Deposicion de metales por evaporacion

Deposicin de materiales por evaporacin.La idea es bien sencilla, calentar un material hasta que se produzcan vapores del mismo y queestos vapores se depositen en supercies fras produciendo capas mas o menos gruesas delmismo. No obstante hay que tener en cuenta que algunos materiales se descomponen al sercalentados, antes de llegar a la temperaturas de ebullicin. En otros casos la temperatura paraconseguir vapores del mismo a la presin atmosfrica es excesivamente alta, tan alta que esprcticamente imposible de conseguir, y por otra parte los gases del material en cuestinpueden reaccionar con el oxigeno y el nitrgeno del aire, combinarse con ellos, formndosexidos y nitruros que no es lo que se pretende.

Por ello estas operaciones convienen hacerlas en el vaco, primero porque la temperatura a laque se forman vapores del material es sustancialmente mas baja, segundo porque se evita lareaccin con los componentes de aire, tercero porque se mejora la adherencia del material alsustrato y por ultimo, la presin en el interior de la cmara debe de ser menor que la presinde vapor del material para la temperatura dada, en caso contrario la evaporacin es o muylenta o inexistente.

En general hay que decir que cuanto mayor sea el vaco mejores resultados se obtienes con ladeposicin por evaporacin. Para realizar pruebas con una rotatoria que consiga unas 50michas de vaco se pueden empezar a probar cosas. Pero siempre es mejor emplear al menosuna difusora y hacer el vaco mayor que podamos.

Para hacer notar la inuencia de la presin o mejor dicho del vaco en la velocidad deevaporacin recordaremos el caso de las bombillas de incandescencia. Inicialmente se hacancon un lamento de wolframio en una ampolla cerrada al vaco. Con el paso del tiempo laampolla de la bombilla se ennegreca porque parte del wolframio del lamento se evaporabalentamente y se depositaba sobre el cristal ennegreciendolo, al mismo tiempo el lamentoperda masa y se hacia mas no y dbil. El problema se resolvi introduciendo en la ampollauna pequea cantidad de Argn (que no reacciona con el Wolframio), de manera que la presinparcial del wolframio a la temperatura de operacin de las lamparas ( 3400 K) sea bastanteinferior a la presin del Argn. De esta manera la evaporacin de lamento es inapreciable. Alevaporar muchos materiales, por ejemplo el titanio, las capas depositadas de este actan comoabsorvedoras de gases y el vaco se incrementa notablemente. Este es precisamente elfundamento de las bombas de sublimacin.

Un concepto bastante errneo es que la facilidad de evaporacin esta directamenterelacionada con la temperatura de fusin del metal. Esto no es as, sino que esta relacionadacon la presin de vapor del material en cuestin. Sirva como ejemplo que el Galio que funde a27 grados tiene una presin de vapor bajsima a temperaturas del orden de 1200 grados, sinembargo el Titanio que funde a 1700 grados tiene una presin de vapor muy alta a esatemperatura. En resumen es mas fcil evaporar Titanio que Galio.

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Para calentar lamento y navecillas, la solucin mas sencilla, un transformador de microondasal que se le ha sustituido el secundario por 6 espiras de hilo de 36 mm2 de seccin yalimentado a travs de un variac. La intensidad se mide con una pinza amperimetrica de AC.

Filamentos.Para evaporar el material, en cuestin se necesita un procedimiento de calefaccin con el tilapropiado. Ser pueden emplear muchas tcnicas, calentamiento resistivo, calentamiento porinduccin, por chorro de electrones, incluso por laser, pero en este caso nos limitaremos alcalentamiento resistivo.

El sistema mas simple se da en el aluminio, titanio, circonio y algunos otros metales. Unlamento de wolframio se rodea con un hilo de un metal. Al calentarse puede que el metal sefunda y empiece a evaporar , o incluso que evapore antes de fundirse. A veces el material sefunde y moja se alea con el lamento. Este es el caso del aluminio, que moja y se alea con elwolframio de manera sorprendente. A veces no es fcil rodear el lamento con el metal y eneste caso se deposita electroliticamente el metal sobre el lamento de wolframio.Como lamentos deben emplearse metales con alto punto de fusin y baja presin del vapor,de aqu que los tres candidatos mas aceptables son el Wolframio, Tntalo y Molibdeno. Estosmetales pueden calentarse has mas de 1800 grados sin que se evaporen apreciablemente.Emplear otros metales es casi un fracaso seguro. El carbono tiene tambin una altatemperatura de fusin y una presin de vapor bajisima.De estos metales el mejor es el Wolframio pero desgraciadamente es muy difcil de mecanizarpor su extrema dureza y ademas cuando se calienta por encima de 1800 grados se recristalizatornndose mas frgil y duro todava. El Tntalo es el siguiente en baja presin de vapor,teniendo como inconveniente su mayor precio y como ventajas su maleabilidad y facilidad detrabajo. El Molibdeno es el ultimo de la serie y el mas barato, aunque no es tan fcil demecanizar como el Tntalo.Puede emplearse un solo lamento con el hilo a evaporar rodeandolo, aunque esteprocedimiento no es muy ecaz porque el metal fundido hace gotas que por gravedad puede


