Deposición al vacío: cómo una película fina de material hace posible un mundo de aplicaciones

El desarrollo de la industria de semiconductores, esencial, por ejemplo, en la fabricación de placas solares y microchips, ha propiciado el desarrollo de una de las aplicaciones del vacío más interesantes: la deposición al vacío. Se trata de un proceso dentro de una familia más amplia, que incluye, por ejemplo, la deposición física por vapor, o la deposición química al vacío, entre otros, que consiste en colocar capas de un material átomo por átomo o molécula por molécula en una atmósfera de baja presión, o al vacío, de forma que se unan con el material sobre el que se depositan. De esta forma se pueden generar películas muy finas de material sobre otro, con un control muy preciso de variables como el grosor o la composición de esas capas, como ocurre con la deposición de silicio sobre obleas de cristal de silicio o sustratos aislantes en el caso de los microchips.

La deposición al vacío, sin embargo, no es realmente un proceso nuevo. Proviene de técnicas que existían y se han perfeccionado durante décadas, como veremos a continuación.

Evolución de la deposición al vacío

Algunas de las formas preliminares de deposición de capas finas de un material sobre otro para unirlos empezaron a inicios del siglo XX, con el calentamiento de materiales al vacío hasta que se vaporizaban y después, al condensarse, se depositaban sobre una superficie. Así se llevaban a cabo recubrimientos ópticos muy finos como el recubrimiento de espejos con una capa fina de plata (en este post explicamos más al detalle cómo se fabrica un espejo), que hacía posible la fabricación de espejos más duraderos y que reflejaban mejor la imagen.

Más adelante, tras el aumento del abanico de aplicaciones de la deposición de materiales, en los años 50 del siglo XX, experimentaron un fuerte crecimiento con la tecnología de semiconductores, que precisaba de la deposición de películas muy finas, puras en términos de ausencia de contaminación, y con variables altamente controladas, sobre sustratos o superficies. De ahí que se innovara en técnicas como la CVD (Chemical Vapor Deposition) y la PVD (Physical Vapor Deposition).

La deposición al vacío, paso a paso

Aunque, como ocurre siempre, el proceso exacto depende de la aplicación, hay una serie de pasos comunes en cualquier deposición al vacío, que explicamos a continuación:

Preparación del sustrato donde se hará la deposición

El primer paso consiste en una primera limpieza para preparar el sustrato en el que se hará la deposición al vacío. Puede llevarse a cabo de muchas maneras, como la limpieza con solventes, la limpieza por ultrasonidos o la limpieza por plasma, entre otros. En este post explicamos cómo funciona la limpieza por plasma.

Creación de un ambiente de vacío en una cámara

Para que el sustrato esté en un entorno de vacío se introduce en una cámara (si se ha limpiado antes por plasma quizá se ha usado la misma cámara y el sustrato ya estará en su interior), a menudo en bandejas. Una bomba de vacío succiona la materia del aire interior de la cámara para crear el vacío eliminando los gases. Recordemos que el vacío es necesario para evitar reacciones y defectos en la película depositada, por ejemplo, la oxidación indeseada del material o la contaminación con impurezas atmosféricas durante el proceso de deposición.

Calentamiento del material a depositar

Una vez creado el vacío en la cámara, el material que se depositará en el sustrato (normalmente en forma de sólido o de filamento delgado) se calienta hasta que se evapora o se sublima. Al ser en un ambiente de baja presión, la temperatura necesaria para llegar a ebullición y evaporación o sublimación es más baja, por lo que no se daña el material ni se gasta tanta energía como a presión atmosférica. Este calentamiento suele hacerse mediante haz de eletrones, láser o efecto Joule.

Deposición (colocación) del material sobre el sustrato

Una vez vaporizado, las moléculas o átomos del material que se depositará se desplazan en línea recta y de forma constante desde la fuente al sustrato, gracias a la ausencia de partículas a causa del vacío, sin dispersarse a causa de colisiones con el resto de partículas del aire. Por estos motivos se condensan en la superficie del sustrato, más fría, formando una película fina y uniforme. Variables que influyen en esta parte del proceso pueden controlarse, como la tasa de deposición, el grosor de la capa, la temperatura del sustrato, etc., para asegurar el resultado deseado.

