Deposición de sputter - Sputter deposition
La deposición por pulverización es un método de deposición física de vapor (PVD) de deposición de película delgada por pulverización catódica . Esto implica expulsar material de un "objetivo" que es una fuente sobre un "sustrato" como una oblea de silicio . La repulsión es la reemisión del material depositado durante el proceso de deposición por bombardeo de iones o átomos. Los átomos pulverizados expulsados del objetivo tienen una amplia distribución de energía, típicamente hasta decenas de eV (100.000 K ). Los iones pulverizados (por lo general, solo una pequeña fracción de las partículas expulsadas están ionizadas , del orden del 1 por ciento) pueden volar balísticamente desde el objetivo en línea recta e impactar enérgicamente en los sustratos o la cámara de vacío (provocando rebrote). Alternativamente, a presiones de gas más altas, los iones chocan con los átomos de gas que actúan como moderadores y se mueven de manera difusa, alcanzando los sustratos o la pared de la cámara de vacío y condensándose después de experimentar una caminata aleatoria . Se puede acceder a todo el rango, desde el impacto balístico de alta energía hasta el movimiento termalizado de baja energía, cambiando la presión del gas de fondo. El gas de pulverización catódica es a menudo un gas inerte como el argón . Para una transferencia de impulso eficiente, el peso atómico del gas de pulverización catódica debe estar cerca del peso atómico del objetivo, por lo que para los elementos ligeros de pulverización catódica es preferible el neón , mientras que para los elementos pesados se utiliza criptón o xenón . Los gases reactivos también se pueden utilizar para pulverizar compuestos. El compuesto se puede formar en la superficie objetivo, en vuelo o en el sustrato, dependiendo de los parámetros del proceso. La disponibilidad de muchos parámetros que controlan la deposición de la pulverización catódica lo convierten en un proceso complejo, pero también permite a los expertos un alto grado de control sobre el crecimiento y la microestructura de la película.
Usos
Una de las primeras aplicaciones comerciales generalizadas de la deposición catódica, que sigue siendo una de sus aplicaciones más importantes, es la producción de discos duros de computadora . La pulverización se utiliza ampliamente en la industria de los semiconductores para depositar películas delgadas de diversos materiales en el procesamiento de circuitos integrados . Los recubrimientos finos antirreflejos sobre vidrio para aplicaciones ópticas también se depositan mediante pulverización catódica. Debido a las bajas temperaturas del sustrato utilizado, la pulverización catódica es un método ideal para depositar metales de contacto para transistores de película delgada . Otra aplicación familiar de la pulverización catódica son los revestimientos de baja emisividad sobre vidrio , que se utilizan en conjuntos de ventanas de doble panel. El recubrimiento es una multicapa que contiene plata y óxidos metálicos como óxido de zinc , óxido de estaño o dióxido de titanio . Se ha desarrollado una gran industria en torno al recubrimiento de brocas de herramientas utilizando nitruros pulverizados, como el nitruro de titanio , creando la conocida capa dura de color dorado. La pulverización también se utiliza como proceso para depositar la capa de metal (por ejemplo, aluminio) durante la fabricación de CD y DVD.
Las superficies de los discos duros utilizan CrO x pulverizado y otros materiales pulverizados. La pulverización es uno de los principales procesos de fabricación de guías de ondas ópticas y es otra forma de fabricar células solares fotovoltaicas eficientes .
Recubrimiento por pulverización
El recubrimiento por pulverización en la microscopía electrónica de barrido es un proceso de deposición por pulverización catódica para cubrir una muestra con una capa delgada de material conductor, típicamente un metal, como una aleación de oro / paladio (Au / Pd). Se necesita un revestimiento conductor para evitar la carga de una muestra con un haz de electrones en el modo SEM convencional (alto vacío, alto voltaje). Si bien los recubrimientos metálicos también son útiles para aumentar la relación señal / ruido (los metales pesados son buenos emisores secundarios de electrones), son de calidad inferior cuando se emplea la espectroscopia de rayos X. Por esta razón, cuando se usa espectroscopia de rayos X, se prefiere un recubrimiento de carbono.
Comparación con otros métodos de deposición
Una ventaja importante de la deposición por pulverización catódica es que incluso los materiales con puntos de fusión muy altos se pulverizan fácilmente, mientras que la evaporación de estos materiales en un evaporador de resistencia o celda Knudsen es problemática o imposible. Las películas depositadas por pulverización tienen una composición cercana a la del material fuente. La diferencia se debe a que los diferentes elementos se esparcen de manera diferente debido a su diferente masa (los elementos ligeros son desviados más fácilmente por el gas) pero esta diferencia es constante. Las películas pulverizadas suelen tener una mejor adhesión al sustrato que las películas evaporadas . Un objetivo contiene una gran cantidad de material y no requiere mantenimiento, lo que hace que la técnica sea adecuada para aplicaciones de vacío ultra alto. Las fuentes de pulverización no contienen partes calientes (para evitar el calentamiento, generalmente se enfrían con agua) y son compatibles con gases reactivos como el oxígeno. La pulverización se puede realizar de arriba hacia abajo, mientras que la evaporación se debe realizar de abajo hacia arriba. Son posibles procesos avanzados como el crecimiento epitaxial.