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desplazarse a los extremos del hilo. Para evitar esto se le puede dar al lamento una formacatenaria y que de esta forma la gota de metal fundido se mantenga en el centro. No obstanteel lamento de un solo hilo presenta problemas ya que si la cantidad de metal es muy grandela gota fundida puede desprenderse. Ademas cuando hay una sola gota de metal fundido en losextremos de la gota la temperatura es mayor y tiende a disolver el metal del lamentodebilitandolo.Por ello la solucin mas adecuada suele ser trenzar un grupo de lamentos ( 3 o 4 hilos) dedimetro menor ( 0,7 mm) y rodeandolo de alambre del metal a evaporar. De esta manera alfundirse el metal se mantiene por tensin supercial entre los huecos del lamento, resultandouna longitud de evaporacin mas grande y una menor corrosin de los lamentos.

En la imagen anterior pude verse una gota de aluminio mojando un lamento de wolframio.Puede observarse el debilitamiento que ha sufrido el lamento por disulucion en el aluminio.Este lamento ha evaporado 6 veces, posiblemente se rompa al intentar utilizarlo de nuevo.

ADVERTENCIAS.NUNCA calentar un lamento sin haber hecho previamente el vaco. En caso contrario elmetal caliente se oxidara corriendo el riesgo de que se rompa. Y si eso no llegase a ocurrir seformara una capa de oxido que puede contaminar subsiguientes operaciones. A altastemperaturas y en atmsfera oxidante el molibdeno forma un trixido MoO3, que funde a795C y sublima a 1155C, el tntalo forma un oxido, Ta2O5, que funde a 1800C y queposiblemente sublime, y el wolframio el trixido WO3 que funde a 1430 C, que sublimafcilmenteNunca tratar de deformar (doblar, enderezar) una lamento que se haya utilizado ya que losmetales una vez que se han calentado fuertemente se recristalizan y se vuelven frgiles.Emplear lamentos nicamente para un material. En caso contrario podran producirsecontaminaciones.


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Navecillas.Para materiales forma de grano, como el monoxido de silicio, el uoruro de magnesio y otrosno es posible emplear un lamento en forma de hilo. En este caso se emplea una lamina demetal a la que en el centro se hace una pequea cazuela o navecilla donde se coloca elmaterial. Todo el conjunto se calienta al pasar la corriente por el. Estas cazuelas no sonadecuadas para metales que se funden y mojan el metal como el aluminio ya que el aluminio sedifunde por todo el metal no quedndose connado en el hueco deseado.

Algunos materiales como el monoxido de silicio, el sulfuro de cadmio y otros decrepitan al sercalentados y saltan de la cazuela al exterior, pudiendo incluso proyectarse sobre el sustratoarruinndolo. En ese caso es conveniente que la cazuela disponga de tapas que permitan lasalida de los vapores del material sin que salgan los granos directamente por crepitacin.Las navecillas se fabrican preferentemente en Tntalo, ya que es mucho mas fcil demecanizar que el Wolframio o el Molibdeno.Tambin se pueden emplear navecillas de grato. Para ello se toma generalmente un cilindro yse mecaniza en el centro longitudinal una oquedad donde se va a colocar el material. Se aplicala corriente en los extremos. Como se ha debilitado la zona central es la que ofrece masresistencia y por ende la que mas temperatura alcanza. Hay que cuidar con el grato, ya que atemperaturas del orden de los 1800 grados puede reducir algunos materiales e inclusocombinarse con algunos formado carburos. Hay que emplear grato de alta pureza ya quealgunos gratos pueden contener sustancias que se evaporen contaminando el trabajo.Previamente a su uso se recomienda y calentamiento en vaco para que vapore todas lasimpurezas que pueda tener.

