Procedimiento de obtención de recubrimientos mediante pulverización catódica y recubrimiento obtenible mediante dicho procedimiento.

El objeto de la invención es un procedimiento de obtención de recubrimientos realizado por deposición de capas mediante pulverización catódica con magnetrón en el cual se regula la concentración de gas presente en la atmósfera, la distancia al blanco y la potencia durante la deposición y así controlar la formación de nano-burbujas en la microestructura del recubrimiento obtenido que da lugar a unas determinadas características ópticas como reflectividad y índice de refracción variable. El método permite controlar el índice de refracción manteniendo otras propiedades características del material como composición química, resistencia mecánica y propiedades eléctricas

Procedimiento de obtención de recubrimientos mediante pulverización catódica y recubrimiento obtenible mediante dicho procedimiento.

Objeto de la invención

Procedimiento para preparar recubrimientos con porosidad cerrada a partir de la técnica de pulverización catódica en una cámara de vacío. El método permite controlar la microestructura del recubrimiento a través de la introducción de nano-burbujas (1-50 nm). El control de la microestructura a través de las nano-burbujas determina las propiedades del recubrimiento, tales como su índice de refracción, color, densidad y propiedades mecánicas.

El control del índice de refracción del recubrimiento puede conseguirse sin modificar significativamente la estabilidad química, térmica, mecánica y otras propiedades de los recubrimientos.

Antecedentes de la invención

Los recubrimientos y películas delgadas nano-porosas se han estudiado extensamente en los últimos años debido a sus aplicaciones potenciales como catalizadores, sensores, barreras térmicas y dispositivos ópticos como guías de onda, reflectores o filtros (K. Kordás, S. Beke, A. E. Pap, A. Uusimäki, S. Leppävuori, Optical Materials 25 (2004) 257). Los sistemas publicados en trabajos anteriores presentan porosidad abierta con canales de porosidad desde la superficie al interior. Por otro lado en un trabajo previo (A. Navid, L. Pilón, Thin Solid Films 516 (2008) 4159) se describe teóricamente la posibilidad de controlar las propiedades ópticas de las películas delgadas de composición similar introduciendo nano-poros de diferente forma, tamaño y distribución espacial. La introducción de poros disminuye el índice de refracción de los recubrimientos.

Dado por tanto el interés tecnológico de la producción de películas nano-porosas, se han publicado diversos trabajos que controlan la porosidad de las películas delgadas cambiando las condiciones de deposición como la temperatura del sustrato y la composición de la mezcla de gases en la deposición CVD estimulada por plasma (A. Borrás, A. Barranco, A. R. Gonzálves-Elipe, Journal of Materials Science 41 (2006) 5220). La técnica de implantación iónica (P.B. Johnson, P.W. Gilberd, A. Markwltz, A. Randesepp, I.W.M. Brown, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B - Beam Interactions With Materials and Atoms 166 (2000) 121) se ha publicado también previamente como método de introducción de nano-burbujas en materiales pero el espesor afectado está limitado a la profundidad de penetración de los iones.

La técnica de pulverización catódica o "sputtering" se basa en el bombardeo intenso de un material con los iones producidos en una descarga eléctrica en forma de plasma. Cuando la energía de los iones incidentes es suficientemente elevada, la interacción con la superficie del material (a través del intercambio del momento cinético) hace que los átomos de la superficie sean arrancados, para pasar a la fase de vapor. Los átomos arrancados viajan hasta la superficie del sustrato y allí se condensan.

Esta técnica de deposición permite un fácil escalado al nivel industrial permitiendo la producción a gran escala.

Descripción de la invención

El procedimiento objeto de esta invención hace un uso especifico bajo unas condiciones controladas de la tecnología de pulverización catódica para preparar recubrimientos de porosidad cerrada controlada a través del control de la composición de la mezcla de gases, la potencia de sputtering ó la distancia al blanco. Cabe destacar que los trabajos previos publican generalmente la formación de porosidad abierta y hasta ahora nunca se ha utilizado la formación de porosidad cerrada (nano-burbujas) en recubrimientos preparados por pulverización catódica. En la presente invención los nano-poros se forman directamente durante el crecimiento del recubrimiento que puede por tanto fabricarse del espesor deseado.