Enfriamiento y aireación de la cámara

Una vez la deposición cumple con los requisitos, se enfría el sustrato (esto puede hacerse de forma natural, dejando tiempo para que se enfríe a temperatura ambiente, que es algo que depende de la capacidad térmica del material y de las condiciones de la cámara o de otras maneras como la circulación de aire o el enfriamiento al vacío, del que hablamos en este post) y se airea la cámara bombeando a presión otros gases, para luego volver a empezar el proceso.

Retirada del sustrato con la capa

Se abre la cámara de vacío y se retira el sustrato, que puede ser sometido a otros procesos, como el recocido térmico, mediante el cual el film se somete a calentamiento para mejorar su estructura cristalina, o como la aplicación de una nueva capa protectora, que pueden volver a hacerse en condiciones de vacío.

Ventajas de la deposición al vacío y limitaciones

Algunas ventajas que la deposición al vacío ofrece sobre otros métodos de recubrimiento son:

• Resultados uniformes y sin impurezas que otros métodos como el galvanizado o los métodos químicos no ofrecen, ya que un entorno de vacío reduce la contaminación ambiental que puede depositarse en la capa y las colisiones de las moléculas del material a depositar con partículas que hacen que la cobertura no sea uniforme.
• Control sobre las variables que afectan a la deposición, dado que se puede variar fácilmente el grosor de la capa, su composición y su estructura molecular.
• Versatilidad en materiales a depositar, como metales, superconductores, polímeros y mucho más.
• Menos gasto energético en comparación con algunos métodos que requieren altas temperaturas, que a su vez permite trabajar con materiales sensibles a las temperaturas.

Sin embargo, existen limitaciones en la aplicación de este proceso, como:

• Coste inicial y complejidad: incorporar un sistema de vacío puede ser complejo y costoso de inicio, aunque por su eficiencia, una vez recuperada la inversión, resulta muy rentable.
• Medidas del sustrato a cubrir: la cámara de vacío, a pesar de que puede ser de grandes dimensiones, limita el tamaño del sustrato sobre el que hacer la deposición, algo que puede ser una restricción a aplicaciones industriales a gran escala.
• Rendimiento: alternativas como el galvanizado o los recubrimientos por spray pueden ser más adecuadas para volúmenes de producción elevados, ya que el rendimiento de la deposición al vacío es más lento.

Aplicaciones de la deposición al vacío y limitaciones

Las ventajas de la deposición al vacío hacen a esta técnica adecuada para numerosas aplicaciones como:

• Industria electrónica y de superconductores: como ya hemos explicado, son las que más requieren producir deposición de alta calidad, precisa y pura en películas finas de materiales conductores, aislantes y semiconductores en sus circuitos, microchips y otros componentes electrónicos.
• Industria óptica: productos como lentes, espejos, prismas, etc., sacan partido de la deposición al vacío para aplicar capas finas de material reflejante o antireflejante, filtros, etc., para dar mejor rendimiento en cámaras, gafas, telescopios, etc.
• Industria de herramientas y maquinaria pesada: existen herramientas y piezas en máquinas (motores, herramientas de corte, etc.) que necesitan recubrimientos duros que resistan el desgaste y prolongar su vida útil, como los de cloruro de titanio, carbono, etc., que son algunos de los materiales más duros.
• Industria médica: algunos utensilios médicos pueden recubrirse mediante la deposición al vacío para mejorar su rendimiento y su durabilidad.
• Industria del automóvil: la deposición al vacío puede usarse como forma de recubrir partes de automóviles con fines estéticos, de durabilidad y de funcionalidad, entre ellos, capas reflejantes en los cristales de las ventanas.

Equipos para deposición al vacío

Marpa Vacuum es proveedor de equipos de vacío (bombas de paletas rotativas, de diafragma, etc.) y servicios de instalación de sistemas para deposición al vacío, incluyendo sistemas llaves en mano, desde el diseño hasta el mantenimiento.