ADVERTENCIAS.NUNCA calentar la navecilla sin haber hecho previamente el vaco. En caso contrario el metalcaliente se oxidara corriendo el riesgo de que se rompa. Y si eso no llegase a ocurrir seformara una capa de oxido que puede contaminar subsiguientes operaciones.A altastemperaturas y en atmsfera oxidante el molibdeno forma un trixido MoO3, que funde a795C y sublima a 1155C, el tntalo forma un oxido, Ta2O5, que funde a 1800C y queposiblemente sublime, y el wolframio el trixido WO3 que funde a 1430 C, que sublimafcilmenteNunca tratar de deformar (doblar, enderezar) una navecilla que se haya utilizado ya que apesar de que el tntalo es bastante maleable una vez que se ha calentado fuertemente serecristaliza con lo que vuelve frgil como el cristal.Emplear las navecillas nicamente para un material. En caso contrario podran producirsecontaminaciones.


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Las dos imgenes anteriores corresponden a navecillas de Tntalo de fabricacin propia. Lanavecilla tiene una cavidad de 18 mm de largo, 7 mm de ancho y 6 mm de profundidad. Separti de lamina de tantalo de 1 mm de espesor, que martilleandola se dejo en 0,2 mm deespesor. Con un troquel de acero de fabricacin propia se les dio la forma. Estas navecillas sepueden calentar perfectamente hasta 1800 C al hacer circular la corriente por ellas. Seemplean unos 150 amperios y 3 voltios que se obtiene mediante un transformador demicroondas adaptado.


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Las navecillas no son adecuadas para metales, ya que el metal fundido ataca al tntalo.

Crisoles.Otro procedimiento es emplear un crisol, de grato, tntalo, almina, o nitruro de boro, que serodea por un lamento de Wolframio por el cual se hace pasar corriente. El inconveniente deeste procedimiento es que no se consiguen temperaturas tan altas como en los casosanteriores.

Materiales

Aluminio.Es muy facil de evaporar, a una temperatura relativamente baja, 1200-1300 C, aunque estatemperatura es casi al doble de su temperatura de fusin. Produce depsitos brillantes y bienopacos aunque tambin se pueden hacer fcilmente espejos semitransparentes. La mejormanera de evaporarlo es rodear un haz de tres hilos de wolframio de 0,7 mm con hilo detitanio de 0,5 o 0,7 mm y pre calentar el lamento hasta que es titanio se funda y moje el hazde lamentos. Una vez conseguido esto es cuando se puede empezar la evaporacin. Puede serconveniente preparar con antelacin este tipo de lamentos hasta que llegue el momento deemplearlos. Tambin se puede emplear un lamento nico, pero conviene que este no seademasiado recto sino que tenga una forma serpenteante, con eso se eliminan las tensiones queaparecen por la dilatacin y contraccin por la elevada temperatura. El aluminio a 1200 C esmuy uido, moja muy bien al wolframio y otros metales y se alea con el. Como es muy uido lagota se desplaza por gravedad a los lugares mas bajos. Por tensin supercial trepa por losmetales mojados. Si se emplea sobre un monolamento se forman gotas. En las gotas latemperatura del lamento baja en el centro y es mas alta en los extremos, eso hace que elaluminio caliente disuelva wolframio en los puntos el los que la supercie del aluminio moja elwolframio y lo deposite en el centro. Por ello el lamento adelgaza en estos puntos,disminuyendo sensiblemente la vida til. Por ello es mucho mas practico el lamentomultiliar.

Tres lamentos de wolframio rodeados de hilo de titanio de 0,7 mm antes de la fusin.


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El mismo lamento despus de la fusin.

Titanio.Evapora fcilmente a temperaturas prximas a las de fusin. La mejor manera de hacerlo esrodear un haz de tres hilos de wolframio de 0,7 mm con hilo de titanio de 0,5 o 0,7 mm y precalentar el lamento hasta que es titanio se funda y moje el haz de lamentos. Una vezconseguido esto es cuando se puede empezar la evaporacin. Puede ser conveniente prepararcon antelacin este tipo de lamentos hasta que llegue el momento de emplearlos. Cuando seempieza a evaporar el titanio, las nuevas metlicas supercies formadas atrapan los gasesresiduales haciendo bajar la presin de una manera fulminante. En mis experiencias la bombarotatoria que empleaba me permita alcanzar un vaco mximo de 10 microbares, laevaporacin del titanio bajo la presin de la cmara y la mantuvo ( con la vlvula de entrada ala bomba cerrada) durante mas de 30 minutos a menos de 0,1 microbar. Por eso lamento dewolframio titanio pueden ser de ayuda para conseguir vacos muy altos si no se dispone deotras bombas de vaco.El titanio produce depsitos mas oscuros que el aluminio, incluso mas oscuros que el titaniodepositado por esputering.Adicionalmente podemos emplear un hilo de titanio para comprobar que el lamento alcanzala temperatura de fusin de este ( 1727C)

