Lección 11.9RecubrirCapítulo 11 · Recubrimientos y acabado superficial

Recubrimiento CVD

Los gases reaccionan sobre una superficie caliente y dejan una película

El CVD (deposición química de vapor) hace crecer una película sólida a partir de gases que reaccionan sobre una superficie caliente. Deposita las capas ultrafinas del interior de los chips de ordenador y los recubrimientos resistentes de muchas plaquitas de corte de carburo. A diferencia del PVD, el gas llega al interior de los agujeros y alrededor de las esquinas, así que todas las superficies reciben un recubrimiento uniforme.

Foto: NASA/GRC, Public domain, vía Wikimedia Commons

Recubrimiento CVD · reactor tubular, con un detalle de la reacción en la superficieLos números en círculo corresponden a los pasos de abajo; el recuadro inferior amplía la química en la superficie.

Cómo funciona

Carga las piezas. Obleas (discos finos de silicio para chips) o plaquitas de corte de carburo se apilan en bastidores dentro del reactor, un tubo o cámara sellados.
Calienta y suministra los gases. Las piezas se calientan, normalmente a 500–1.100 °C en el CVD térmico. Entran los gases precursores: gases que llevan los átomos que quieres, como el silano para el silicio o el metano para el carbono.
Reacciona sobre la superficie caliente. Cerca de la superficie caliente las moléculas del gas se rompen y reaccionan. Los átomos que quieres se quedan como una película sólida y firmemente unida.
Bombea los subproductos. Los gases sobrantes, como el hidrógeno o el cloruro de hidrógeno ácido, se bombean y se depuran en un lavador de gases antes de liberarse.
Crece y luego enfría. La película se engrosa de forma uniforme en cada superficie que toca el gas, desde unos pocos nanómetros en chips hasta unas 5–20 µm en plaquitas de herramienta. Después el reactor se enfría y salen las piezas.

Datos clave

Materiales: Películas: silicio, óxido y nitruro de silicio, wolframio, TiN, TiC, alúmina, diamante, grafeno. Piezas: obleas de silicio, carburo, cerámicas, metales resistentes al calor
Piezas típicas: Obleas de chips, plaquitas de corte de carburo, células solares, piezas ópticas y de desgaste
Tamaño de pieza: Obleas de hasta 300 mm de diámetro; plaquitas de unos pocos centímetros; de cientos a miles de piezas por tanda
Precisión: Películas de unos pocos nanómetros a unas 20 µm, muy uniformes, incluso dentro de agujeros y zanjas
Acabado superficial: Lisas y densas, copian la superficie de debajo; los recubrimientos de herramientas son grises, dorados o negros
Tamaño de lote adecuado: Lotes grandes: cientos de obleas o miles de plaquitas por tanda
Coste de utillaje y máquina: De alto a muy alto: los reactores industriales cuestan de cientos de miles a millones de dólares, y los equipos para chips están en lo más alto
Velocidad: Lento: una tanda de recubrimiento de herramientas suele durar muchas horas; las capas finas de chips tardan de minutos a horas

Ventajas y límites

Ventajas

Recubre todas las superficies que alcanza el gas, incluso dentro de agujeros
Películas muy uniformes y densas que se adhieren con fuerza
Una enorme variedad de materiales, del silicio al diamante
Capas de nanómetros exactos para chips, o capas gruesas de desgaste para herramientas

Límites

El calor elevado, a menudo cerca de 1.000 °C, descarta muchos aceros y plásticos
Los gases tóxicos, inflamables o corrosivos requieren un manejo cuidadoso
Reactores caros y tandas largas
Difícil de enmascarar: también recubre lugares que quizá no quieras

Dónde se usa

ElectrónicaCapas aislantes y conductoras dentro de chips, células solares
Herramientas de corteCapas gruesas de TiCN y alúmina en plaquitas de torneado de carburo
ÓpticaRecubrimientos duros y antirreflejo, ventanas de diamante sintético
JoyeríaDiamantes de laboratorio
AeroespacialRecubrimientos de aluminuros que protegen los álabes de turbina de los gases calientes
InvestigaciónLáminas de grafeno y nanotubos de carbono

Cómo reconocerlo

Un recubrimiento uniforme que llega al interior de agujeros, ranuras y a la cara trasera de una pieza.
Plaquitas de carburo con un recubrimiento grueso dorado, gris o negro cuyas capas se ven como bandas en un borde astillado.
Los colores del arcoíris de una oblea de silicio: películas finas, a menudo crecidas por CVD, cuyo espesor determina el color.
Certificados de diamantes de laboratorio que dicen CVD.

Compáralo con

Recubrimiento PVD11.8los átomos vuelan en línea recta desde un blanco sólido, a menor temperatura; el CVD usa gases que rodean las esquinas pero suele necesitar más calor.Deposición de capas atómicas13.4una forma del CVD paso a paso que añade una capa atómica por ciclo, para películas ultrafinas y perfectas.Galvanizado electrolítico11.5construye capas metálicas a partir de un líquido a temperatura casi ambiente; el CVD construye cerámicas y semiconductores a partir de gas.

Míralo

Massachusetts Institute of Technology (MIT) · Una explicación clara de cómo funciona el CVD y por qué importa

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Los pasos de la reacción en la superficie, animados

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Las variantes principales: a presión normal, a baja presión, con plasma

CVDEquipment · Qué aspecto tiene una máquina real de CVD por plasma

Ver fotos reales

Wikipedia: Deposición química de vapor — tipos de reactores, materiales y usos, con enlaces a fotos
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

El CVD hace crecer una película sólida a partir de gases que reaccionan sobre una superficie caliente.
El gas llega a todas partes, así que los agujeros y las caras traseras también reciben un recubrimiento uniforme.
Las capas de los chips, los recubrimientos gruesos de plaquitas y los diamantes de laboratorio salen todos del CVD.