Depósitos por Sputterring-

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE CIENCIAS

Universidad Nacional de Ingeniera Facultad de Ciencias Escuela Profesional de Fsica

Depsitos por SputterringFsico Qumica de los Recubrimientos delgadosALUMNOS: GONZALES LORENZO CARLOS DAVID 20030196E2009-I Prof. Dr. Juan Rodrguez 23 de abril del 2009

FISICO QUIMICA DE LOS RECUBRIMIENTOS DELGADOS

Depsitos por Sputtering



Depsitos por Sputtering1. Introduccin Tradicionalmente se han depositado capas finas de metales sobre otros metales o materiales aislantes por procedimientos qumicos. Este es el caso de la construccin de espejos en los que una capa de plata se produca qumicamente mediante reactivo qumicos. Otras veces un material aislante como el vidrio se recubra de una pintura conductora para luego por electrlisis por ejemplo depositar nquel. La cosa cambia si en vez de intentar depositar plata pretendemos recubrir un material con una fina capa de titanio, mas difcil todava si queremos recubrir una lente con una capa de (fluoruro de bario, esto se hace en los espejos para lseres). Bueno pues esto dos ltimos casos si se pueden hacer por sputering. En realidad mediante la tcnica de sputering se puede recubrir una superficie prcticamente con cualquier material conductor o aislante. Que significa sputering?: Tcnica de pulverizacin catdica por bombardeo con iones. En una cmara que se ha hecho el vaco y se hace pasar una corriente elctrica entre dos electrodos. A baja presin y por efecto de la diferencia de potencial los tomos del gas residual se ionizan y se establece una pequea corriente elctrica.

Figura 1.Esquema de un equipo de bombardeo catdico (sputtering diodo). Los iones del gas residual chocan contra los electrodos arrancando parte del material que forma una nube mas o menos densa a su alrededor y que se deposita en las superficies circundantes.





1. El Proceso de Sputtering El proceso de pulverizacin catdica es principalmente un proceso de bombardeo inico, que consigue la deposicin en fase de vapor, sobre un sustrato de vidrio, del material bombardeado. En esta tcnica, los iones formados en un plasma son acelerados hacia el material que se desea depositar, mediante un campo elctrico. El alto voltaje entre el ctodo y el nodo provoca que los iones del gas de proceso golpeen el blanco con la energa suficiente para arrancar tomos de la superficie del ctodo mediante un proceso de transferencia de momento. Cuando el in golpea la superficie del material, transfiere parte de su energa a los tomos que lo forman, y se produce entonces una colisin en cascada. Las mltiples colisiones hacen posible que algunos tomos del material adquieran la suficiente energa para abandonar la superficie, alcanzar el sustrato y adherirse a l. La mayor parte de la energa proporcionada por los iones incidentes se transforma en calor, siendo este disipado mediante un circuito de refrigeracin que evita el sobre calentamiento del ctodo.

Figura 2. Esquema bsico del mecanismo de Sputtering.





Interaccin de los iones con al superficie (Chapman, glow discharge processes) Dispersin inica, con los iones en proceso de ser neutralizados en el proceso Escape de electrones secundarios. Implantacin inica, con el ion enterrado permanentemente en el blanco. Dao radiactivo en el blanco, con rearreglos estructurales, los cuales pueden ser vacancias, defectos intersticiales o defectos de red ms complejos. Sputtering, en el cual el impacto inico genera un serie de colisiones entren tomos del blanco, las cuales pueden llegar a dar lugar el escape de alguno de estos.