El titanio puede emplearse para aumentar el vaco por dos diferentes mecanismos. Porsublimacin o como getter reactivo. Cuando se emplea por sublimacin, lamentos de titanio ode wolframio rodeado de titanio se calientan hasta que se forman en las paredes friassupercies frescas de titanio. Los gases se jan en la supercie del titanio fresco, aunque noreacciones con el, formando una capa monomolecular salvo el hidrgeno que se difunde por elinterior. La velocidad de adsorcin de las supercies de titanio se ve incrementada con bajastemperaturas y si estas se enfran con nitrgeno liquido la velocidad de adsorcin se puedellegar a incrementar hasta 5 veces.


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Las condiciones tpicas de las bombas de sublimacin del titanio, son de 1550C detemperatura y presiones interiores a 10-1 microbares. Si se opera con presiones mas altas elconsumo de titanio es elevado.El titanio calentado a 400 C reacciona con el hidrgeno que se va difundiendo por su interiorformando un hidruro estable . A temperaturas mas altas este hidruro se descompone liberandohidrgeno. Pero a partir de unos 800 C la masa de titanio reacciona con el oxigeno elnitrgeno y los xidos de carbono formando compuestos estables, que no se descomponenincluso a temperaturas mas altas.

Circonio.El comportamiento es casi idntico al del titanio.

Monoxido de silicio.A la temperatura ambiente es un solido amorfo de color negruzco. En el vaco se sublima atemperaturas por encima de los 1100 C formando depsitos de grano no con buena adhesinal vidrio u otros sustratos. La pelcula de monoxido de silicio es qumicamente estable atemperaturas por debajo de los 200 C, no es higroscpica y resiste bastante bien a laabrasin, por eso se emplea entre otras cosas para proteger el aluminio de los espejos de lostelescopios. Aunque es de color oscuro, la na capa que se deposita resulta transparente conpoca absorcin de la luz.Comienza a sublimar a 1100 C siendo la temperatura optima entre 1200 y 1250 C. Porencima de 1300 grados los depsitos resultantes tienen a ser mas porosos y con masirregularidades.Normalmente se obtiene en forma de granos por lo que es necesario un calentador en formade cazuela. Al calentarse decrepita saltando del calentador, lo que provoca que granos delmaterial salgan del calentador. Por ello es conveniente emplear cazuelas cerradas con salidaspara el material evaporado.

Temperatura, en grados centigrados, de evaporacin de Metales

Material Temp. parapresin devapor de 10microbars

Temp. parapresin devapor de 100microbars

Temperaturade fusin

Temperaturade ebullicin

Observaciones

Aluminio 1209 1359 660 2159Antimonio 534 603 630 1587


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Arsnico 233 280 (sublima) 614(sublima)

Bario 638 765 727 1640Berilio 1189 1335 1287 2471Bismuto 668 768 271 1564Boro 2075 2290 2075 4000Cadmio 257 310 321 765Calcio 591 683 850 1440Carbono 2681 3700Cobalto 1517 1687 1478 2927Cobre 1236 1388 1083 2562Cromo 1383 1534 1550 Con dicultadEstao 1224 1384 231 2270Estroncio 523 609 770 1382Germanio 1371 1541 959 2830Hierro 1455 1617 1540 2861Indio 923 1052 156 2072Magnesio 428 500 651 1100Molibdeno 2469 2721 2622 4639 Muy difcilmenteNquel 1510 1677 1455 2732Oro 1373 1541 1063 2808Plata 1010 1140 960 2210Platino 2057 2277 1773 3825 Muy difcilmentePlomo 705 815 327 1749Paladio 1448 1624 1555 3167Selenio 227 279 217 685Sodio 280 344 97Silicio 1635 1829 1414 2355Tntalo 3024 3324 2996 5429Titanio 1709 1897 1727 3277Torio 2360 2634 2196Wolframio 3204 3505 3400 5900 Muy difcilmenteZinc 337 397 419 907CaF2SiO 1702 1800


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MgF2 1261SnO 1630 1850Telurio 449 990Zirconio 1885 3580


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