Producción y caracterización de recubrimientos de Cu y algunas de sus aleaciones depositados por medio de sputtering con magnetrón desbalanceado

Abstract

En esta investigación se desarrollaron tres tipos de películas delgadas: Cu – Al, Cu – Al – N y multicapas de Cu – Al – N, donde cada capa se depositó bajo las mismas condiciones. Las películas se depositaron por medio de co-sputtering o pulverización catódica con magnetrón desbalanceado sobre sustratos de bronce fosforado. Se utilizaron dos blancos: el de cobre se conectó a una fuente RF y el de aluminio a una fuente DC pulsada. En este último, se varió la potencia en cuatro valores distintos con el objetivo de modificar el contenido de aluminio en los recubrimientos. Para el crecimiento de las películas Cu – Al – N y multicapas, se utilizó una atmósfera de Ar – N2, mientras que para las de Cu – Al se usó solo argón. Se evaluó la influencia de las condiciones de crecimiento, es decir, potencia de la fuente DC, atmósfera de trabajo y método de crecimiento (monocapa o multicapa) sobre la morfología, estructura, composición química, propiedades mecánicas, eléctricas, electroquímicas y tribológicas de los recubrimientos. La morfología y composición elemental se analizaron por medio de EDS – SEM, la estructura con difracción de rayos X y TEM, y XPS para identificar los enlaces entre elementos. Las propiedades tribológicas se evaluaron utilizando el método de ball on disk, las propiedades mecánicas con nanoindentación y con la técnica de las cuatro puntas o de Van der Pauw se analizó la resistividad de los recubrimientos. Finalmente, para la caracterización electroquímica se usaron las técnicas de polarización potenciodinámica y EIS. Las películas mostraron una morfología nodular, con un tamaño de grano que varía con la potencia de la fuente DC pulsada y el método de crecimiento. Las multicapas fueron las de menor tamaño de grano. La mayor dureza se presentó en las películas delgadas Cu – Al, al igual que la menor resistividad eléctrica, seguidas de los recubrimientos tipos Cu – Al – N. El mejor comportamiento electroquímico lo presentaron en general las multicapas, pero esto depende de las condiciones de deposición.

In this research work three types of thin films were developed: Cu – Al, Cu – Al – N and multilayers of Cu – Al – N, in which each layer was deposited under the same conditions. The films were deposited by means of unbalanced magnetron cosputtering on substrates of phosphor bronze. Two targets were used: the coppertarget was connected to a RF source and the aluminum one to a DC pulsed source. In the last one, the power in four different values was varied in order to vary the content of aluminum in the coating. In the Cu – Al - N thin films and multilayers, an atmosphere of Ar – N2 was used, while for the Cu – Al ones, it only used argon. The influence of growing conditions was assessed, that is to say, DC power source, atmosphere of work and growing method (monolayer or multilayer), about the morphology, structure, chemical composition, mechanical properties, electrical, electrochemical and tribological of the coatings. The morphology and elemental composition was analyzed by means of EDS – SEM, the structure with X ray diffraction and TEM, and XPS in order to identify the bonds between elements. The tribological properties were assessed using the ball on disk method, the mechanical properties by nanoindentation, and the resistivity of coatings was analyzed with the four point probe or Van der Pauw technique. Finally, for the electrochemical characterization, the potentiodynamic polarization and EIS techniques were used. The morphology of the coatings turned out to be nodular, so that the size of the grain varies with the DC pulsed power source and the growing method. The multilayers had the smaller grain size. The highest hardness was presented in the Cu – Al thin films, as well as the lowest electrical resistivity, followed by the Cu – Al – N coatings. The best electrochemical behavior were presented by the multilayers in general, but this depends on the deposition conditions.