Figura 3. Interaccin de iones con una superficie. 2.1. Principios de la de posicin, mediante Sputtering La configuracin de sputtering ms sencilla es la correspondiente a un diodo formado por dos electrodos inmersos en un gas a baja presin, a los que se aplica un alto potencial DC, generando de esta forma una descarga elctrica. Debido a la fuerte diferencia de potencial entre los dos electrodos, se produce la ionizacin del gas de proceso. En esta configuracin, la intensidad del campo elctrico en las cercanas del ctodo es elevada, de forma que la cada de potencial se produce prcticamente en una regin prxima a la superficie del ctodo. En esta pequea zona los iones del plasma son acelerados hacia el ctodo. El resto del espacio comprendido entre el ctodo y el nodo lo ocupa el plasma, siendo el gradiente de potencial es esta zona prcticamente nula. Las dimensiones de esta pequea zona suele ser del orden del recorrido libre medio de los electrones en el gas. Cuando los iones chocan con el ctodo, adems de la erosin del material se producen otros efectos, como son, la emisin de iones secundarios, la emisin de radiacin, la emisin de electrones secundarios, etc. Parte de los electrones generados se recombinan con los iones y provocan la emisin de luz en la superficie del ctodo. La emisin de electrones secundarios contribuye a aumentar el grado de ionizacin del plasma y por tanto provoca que el bombardeo sea mas intenso. Como veremos, este efecto se aprovecha para aumentar la eficiencia del proceso, mediante la utilizacin de imanes que confinan el movimiento de estos electrones secundarios.FISICO QUIMICA DE LOS RECUBRIMIENTOS DELGADOS Depsitos por Sputtering



Figura 4. Esquema de la configuracin de los dos diodos para realizar deposiciones mediante sputtering. El proceso de sputtering tiene lugar en una cmara de vaco. Para evitar que el gas residual provoque una contaminacin considerable en los recubrimientos depositados es necesario conseguir un alto vaco (se considera alto vaco para el proceso de sputtering presiones inferiores a 10-6 mbar). La presin de trabajo se consigue mediante la introduccin del gas o gases de proceso a una presin del orden de 10-2 mbar. La presin ptima del proceso depende del sistema del sistema concreto con el que se trabaja, existiendo un compromiso entre el recorrido libre de las partculas del plasma y la presin necesaria para que se produzca la descarga. Cuanto menor es esa presin mayor es el recorrido libre medio, y por tanto mayor la energa con la que los tomos alcancen el blanco y el sustrato. Sin embargo si la presin es demasiado baja no existen suficientes tomos ionizados y por tanto la descarga se extingue rpidamente. Para conseguir estas presiones tan bajas se utilizan bombas de alto vaco. 2.2. Sputtering asistido por campo magntico (Sputtering Magnetrn) La descarga normal en un diodo no es una buena fuente de iones ya que el porcentaje de tomos ionizados no es elevado. Para aumentar el ritmo de deposicin es necesario aumentar la proporcin de ionizacin del gas de proceso. Esto se consigue mediante la aplicacin de campos magnticos perpendiculares al campo elctrico que genera la descarga. De esta forma, los electrones secundarios generados en el bombardeo quedan confinados en una regin cercana a la superficie del ctodo y son forzados a recorrer trayectorias helicoidales, paralelas a la superficie del ctodo consiguiendo as ionizar a su paso una mayor proporcin de tomos del gas de proceso (debido al choque entre los tomos del gas de proceso y los electrones) con el consiguiente aumento de la corriente inica y el resultado de un mayor ritmo de deposicin. El campo magntico esta creado por unos imanes situados en lnea en el cuerpo del ctodo.





Figura 5. Esquema del funcionamiento del sputtering asistido por campo magntico.

Una desventaja del sputtering asistido por campo magntico es que la erosin del material no es uniforme y hay un gran desaprovechamiento del material. Esto es debido a que el sputtering es ms intenso donde las lneas de campo magntico son paralelas a la superficie del ctodo. El resultado visible es que el blanco se erosiona en forma de V.





Zonas de mximo sputtering

Figura 6. Zonas de desgaste del blanco en el sputtering asistido por campo magntico. El sputtering asistido por campo magntico permite la deposicin a presiones mas bajas que las anteriores. Estas son de un orden de magnitud inferior (10-3 mbar en argn).

2.2.1 Diferentes configuraciones del sputtering magnetrn: 'SPUTTERING EN CORRIENTE CONTINUA a) Poste cilndrico ctodo cilndrico, nodo anular en los extremos lneas de campo axiales en la direccin del eje b) Cilndrico hueco configuracin similar. con ctodo hueco. c) Planar ctodo plano rodeado por nodo anular, lneas de campo `paralelas a superficie del ctodo. d) Can (S-gun) ctodo anular, alrededor de un nodo circular

Figura7. Diferentes configuraciones del sputtering magnetrn





Figura8. Voltaje de descarga para distintos tipos de Sputtering Magnetrn.