Algunas desventajas del proceso de pulverización catódica son que el proceso es más difícil de combinar con un despegue para estructurar la película. Esto se debe a que el transporte difuso, característico de la pulverización catódica, hace imposible una sombra completa. Por lo tanto, no se puede restringir completamente a dónde van los átomos, lo que puede provocar problemas de contaminación. Además, el control activo del crecimiento capa por capa es difícil en comparación con la deposición por láser pulsado y los gases inertes de pulverización catódica se incorporan a la película en crecimiento como impurezas. La deposición por láser pulsado es una variante de la técnica de deposición por pulverización catódica en la que se utiliza un rayo láser para la pulverización catódica. El papel de los iones bombardeados y reesputados y el gas de fondo se investiga a fondo durante el proceso de deposición por láser pulsado.
Tipos de deposición de pulverización catódica
Las fuentes de pulverización a menudo emplean magnetrones que utilizan fuertes campos eléctricos y magnéticos para confinar las partículas de plasma cargadas cerca de la superficie del objetivo de la pulverización catódica. En un campo magnético, los electrones siguen trayectorias helicoidales alrededor de las líneas del campo magnético, sufriendo más colisiones ionizantes con neutrales gaseosos cerca de la superficie del objetivo de lo que ocurriría de otra manera. (A medida que se agota el material objetivo, puede aparecer un perfil de erosión en "pista de carreras" en la superficie del objetivo). El gas de pulverización es típicamente un gas inerte como el argón. Los iones de argón adicionales creados como resultado de estas colisiones conducen a una mayor tasa de deposición. El plasma también se puede mantener a una presión más baja de esta manera. Los átomos bombardeados tienen carga neutra y, por lo tanto, no se ven afectados por la trampa magnética. La acumulación de carga en los objetivos aislantes se puede evitar con el uso de la pulverización catódica de RF donde el signo de la polarización ánodo-cátodo varía a una velocidad alta (comúnmente 13,56 MHz ). La pulverización catódica de RF funciona bien para producir películas de óxido altamente aislantes, pero con el costo adicional de las fuentes de alimentación de RF y las redes de adaptación de impedancia . Los campos magnéticos extraviados que se escapan de los objetivos ferromagnéticos también perturban el proceso de pulverización catódica. Las pistolas de pulverización catódica especialmente diseñadas con imanes permanentes inusualmente fuertes deben usarse a menudo como compensación.
Bombardeo catódico con haz de iones
La pulverización catódica con haz de iones (IBS) es un método en el que el objetivo es externo a la fuente de iones . Una fuente puede funcionar sin ningún campo magnético, como en un medidor de ionización de filamento caliente . En una fuente Kaufman, los iones se generan por colisiones con electrones que están confinados por un campo magnético como en un magnetrón. Luego son acelerados por el campo eléctrico que emana de una rejilla hacia un objetivo. A medida que los iones abandonan la fuente, son neutralizados por electrones de un segundo filamento externo. El IBS tiene la ventaja de que la energía y el flujo de iones se pueden controlar de forma independiente. Dado que el flujo que golpea el objetivo está compuesto de átomos neutros, los objetivos aislantes o conductores se pueden escupir. IBS ha encontrado aplicación en la fabricación de cabezales de película fina para unidades de disco . Se genera un gradiente de presión entre la fuente de iones y la cámara de muestra colocando la entrada de gas en la fuente y disparando a través de un tubo hacia la cámara de muestra. Esto ahorra gas y reduce la contaminación en aplicaciones UHV . El principal inconveniente de IBS es la gran cantidad de mantenimiento necesario para mantener la fuente de iones en funcionamiento.
Sputtering reactivo
En la pulverización catódica reactiva, las partículas pulverizadas de un material objetivo se someten a una reacción química con el objetivo de depositar una película de diferente composición sobre un determinado sustrato. La reacción química que experimentan las partículas es con un gas reactivo introducido en la cámara de pulverización catódica como oxígeno o nitrógeno, lo que permite la producción de películas de óxido y nitruro, respectivamente. La introducción de un elemento adicional al proceso, es decir, el gas reactivo, tiene una influencia significativa en las deposiciones deseadas, dificultando la búsqueda de puntos de trabajo ideales. Así, la gran mayoría de procesos de pulverización catódica basados en reactivos se caracterizan por un comportamiento similar a la histéresis, por lo que necesitan un control adecuado de los parámetros implicados, por ejemplo, la presión parcial de los gases de trabajo (o inertes) y reactivos, para socavarla. Berg y col. propuso un modelo significativo, es decir, el modelo de Berg, para estimar el impacto de la adición del gas reactivo en los procesos de pulverización catódica. Generalmente, la influencia de la presión relativa y el flujo del gas reactivo se estimaron de acuerdo con la erosión del objetivo y la tasa de deposición de la película sobre el sustrato deseado. La composición de la película se puede controlar variando las presiones relativas de los gases inertes y reactivos. La estequiometría de la película es un parámetro importante para optimizar propiedades funcionales como la tensión en SiN x y el índice de refracción de SiO x .
Deposición asistida por iones
En la deposición asistida por iones (IAD), el sustrato se expone a un haz de iones secundario que opera a una potencia menor que la pistola de pulverización catódica. Por lo general, una fuente Kaufman, como la que se usa en IBS, suministra el haz secundario. La IAD se puede utilizar para depositar carbono en forma de diamante sobre un sustrato. Cualquier átomo de carbono que aterrice en el sustrato que no se adhiera correctamente a la red de cristal de diamante será eliminado por el haz secundario. La NASA usó esta técnica para experimentar depositando películas de diamantes en las palas de las turbinas en la década de 1980. La IAD se utiliza en otras aplicaciones industriales importantes, como la creación de recubrimientos superficiales de carbono amorfo tetraédrico en platos de disco duro y recubrimientos de nitruro de metal de transición duro en implantes médicos.
Sputtering de alta utilización de objetivos (HiTUS)
La pulverización también se puede realizar mediante la generación remota de un plasma de alta densidad. El plasma se genera en una cámara lateral que se abre a la cámara principal del proceso, que contiene el objetivo y el sustrato a recubrir. Como el plasma se genera de forma remota, y no a partir del objetivo en sí (como en la pulverización catódica con magnetrón convencional ), la corriente de iones hacia el objetivo es independiente del voltaje aplicado al objetivo.
Pulverización catódica con magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS)
HiPIMS es un método para la deposición física en fase de vapor de películas delgadas que se basa en la deposición por pulverización catódica con magnetrón. HiPIMS utiliza densidades de potencia extremadamente altas del orden de kW / cm 2 en pulsos cortos (impulsos) de decenas de microsegundos con un ciclo de trabajo bajo de <10%.
Sputtering de flujo de gas
La pulverización catódica con flujo de gas utiliza el efecto de cátodo hueco , el mismo efecto por el que funcionan las lámparas de cátodo hueco . En la pulverización catódica con flujo de gas, un gas de trabajo como el argón se conduce a través de una abertura en un metal sometido a un potencial eléctrico negativo. Se producen densidades de plasma mejoradas en el cátodo hueco, si la presión en la cámara py una dimensión característica L del cátodo hueco obedecen a la ley de Paschen 0,5 Pa · m < p · L <5 Pa · m. Esto provoca un alto flujo de iones en las superficies circundantes y un gran efecto de chisporroteo. La pulverización catódica con flujo de gas a base de cátodos huecos puede, por tanto, asociarse con grandes velocidades de deposición hasta valores de unos pocos µm / min.
Estructura y morfología
En 1974, JA Thornton aplicó el modelo de zona de estructura para la descripción de morfologías de película delgada a la deposición por pulverización catódica. En un estudio sobre capas metálicas preparadas por pulverización catódica de CC, amplió el concepto de zona de estructura introducido inicialmente por Movchan y Demchishin para películas evaporadas . Thornton introdujo una zona de estructura adicional T, que se observó a bajas presiones de argón y se caracterizó por granos fibrosos densamente empaquetados. El punto más importante de esta extensión fue enfatizar la presión p como un parámetro decisivo del proceso. En particular, si se utilizan técnicas hipertérmicas como la pulverización catódica, etc. para la sublimación de átomos de origen, la presión gobierna a través del camino libre medio la distribución de energía con la que inciden en la superficie de la película en crecimiento. Junto a la temperatura de deposición T d, la presión de la cámara o el camino libre medio debe especificarse siempre cuando se considere un proceso de deposición.
Dado que la deposición por pulverización catódica pertenece al grupo de procesos asistidos por plasma, junto a los átomos neutros también las especies cargadas (como los iones de argón) golpean la superficie de la película en crecimiento, y este componente puede ejercer un gran efecto. Denotando los flujos de los iones y átomos que llegan por J i y J a , resultó que la magnitud de la relación J i / J a juega un papel decisivo en la microestructura y morfología obtenida en la película. El efecto del bombardeo iónico puede derivarse cuantitativamente de parámetros estructurales como la orientación preferida de los cristalitos o la textura y del estado de tensión residual . Recientemente se ha demostrado que pueden surgir texturas y tensiones residuales en capas de Ti pulverizado con flujo de gas que se comparan con las obtenidas en piezas macroscópicas de Ti sometidas a una deformación plástica severa por granallado .
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Los fundamentos de la tecnología de revestimiento al vacío por D. Mattox
- William D. Westwood (2003). Sputter Deposition, Serie de libros del Comité de Educación de AVS . 2 . ISBN 978-0-7354-0105-1.
- Kiyotaka Wasa y Shigeru Hayakawa (1992). Manual de principios, tecnología y aplicaciones de la tecnología de deposición catódica . ISBN 0815512805.