Fabrication, characterization and testing of functionally graded aluminum-based targets for sputtering deposition of hybrid composites

Abstract

The fabrication, characterization and testing of sputtering targets were completed for the deposition of hybrid composites. The chemical composition of the target specimens consisted of an aluminum-silicon matrix reinforced with AlB12 and AlB2 particles. These composites were manufactured by centrifugal casting and vacuum casting (as control samples). The characterization of the composites was divided into three sections: structure, mechanical properties and thermal properties. The characterization results showed better segregation of reinforcement in the composites containing AlB2 particles. Associated with this particle segregation accompanying changes in the mechanical and thermal properties of the compound were found.. The thermal analysis of the composites showed that both silicon and the presence of borides in the composite were responsible for the decrease in melting point and thermal expansion coefficient of the compound respectively. The fabricated targets were mounted in the AJA sputtering system with varying power from 200 to 450 W to determine which of the power set produced films with the smallest surface roughness; in this case was 450W. Afterwards, at this power films were deposited over glass, silicon and polymer substrates. Preliminary studies of structure and mechanical properties of the films showed that the films produced with the centrifuged targets had smaller grain size, dominant compression stresses, higher hardness and elastic modulus, and higher disorder in the crystalline structure when compared to the films produced with pure aluminum target.

La fabricación, caracterización y prueba de blancos de deposición fue llevada a cabo para deposición de compuestos híbridos. La composición química de los compuestos consistía en una matriz de aluminio-silicio reforzada con partículas de AlB2 y AlB12. Los compuestos fueron fabricados por fundición centrifuga y fundición al vacío (como muestras control). La caracterización de los compuestos se dividió en tres secciones: estructura, propiedades mecánicas y propiedades termales. Los resultados de la caracterización demostraron mejor segregación de partículas en los compuestos reforzados con partículas de AlB2. Junto con este gradiente de partículas también se encontró un cambio en las propiedades mecánicas y termales del compuesto. Las mejores propiedades fueron encontradas en las zonas donde había una mayor segregación de refuerzos. El análisis termal de las muestras demostró que tanto el silicio como la presencia de boruros en el compuesto eran responsables de la disminución en el punto de fusión y coeficiente de expansión termal del compuesto respectivamente. El análisis de los blancos de deposición en el equipo de “sputtering” consistió en variar la potencia de 200 hasta 450 W para determinar cuál de ellas resultaba la lámina con la menor rugosidad de superficie posible, en este caso fue 450W. A esta potencia fueron fabricadas las láminas depositadas sobre substratos de vidrio, silicio y polímero. La estructura y las propiedades mecánicas de las láminas fueron estudiadas preliminarmente. Los resultados demostraron que las láminas fabricadas con los blancos de deposición centrifugados obtuvieron menor tamaño de grano, esfuerzos en compresión, mayor dureza y modulo elástico, mayor desorden en la estructura cristalina que las muestras fabricados con aluminio puro.