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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.
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
Técnicas de Producción de capas delgadas
Depósito Físico
Depósito Químico
Evaporación en Vacío
Pulverización Catódica
Haces de iones
Pulverización por plasma
Ablación láser
Depósito Químico en Fase
Vapor (CVD)
Oxidación Térmica
Métodos Electroquímicos
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.
Evaporación
por
mediante resistencia
calentamiento
En la técnica de deposición mediante
evaporación, el calentamiento del material hasta
la fusión se lleva a cabo mediante el paso de
corriente eléctrica a 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.
Sistemas para evaporación en vacío
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 autoacelerados).
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.
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.
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.
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.
Capa delgada
Fuente de
alimentación
+
+
+
Gas inerte
+ +
+ +
-
Material que se quiere depositar
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.
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.
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'.
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.
Suministro de HA
Recubrimiento
Refrigeración
Cátodo
Ánodo
Plasma
Substrato