Mecanismos de nucleación y crecimiento en capas delgadas

1. Mecanismos de nucleación y crecimiento en capas delgadas El crecimiento de una capa delgada lleva involucrado una serie de procesos a nivel microscópico, los cuales determinarán en gran medida la estructura, morfología y propiedades físico-químicas del material. Aunque existen diferentes técnicas, tanto de origen físico como químico, ciertos aspectos básicos del mecanismo de crecimiento es común para todas ellas.

2. Etapas iniciales del crecimiento de un recubrimiento durante un proceso en fase vapor, para una superficie ideal sobre la que se condensa un gas de átomos o moléculas (tanto por métodos físicos como químicos): 1.- Fuente de vapor 2.- Llegada y acomodación de moléculas y/o átomos sobre la superficie 3.- Difusión superficial de las especies sobre la superficie 4.- Nucleación 5.- Crecimiento de la película continua

3. Técnicas de Producción de capas delgadas Evaporación en Vacío Pulverización Catódica Haces de iones Pulverización por plasma Ablación láser Depósito Químico en Fase Vapor (CVD) Oxidación Térmica Métodos Electroquímicos Depósito Físico Depósito Químico

4. Evaporacion térmica en vacío * La técnica de deposición por evaporación térmica en vacío consiste en el calentamiento hasta la evaporación del material que se pretende depositar. * El vapor del material termina condensándose en forma de lámina delgada sobre la superficies fría del substrato y las paredes de la cámara de vacío. * Normalmente la evaporación se hace a presiones reducidas, del orden de 10-6 o 10-5 Torr, con objeto de evitar la reacción del vapor con la atmósfera ambiente. A estas presiones bajas, el recorrido libre medio de los átomos de vapor es del orden de las dimensiones de la cámara de vacío por lo que estas partículas viajan en línea recta desde la fuente de evaporación (crisol) hasta el substrato.

5. Evaporación por calentamiento mediante resistencia En la técnica de deposición mediante evaporación, el calentamiento del material hasta la fusión se lleva a cabo mediante el paso de corriente eléctricaa través de un filamento o placa metálica sobre el cual se deposita el material (efecto Joule).El material en forma de vapor se condensa entonces sobre el substrato. Los metales típicos usados como resistencia de calentamiento son: El tantalio (Ta), Molibdeno (Mo), Wolframio o Tungsteno (W) Los cuales presentan una presión de vapor prácticamente nula a la temperatura de evaporación (Tevap = 1000-2000 °C). Cuando se utiliza un filamento en forma de hélice arrollada sobre el material, es conveniente que el material evaporante moje el metal.

6. Sistemas para evaporación en vacío

7. Evaporacion por calentamiento mediante haz de electrones *Esta técnica esta basada en el calentamiento producido por el bombardeo de un haz de electrones de alta energía sobre el material a depositar. *El haz de electrones es generado mediante un cañón de electrones, el cual utiliza la emisión termoiónica de electrones producida por un filamento incandescente (cátodo). *Los electrones emitidos, en forma de corriente eléctrica, son acelerados hacia un ánodo mediante una d.d.p. muy elevada (kilovolts). El ánodo puede ser el propio crisol o un disco perforado situado en sus proximidades (cañones auto- acelerados). A menudo se incluye un campo magnético para curvar la trayectoria de los electrones, situando el cañón de electrones por debajo de la línea de evaporación.

8. Debido a la posibilidad de focalización de los electrones es posible obtener un calentamiento muy localizado (puntual) sobre el material a evaporar, y con una alta densidad de potencia de evaporación (varios KW). Esto permite un control de la velocidad de evaporación, desde valores bajos hasta muy altos y, sobre todo, la posibilidad de depositar metales de alto punto de fusión (p.e. W, Ta, C, etc.). El hecho de tener el crisol refrigerado evita problemas de contaminación producida por el calentamiento y la desgasificación de las paredes de la cámara de vacío.

9. Depósito por Iones El proceso de sputtering consiste en la extracción de átomos de la superficie de un electrodo debido al intercambio de momento con iones que bombardean los átomos de la superficie. Con esta definición está claro que el proceso de sputtering es básicamente un proceso de ataque, frecuentemente utilizado para la limpieza de superficies y la delineación de pistas. Sin embargo, como en el proceso de sputtering se produce vapor del material del electrodo, es también un método utilizado en la deposición de películas, similar a la evaporación. Con el término deposición por sputtering se enmarcan una gran cantidad de procesos, pero todos tienen en común el empleo de un blanco del material que va a ser depositado como cátodo en la descarga luminosa. El material es transportado desde el blanco hasta el substrato donde se forma la película. De esta forma se depositan películas de metales puros o aleaciones utilizando descargas de gases nobles.

10. Pulverización Catódica En la pulverización catódica o “Sputtering” los átomos del material a depositar son expulsados de la superficie del material (blanco) por bombardeo de iones positivos, normalmente de un gas inerte.

11. Fuente de alimentación + Gas inerte - + + + + + + Capa delgada Material que se quiere depositar

13. Una técnica de deposición de materiales basada en el principio de sputtering antes mencionado es la de Sputtering Magnetrón. Se caracteriza por utilizar campos magnéticos transversales a los campos eléctricos en la superficie del blanco. La aplicación de este campo magnético transversal da lugar a cambios importantes en el proceso básico de sputtering: 1.-Los electrones secundarios generados en el blanco no bombardean el substrato debido a que son atrapados en trayectorias cicloidales cerca del blanco, así disminuye la temperatura a la que se calienta el substrato y disminuye el daño por radiación. 2.-Este hecho permite recubrir substratos que no resistan temperaturas altas (como plásticos) y superficies sensibles. 3.-Además en esta técnica las velocidades de deposición son más altas que en el sputtering tradicional, pudiendo utilizar la técnica combinada con sputtering reactivo.

14. Depósito por Bombardeo de iones Los átomos que constituyen el recubrimiento se obtienen bombardeando unos blancos (metálicos o cerámicos) con iones de un gas inerte (Argon) a baja energía (500-1000 eV). Estos átomos pulverizados viajan hasta las superficies próximas depositándose en ellas en proporciones similares a las del blanco de partida. Otras veces, mediante la pulverización simultánea de dos o más materiales es posible producir capas de recubrimientos binarios, ternarios, etc. Los procesos de sputtering tienen el inconveniente de ser más lentos que los de evaporación, pero tienen la ventaja de ser más limpios, más versátiles, más controlables y no necesitar altas temperaturas.

15. Deposición asistida mediante haces de iones (IBAD) Con objeto de aumentar la energía de llegada de los átomos y mejorar con ello la adherencia y la densidad se puede recurrir a un bombardeo con iones de la superficie del substrato durante el proceso de evaporación de las capas. Tenemos así las técnicas de 'deposición asistida con iones'.

16. Técnica Pulverización por plasma ( Plasma Spray) Es una técnica de pulverización térmica, en la cual se origina un plasma generado mediante la ionización de un gas, generalmente argón o helio, que una vez formado alcanza una temperatura superior a 3x104 K. El material se inyecta en forma de polvo justo a la salida de la boquilla y es arrastrado por el plasma que sale a gran velocidad, fundiéndose debido a la alta temperatura e incidiendo sobre el sustrato.