2.2.2 Ventajas del sputtering magnetrn planar: Posibilidad de implementacin como accesorio de un sistema de vaco Posibilidades de escalado para recubrimientos de grandes reas y para formacin de multicapas Separacin entre el plasma y los substratos no daos de bombardeo Aplicaciones en: 1. 2. 3. 4. Metalizaciones en microelectrnica y optoelectrnica Recubrimientos de piezas y herramientas (problemas con substratos 3D) Paneles arquitectnicos Recubrimientos decorativos

Figura9. Esquema de una instalacin de sputtering tipo magnetrn planar de trabajo en continuo para la metalizacin de grandes superficies. El sistema va provisto de tres unidades de magnetrn para formar multicapas y de dos cmaras de vaco previo, a la entrada y a la salida, para la carga de los substratos de forma continua.





Figura10. Ctodos circulares y rectangulares

Figura11. Confinamiento de plasma en el blanco

2.3 'SPUTTERING REACTIVO Posibilidad de pulverizar el metal en presencia de un gasreactivo (oxgeno, nitrgeno, metano) para depositar compuestos metlicos (xidos, nitruros, carburos,) Flujo de gas bajo Incorporacin del gas en estado neutro dentro de la capa depositada Flujo de gas alto Formacin de compuestos Sin embargo, la atmsfera de un gas reactivo cambia las condiciones de la descarga - Envenenamiento del ctodo: gas reactivo interacciona no solo con las partculas pulverizadas sino tambin con la superficie del blanco. Reduce la velocidad de`sputtering - Efecto gettering: captura de tomos del gas reactivo por los tomos metlicos depositados en el sustrato.





2.3.1 Efecto de histresis en la Presin - Flujo de gas bajo Incorporacin del gas en estado neutro dentro de la capa depositada. Modo metlico (A-B) - Flujo critico f1 relacin adecuada para formar compuesto. Coef. Captura y pequeos cambios en el flujo provocan aumento de P (B-C). Exceso de gas reacciona con superfice del blanco (Envenenamiento del ctodo) - Si aumentamos el flujo la P aumenta linealmente, paralela que el sistema en gas inerte (Modo reactivo) - Al disminuir el flujo, la presin cae linealmente hasta un flujo lo suficientemente bajo f2 para que desparezca la capa de envenenamiento (C-D) - Si disminuimos el flujo se vuelve al modo metlico (D-A) cerrndose el ciclo.

Figura12. Flujo de gas reactivo, f Influencia del envenenamiento del ctodo en la descarga: 1. Coeficiente de emisin de electrones secundarios disminuye. 2. Impedancia menor y por tanto disminuye la tensin de la descarga para I = cte 3. Disminuye la velocidad de sputtering (mayor energa de enlace de los tomos del compuesto). 4. Transicin abrupta en la curva de velocidad de deposicin 5. Efecto de histresis en la curva de voltaje debido al efecto de histresis en la curva flujo de gas- presin) 6. Control del proceso de sputtering complejo.

2.4 Sputtering de radiofrecuencia RFCon este tipo de fuente se puede realizar sputtering sobre materiales no conductivos. Se usa una frecuencia rf de (13.56 MHz), la cual es situada entre la frecuencia de plasma del ion y la frecuencia de plasma del electrn. La razn de depsito es directamente proporcional a la potencia rf aplicada al ctodo





Figura13. Esquema de Sputtering de radiofrecuencia.

Figura14. Evolucin microstructural: Estructura mediante el modelo de zonas, valido para PDV,CVD y para metales, semiconductores y aislantes





3. El Sistema de DeposicinEl sistema consiste bsicamente, en una cmara de vaco con su sistema de bombeo, y un cuadro de control que incluye las fuentes de alimentacin y los correspondientes equipos de medida. En nuestro laboratorio de Sputtering usamos el EMS 550 Sputter Coater , en la cual se tiene un target de oro (Au).

Figura 15. EMS 550, usado en el laboratorio de Sputtering.

4. Procedimiento Experimental Primero encendemos el Sputter Coater EMS 450 que fue usado en el laboratorio, luego esperamos que la bomba mecnica vaci la cual debe estar aprox. a 101 mbar y el camino libre medio correspondiente. Esperamos que nuestro sputter llegue a su tiempo limite aproximadamente 2 a 3 minutos y sacamos nuestro sustrato con la pelcula de oro y observamos. Este sustrato es guardados para su posterior anlisis y caracterizacin.





Figura 16. Pelculas de oro obtenidas con el EMS 550.

5. Conclusiones y Ventajas:1. La tcnica de sputtering en sus diferentes versiones es adecuada para la deposicin de un gran numero de materiales en forma de elementos y de compuestos en capa delgada. 2. Las caractersticas distintivas de la tcnica son: - deposicin a baja temperatura - no direccionalidad de los tomos pulverizados - energa de llegada de los tomos de unas decenas de eV - posibilidad de evaporar materiales refractarios. 3. La aplicacin de un campo magntico externo (sputtering magnetrn) permite aumentar considerablemente la velocidad de pulverizacin, lo que ha dado lugar a un uso muy extendido en la tecnologa de capas delgadas. Actualmente se puede utilizar el llamado magnetrn planar como un accesorio (retrofit) del sistema de vaco. 4. Una gran ventaja del sputtering magnetrn es la posibilidad de aislar el portasubstratos de la regin de la descarga, lo cual evita el bombardeo de los substratos por los iones de la descarga. 5. Existen diferentes versiones del magnetrn planar para aumentar la energa de llegada de los tomos a los substratos ( magnetrn no balanceado y aplicacin de un voltaje de polarizacin o bias). 6. Mediante la tcnica de sputtering reactivo es posible depositar compuestos de diversos metales. No obstante, existen limitaciones fuertes en cuanto a las velocidades de deposicin alcanzables por esta tcnica. 7. Las descargas en corriente alterna de alta frecuencia, sputtering RF, permiten depositar una gran variedad de materiales aislantes.





6. Usos:Este fenmeno se usa de forma extensiva en la industria de los semiconductores para depositar pelculas finas de diversos materiales sobre obleas de silicio. Se puede usar tambin para aplicar capas finas sobre cristal para aplicaciones pticas. El proceso se puede llevar a cabo a temperaturas muy bajas, lo que le hace el mtodo ideal para depositar puerta, fuente y drenador en transistores de pelcula fina, as como contactos en diodos PIN. De hecho, el uso de la pulverizacin catdica para depositar pelculas finas sobre un substrato es seguramente una de sus aplicaciones ms importantes hoy en da. Una ventaja importante de la pulverizacin catdica como tcnica de deposicin es que las pelculas depositadas tienen la misma concentracin que el material del blanco. Esto puede parecer sorprendente, ya que mencionamos antes que el rendimiento de pulverizacin depende del peso atmico de las especies involucradas. Por tanto, uno esperara que uno de los componentes de la aleacin se deposite ms rpido que otros, llevando a un cambio de la concentracin de la pelcula resultante. A pesar de que es cierto que los componentes se pulverizan a velocidades diferentes, al tratarse de un fenmeno superficial la vaporizacin de una especie de forma preferente enriquece la superficie con tomos de las restantes, lo que compensa de forma efectiva la diferencia de velocidades de abrasin. As, las pelculas depositadas tienen la misma composicin que el blanco. Esto contrasta con las tcnicas evaporativas, en la que un componente se evapora a menudo de forma preferencial, con el resultado de una pelcula depositada con una composicin distinta al material fuente. Otra aplicacin de la pulverizacin catdica es la erosin del material blanco. Un ejemplo ocurre en la espectroscopa de masas de iones secundarios, donde el blanco se pulveriza a velocidad constante. A medida que esto ocurre, la concentracin e identidad de los tomos evaporados se determina por espectroscopa de masas. De este modo, se puede determinar la composicin del material investigado e identificar concentraciones extremadamente bajas de impurezas. Adems, como la pulverizacin va atacando a capas cada vez ms profundas, es posible obtener un perfil de concentracin en funcin de la profundidad.

7. Referencias Sputtering by Particle Bombardment I, H. H. Andersen H.L. Bay R. Behrisch M. T. Robinson H.E. Roosendaal R Sigmund, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1981. http://www.icmm.csic.es/fis/documentos/Tema04.pdf http://www.icmm.csic.es/fis/documentos/Tema01.pdf http://www.psa.es/webesp/projects/solarsafewater/documents/curso/dia_14/9.%20Juan% 20Rodriguez.pdf http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://www.fisica.unam.mx/departamentos/ matcond/images/stories/laboratorios/lab_pelidelg01



Depósitos por Sputterring-

Documents

Transcript of Depósitos por Sputterring-