPERFICIAL Significa el cambio de la estructura y de la composición a nivel superficial de los materiales tratados. Significa el cambio de la estructura y de la composición a nivel superficial de los materiales tratados.  Por aplicación de un recubrimiento.  Por introducción de nuevos elementos dentro de la superficie. dentro de la superficie.

3 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR DEPOSICION EN FASE VAPOR Caracteristicas de las capas Espesores finos y muy finos de valor controlado Espesores finos y muy finos de valor controlado Gran variedad en la composición de los recubrimientos Gran variedad en la composición de los recubrimientos Optimación de las propiedades buscadas Optimación de las propiedades buscadas ( adherencia, dureza. inertización química, ( adherencia, dureza. inertización química, propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas ) propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas )

4 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR AS ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL TRATAMIENTO DE SUPERFICIES CON FORMACION DE CAPAS

5 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS SOBRE UN SUSTRATO  Material compuesto, propiedades del material base y de la capa o capas.  Material base y capa tienen propiedades diferentes.  Material base. Propiedades mecánicas  Capa, capas. Propiedades superficiales especificas no aportadas por el material base

6 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR ¿ PVD o CVD ?  Las capas que se obtienen pueden ser de naturaleza idéntica.  Los parámetros de obtención, los equipamientos y los tratamientos térmicos asociados son distintos.  La elección ha de hacerse de acuerdo con los resultados finales del producto a obtener.

7 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR OTRAS MORFOLOGIAS DE LAS CAPAS Con gradiente Multicapas alternadas Con gradiente Multicapas alternadas

8 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR PLANTAS QUÍMICAS Y PETROQUÍMICAS PLANTAS METALÚRGICAS Y DE CONFORMACIÓN DE MATERIALES PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA DESARROLLO DE MATERIALES DESARROLLO DE CAPAS Y SUPERFICIES PROTECTORAS

9 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR EVOLUCION DE LAS TECNOLOGÍAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EVOLUCION DE LAS TECNOLOGÍAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

10 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR INCRUSTACIONES Y CENIZAS VOLANTES EN LAS PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

11 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO SUPERFICIAL Características de los productos (capas).

12 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR TECNICAS DE MODIFICACION SUPERFICIAL

13 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR

14 DEPOSICION FISICA EN FASE VAPOR DEPOSICION FISICA EN FASE VAPOR  Las diferentes técnicas se caracterizan por conseguir evaporar e ionizar el metal reactivo, a partir de metal puro por diferentes medios físicos.  Los recubrimientos se realizan en cámaras de vacío elevado, 10-5 mbar.  Las temperaturas de operación transcurren en valores moderados (480º-550ºC), para recubrimientos cerámicos de dureza elevada. Temperaturas inferiores en recubrimientos tribológicos. Temperaturas de 50º a 60º C para recubrimientos decorativos.

15 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR TECNICAS DE PVD, POR PULVERIZACIÓN ( SPUTTERING)  Por fuente de iones  Por campos magnéticos

16 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR DEPOSICION FASE VAPOR FISICA DEPOSICION FASE VAPOR FISICA el material a depositar se evapora por el material a depositar se evapora por  Resistencia eléctrica  Corrientes inducidas  Laser  Bombardeo de haz de electrones  Por bombardeo de gas residual. Ion plating de pulverización. Sputtering de pulverización. Sputtering  Por fuente de iones  Por campos magnéticos

17 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR TECNICAS DE PVD, DE EVAPORACION POR  Resistencia eléctrica  Corrientes inducidas  Láseres  Bombardeo de haz de elctrones  Ion planting  Bombardeo de iones

18 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR DEPOSICION FISICA EN FASE VAPOR Formación y crecimiento de las capas mediante PVD

19 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR CARACTERISTICAS DE ALGUNAS TECNICAS DE PVD PVD

20 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR REQUISITOS DEL MATERIAL A RECUBRIR Preparación superficial  Limpieza del material a fondo  Acabado superficial idéntico al del material recubierto

21 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR ETAPAS DE LAS OPERACIONES SEGUIDAS EN UN PROCESO DE PVD

22 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR TECNOLOGÍA DE PVD POR CATODO DE FILAMENTO CALIENTE

23 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR PVD, de pulverización, (sputtering) Por campos magneticos (magneton) 1. Argón 2. Gases reactivos 3. Magnetón (material de depósito) (material de depósito) 4. Piezas 5. Bomba de vacío

24 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR

25 DEPOSICION DE FASE VAPOR QUÍMICA  Por reacción química sólido-gas entre los reactantes, precursores, condensando en la intercara el material que forma una capa por nucleación y crecimiento.  Puede transcurrir la reacción a vacío medio, previo, o presión atmosférica

26 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR Los precursores metálicos son compuestos gaseosos, líquidos, o solidos facilmente evaporables (haluros, metalorgánicos). Los precursores metálicos son compuestos gaseosos, líquidos, o solidos facilmente evaporables (haluros, metalorgánicos). La formación de compuestos se produce por reacción química de los compuestos introducidos. La formación de compuestos se produce por reacción química de los compuestos introducidos. La temperatura del proceso puede ser moderada, menos de 600ºC, o elevada, entre 950º y1000º C. La temperatura del proceso puede ser moderada, menos de 600ºC, o elevada, entre 950º y1000º C.

27 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR DEPOSICIÓN QUÍMICA EN FASE VAPOR  Se obtiene una fase condensada ddel material a depositar a partir de una especie gaseosa de composición química distinta.  La reacción química tiene lugar sobre o en las cercanías de la superficie a temperatura y presión variables.  Todas las especies que intervienen son volátiles a la temperatura del proceso, escepto el producto deseado.

28 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR Deposición Química de fase Vapor (CVD) Se obtiene una fase condensada del material a depositar, a partir de una especie gaseosa de distinta composición química. La reacción química tiene lugar sobre o en las cercanías de la superficie, a temperatura y presión variables. Todas las especies que intervienen son volátiles a la temperatura del proceso, excepto el producto deseado.

29 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR APLICACIONES DE CVD EN TECNOLOGIA 1. Dispositivos electrónicos y magnéticos. Células solares, sensóres, superconductores, etc. Células solares, sensóres, superconductores, etc. 2. Microelectrónica. Circuitos integrados Circuitos integrados 3. Recubrimientos ópticos. Fibras ópticas, películas selectivas y antirreflectantes, etc. Fibras ópticas, películas selectivas y antirreflectantes, etc. 4. Recubrimientos Cerámicos. Herramientas, reactores, piezas mecánicas ( motores, turbinas), etc. Herramientas, reactores, piezas mecánicas ( motores, turbinas), etc.

30 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR EJEMPLOSREACCIONESQUIMICAS EN LOS PROCESOS DE CVD

31 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR APLICACIONESTECNOLÓGICAS DE CVD Y MATERILESUTILIZADOS

32 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR PRODUCTOSOBTENIDOS POR CVD PARA APLICACIONESDIFERENTES

33 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR PRECURSORES EN CVD  Toda especie química reactiva que contiene al elemento o elementos a depositar sobre el sustrato.  Puede ser gas, líquido o sólido a temp. amb.  Puede ser inorgánico  Puede ser organometálico, que rompen a temperatura baja liberando el elemento a depositar

34 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR Ejemplo de organometálico para CVD de Al Ejemplo de organometálico para CVD de Al  Hidruro de dimetilaluminio ( DMAH)  Hidruro de trimetilalunimio ( TMA)  Triisobutilalunimio (TIBA) Los procesos suelen transcurrir entre 250º y 270º C. Los procesos suelen transcurrir entre 250º y 270º C.

35 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR RECUBRIMIENTOS POR CVD A TEMPERATURA MENOR DE 600º C RECUBRIMIENTOS POR CVD A TEMPERATURA MENOR DE 600º C  Por generadores de plasma de plasma  Precursores organometálicos organometálicos  Reactores de lecho fluidizado lecho fluidizado

36 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR FORMACION DE HALUROS METALICOS GASEOSOS

37 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR TECNICAS DE ACTIVADO DE CVD  Térmicamente  Por plasma de radio frecuencia  Por plasma de microondas 1. Argón 1. Argón 2. Gases reactivos 2. Gases reactivos 3. Piezas a recubrir 3. Piezas a recubrir 4. Plasma 4. Plasma 5. Accionamiento de giro 5. Accionamiento de giro 6. Bomba de vacío 6. Bomba de vacío  Por láser

38 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR DEPOSICION QUÍMICA EN FASE VAPOR

39 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR PROCESOS TECNOLÓGICOS POR CVD en lecho fijo en lecho fijo en lecho fluidizado en lecho fluidizado

40 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR CVD, LECHO FLUIDIZADO

41 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR ETAPAS PRINCIPALES EN LOS PROCESOS DE CVD 1. Transporte de los reactantes desde el seno global de la fase gas. 1. Transporte de los reactantes desde el seno global de la fase gas. 2. Difusión de los reactantes en la intercara sólido-gas. 2. Difusión de los reactantes en la intercara sólido-gas. 3. Reacción química sobre el sustrato. 3. Reacción química sobre el sustrato. 4. Desorción de los subproductos. 4. Desorción de los subproductos. 5. Transporte de los subproductos hacia el seno global de la fase gas.

42 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR HAY QUE BUSCAR CUAL ES LA ETAPA O ETAPAS CONTROLANTES TANTO A ESCALA DE LABORATORIO CONO A ESCALA INDUSTRIAL DISEÑO: APLICACIÓN DEL “SABER HACER”

43 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR CVD LECHO FIJO, (packcementation)

44 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR ETAPAS EN CVD LECHO FIJO, (packcementation) 1.Difusión en fase gas 1.Difusión en fase gas 2.Deposición en la intercara 2.Deposición en la intercara 3.Difusión en el sólido 3.Difusión en el sólido 4.Crecimiento de la capa 4.Crecimiento de la capa 5.Desorción de las especies 5.Desorción de las especies 6.Difusión de las especies 6.Difusión de las especies

45 APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS: DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR Prof. Dr. Juan A. Trilleros Villaverde trillero@quim.ucm.es