El procedimiento objeto de esta invención hace un uso específico, bajo unas condiciones controladas, de la técnica de deposición mediante pulverización catódica, permitiendo controlar la microestructura de los recubrimientos y a través de esta las características ópticas y mecánicas.. El sistema dispone de una cámara de ultra-alto-vacío con un sistema de bombeo, entrada de gases de N₂ y argón, un magnetrón, una fuente (de radio frecuencia), medidores de presión y válvulas de ultra-alto-vacío.

Gracias a la utilización de este procedimiento se puede llegar a inducir la formación de una microestructura que comprende la porosidad cerrada (nano-burbujas) antes descrita en distintos tipos de materiales como por ejemplo oxinitruro de silicio, nitruro de silicio, silicio puro; siendo éste material depositado dependiente del material utilizado en el blanco y de la selección del gas o gases presentes en la atmósfera en la que se realiza la deposición. Dicha microestructura se forma cuando el proceso de pulverización catódica se realiza en atmósferas ricas en gases como N₂ ó He. Este tipo de porosidades cerradas varía el índice de refracción de las capas depositadas en un gran rango de valores, lográndose sin tener que modificar significativamente la composición química o la estabilidad mecánica o química del material depositado; así pues, manipulando la presencia de dichas nano-burbujas se pueden formar microestructuras específicas que den lugar a unas determinadas características ópticas.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista de la microestructuras de las capas de oxinitruro de silicio.

Figura 2.- Muestra un detalle de la capa de oxinitruro de silicio depositada con 100% de atmósfera de N₂.

Figura 3.- Muestra una tabla que relaciona cantidad de N₂, densidad atómica, grosor, composición química y características mecánicas de las capas de oxinitruro de silicio.

Figura 4.- Muestra una tabla que relaciona cantidad de N₂, índice de refracción y grosor.

Figura 5.- Muestra una vista de la microestructura de las capas de silicio depositadas en atmósfera de He.

Realización preferente de la invención

En un ejemplo de realización de la invención se realiza una deposición de recubrimientos de oxinitruro de silicio con porosidad cerrada controlada.

Síntesis: La deposición de estas capas se ha realizado utilizando un blanco de silicio puro (Kurt J. Lesker 99.999%) en una atmósfera de N₂ y argón. Previamente a la deposición se hace alto vacío en la cámara con calentamiento de las paredes para alcanzar vacíos residuales en el rango de 1x10^-4 Pa. Para la producción de recubrimientos con diferente porosidad se han empleado mezclas con diferentes fracciones de N₂/(N₂+Ar) (de 0 a 100% N₂) manteniendo constante la presión total en 1.33 Pa y una distancia sustrato-blanco de 10 cm. Se ha utilizado una fuente de radio frecuencia a una potencia de 150 W.

Análisis microestructural y propiedades: La microestructura de estos recubrimientos ha sido estudiada por las técnicas de difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM). El análisis de los diagramas de difracción indica que los recubrimientos producidos de este modo son amorfos. En las figuras 1 y 2 se presentan micrografías de los recubrimientos preparados a diferentes porcentajes de N₂. Variando el porcentaje de N₂ se obtienen diferentes microestructuras. Estas diferencias en la microestructura creada y definida mediante el control realizado en la distancia al blanco y en la mezcla de gases son las que vienen dadas por la formación de las ya citadas nano-burbujas, que tienen forma esférica y pueden tener un diámetro en el rango que va desde los 3 nm a los 15 nm. Estas nano-burbujas se ven favorecidas en su formación al realizar la deposición en atmósferas de nitrógeno puro, dado que este gas permite un bombardeo de iones con baja energía y también porque la movilidad interatómica es más limitada en los procesos realizados en este tipo de atmósferas que en las deposiciones realizadas en atmósferas...

1. Procedimiento de obtención de recubrimientos sobre un substrato por deposición que comprende: