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Universidad Nacional Autónoma de MéxicoInstituto de Energías Renovables
IER - UNAM
Depósito de películas delgadas mediantepulverización catódica (sputtering)
J. Andrés Alanís Navarro, Baudel Lara Lara,Sebastian Pathiyamattom Joseph
III Taller de Innovación fotovoltaica y celdas solares – LIFyCS22 - 26 de Abril 2013
III Taller LIFyCS (Abril 22-26, 2013) 2
Contenido1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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Objetivos
Presentar un panorama general de diferentes técnicas
de depósito de películas delgadas (PDs)
Mostrar las principales características del “Sistema
Dual MVSystem” Evaporador - Pulverizador RF
(LIFyCS)
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Objetivos
Explicar el principio de funcionamiento
Mostrar las principales figuras de mérito de la técnica
Presentar los principales resultados obtenidos
Realizar una práctica de laboratorio
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Películas delgadas (PDs)
Una PD es una fina capa de material creada a partir de la
acumulación de átomos, moléculas o iones individuales
sobre una superficie.
El espesor típico de una PD
es menor a 10 µm.
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Aplicaciones de las PDs
La tecnología de PDs se ha utilizado desde hace más de 50 años en
la fabricación de dispositivos electrónicos, como recubrimientos
ópticos, anticorrosivos y con fines decorativos.
Aunque es una tecnología establecida, su desarrollo continúa,
principalmente para su aplicación en materiales a escala
nanométrica.
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Aplicaciones de las PDs
Industria electrónica, automotriz, medicina, hogar, entretenimiento, en el área de la energía (celdas solares, celdas de combustible), etc.
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Etapas de crecimiento de una PD
Existen 3 pasos básicos para la formación de una PD:
Síntesis del material a depositar
Transporte del material:
fuente → substrato
Depósito y crecimiento sobre
una superficie
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Etapas de crecimiento de una PD
Transporte de los átomos o moléculas a través de un medio
Adsorción y difusión superficial de los átomos o moléculas
Nucleación de las especies
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Etapas de crecimiento de una PD
Crecimiento inicial de la película
Formación de microestructuras debido a la coalescencia de
átomos y/o moléculas
Formación de la película delgada
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Etapas de crecimiento de una PD
Crecimiento inicial de la película
Formación de microestructuras debido a la coalescencia de
átomos y/o moléculas
Formación de la película delgada
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Interrelación de propiedades físico-químicas
Cada etapa de crecimiento depende
de la temperatura, de la tasa de
crecimiento, de la superficie del
sustrato, etc.
La combinación de estas propiedades
define las características de la
película delgada.
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1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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Técnicas de depósito de películas delgadas
Las películas delgadas se depositan sobre un sustrato por
diferentes métodos: i) físicos (PVD) y ii) químicos (CVD):
Descomposición química (CVD: Chemical Vapor Deposition)
Evaporación térmica (PVD: Physical Vapor Deposition)
Evaporación por arco de electrones (PVD)
Erosión mediante iones (PVD)
Evaporación mediante irradiación de fotones (PVD)
Etcétera
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Técnicas de depósito de películas delgadas
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Sumario - PVD
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Criterios de selección de la técnica de depósito
Aplicación: material a depositar (metal, semiconductor,
dieléctrico)
La tasa o velocidad de depósito
El tipo de sustrato (temperatura máxima que soporta)
Adherencia entre el sustrato y la película delgada
Uniformidad y área de depósito
Pureza del material a depositar
Aspectos ambientales
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Criterios de selección de la técnica de depósito
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2.1 Evaporación térmica
Consiste en calentar el material hasta evaporarlo
Con esta técnica es posible depositar metales y
semiconductores de baja temperatura de fusión y ebullición:
Cu, Al, Au, Ag, Zn, Sn, Cd, Sb, Ga, Ge, CdS, CdTe, CdSe, ...
Te < 1800°C
PDs mediante procesos físicos< PVD >
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Evaporación térmica
Descripción
Se utiliza una cámara de vacío (0.1 µbar)
El material a depositar coloca sobre un
material refractario (Mo, Ta, W, ...)
Se hace circular una corriente eléctrica
a través del metal refractario
La corriente eléctrica genera calor
El calor funde y evapora el material,
hasta depositarse sobre el sustrato
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Evaporación térmica
Tecnología de bombas de vacío: 10-4 – 10-6 mbar
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Evaporación térmica
Se hace circular una corriente eléctrica: I ≤ 600 A, V = 5 V
Medidor deespesor
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Evaporación térmica
Material - fuente Soporte
Tipos de soportes
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Evaporación térmica
Pureza de los materiales:
99.99% o 99.999%
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1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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PVD – Pulverización catódica (sputtering)
Historia
Groove (1852) observó una capa de metal sobre
uno de los electrodos de un sistema de descarga
luminiscente (Glow Discharge)
Inicialmente se atribuía a la evaporación del metal
Entre 1908 – 1960 algunos experimentos
demostraron que no se debía a un proceso de
evaporación sino a un proceso de erosión
He
Ne
Ar
Kr
Xe
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Pulverización catódica
Historia
Una aplicación exitosa de esta técnica es en los discos compactos
para almacenar información: se deposita un recubrimiento de metal
sobre un plástico.
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Clasificación
Existen distintos tipos de pulverizador catódico:
Corriente directa: CD (metales)
Corriente alterna: CA o RF (cualquier material)
Magnetrón: CD, CA o RF
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Principio de funcionamiento
Es un sistema asistido por plasma de un gas inerte (Ar, Ne, He, etc.)
Plasma: gas parcialmente ionizado formado de iones, electrones,
átomos neutros y fotones de luz.
Plasma de argón
Ar, Ar+, e-, hυ
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Principio de funcionamiento
Ionización
Comienza por el impacto de electrones acelerados a través de un
campo eléctrico.
Requisito
Que la energía cinética del electrón sea mayor que la energía de
enlace del argón.
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1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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Pulverizador de CD
(1) En una cámara se introduce el sustrato y el blanco (fuente)
(2) Se vacía la cámara hasta alcanzar una presión relativa de
Pvac.
≈ 0.01 μbar ≈ 0.75 μTorr ≈ 0.1 natm
(3) Se introduce un gas inerte, Ar, N2, He, ...
PAr
≈ 10 μbar ≈ 7.5 mTorr ≈ 0.1 μatm
(4) Se hace circular una pequeña corriente eléctrica:
50 mA < I < 130 mA
P.ej., una corriente eléctrica de 60 mA proporciona P.ej., una corriente eléctrica de 60 mA proporciona ≈ 4≈ 4 x 10 x 101717 electrones electrones
en un segundo.en un segundo.
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Principio de funcionamiento
(5) Se aplica una diferencia de potencial eléctrico o voltaje entre dos
electrodos: ánodo y cátodo, separados por una distancia L
1 < ΔU < 3 kV
3 cm < L < 10 cm
100 V∙cm-1 < |Ē| < 1000 V∙cm-1
(6) En el ánodo se coloca el sustrato; en el cátodo se coloca el blanco
o material a depositar
(7) El campo eléctrico acelera a los electrones, los cuales chocan
con el argón, ionizándolo
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Ar + e- → Ar+ + 2e- ΔU
e-e-e-
Electric field
Principio de funcionamiento
e-
Ar+
Material
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Principio de funcionamiento
Animaciones: http://www.ajaint.com/whatis.htm
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Pulverizador de RF - LIFyCS
Sistema dual evaporador-pulverizador marca MVSystem
Características:
Evaporadora (3 kW) 2 Cátodos: 3” de diámetro
2 Fuentes de RF (300 W) Base giratoria con control
de temperatura Medidor de espesor Bomba rotatoria y
turbomolecular
3 Tanques: Ar, N2 y aire
Sistema UPS: 30 min
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Sistema de pulverización catódica - Pánel
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Sistema dual evaporador-pulverizador - LIFyCS
L
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Pulverizador de RF vs. CD
Difiere del de CD en cuanto a la forma de generar el plasma.
Éste utiliza una fuente de corriente alterna, CA o RF:
f = 13.56 MHz,
frecuencia exclusiva para uso industrial.
Sirve para depositar cualquier material: metales, óxidos,
semiconductores y aislantes.
La cámara es una carcasa que protege de la radiación de RF a
usuarios y equipos.
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Pulverizador de RF vs. CD
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Pulverizador catódico de RF
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Figuras de mérito: camino libre medio
Camino libre medio (l, λ): distancia promedio entre colisiones que viajan
las moléculas, átomos, iones y electrones.
l = 68 nm l ≈ 10 cm
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Figuras de mérito: camino libre medio
λ = λ (p); (T=300 K, d≈1x10-7 cm, kB ≈ 1.38 x 10-23 J·K-1 )
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Figuras de mérito: rendimiento
Rendimiento (S)
Cociente entre el número
de átomos removidos y
el número de iones.
S = #átomos / #iones
S ≥ 0
E = q ΔU[C·V o eV]
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SAr
vs., SNe
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“S” en función de la orientación cristalina
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“S” en función del ángulo de incidencia
En 1960 se evaluó la razón de depósito entre ± 90°
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Figuras de mérito: R(L, P), ρ(L, P)
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Figuras de mérito: R(I), ρ(I)
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Morfología en función de la presión y temperatura
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1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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Resultados preliminares
Mediante esta técnica (CD y RF) en el IER se han obtenido
películas delgadas de diferentes materiales:
Metales: Cu, Au, Ag, Mo,Ti, Cr, Zn
Compuestos: ZnO, ITO, acero inoxidable
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Resultados preliminares: Difracción de rayos XCu
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Resultados preliminares: Difracción de rayos XCu/Au
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Resultados preliminares: Difracción de rayos XAcero inoxidable
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1. Introducción
2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)
3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering
4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF
5. Resultados preliminares
6. Conclusiones
7. Práctica de laboratorio
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Conclusiones
Las condiciones de crecimiento de las películas delgadas definen
todas las propiedades fisco-químicas del material.
El sistema de pulverización catódica es una técnica versátil para
depositar cualquier material sólido.
Es ideal para deposita aleaciones, ya que no depende de la
temperatura de evaporación de los materiales: CdTe, CdS, ITO.
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Conclusiones
Permite conservar la estequiometría de los materiales durante el
depósito.
Facilita el depósito de materiales refractarios o de alta
temperatura de ebullición; imposible mediante evaporación.
Es posible añadir gases a la cámara para formar óxidos, nitruros
y carburos.
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Contacto:
Sebastian P.J.: sjp@ier.unam.mx
Nair K.: pkn@ier.unam.mx
Andrés A.: jaaln@ier.unam.mx
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¡Gracias por su atención!
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Referencias
Tracton A., Coatings Technology Handbook, CRC, 2006.
Wasa K., Kitabaakate M., Adachi H., Thin Film Material
Technology: Sputtering of Compund Materials, Springer, 2004.
Bunshah R., Handbook of Deposition Technologies for Film and
Coatings, Noyes Publications, 1994.