Implementación de un sistema de supervisión y control de ...

Implementacion de un sistema desupervision y control de una unidadde acople de impedancias entre unafuente RF y un plasma de descargapara un proceso de Sputtering RF

Camilo Andres Fuentes Gamboa 20082005070

Dilan Gabriel Serrato Pinzon 20111005022

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Facultad de Ingenierıa

Bogota, Colombia

2017

Implementacion de un sistema desupervision y control de una unidadde acople de impedancias entre unafuente RF y un plasma de descargapara un proceso de Sputtering RF

Camilo Andres Fuentes Gamboa

20082005070

Dilan Gabriel Serrato Pinzon

20111005022

Trabajo de grado presentado para optar al tıtulo de:

Ingeniero Electronico

Director:

Ing. Gutavo Adolfo Puerto Leguizamon Ph.D.

Lınea de Investigacion:

Radiacion Electromagnetica y Comunicaciones Opticas

Grupo de Investigacion:

Grupo de Radiacion Electromagnetica y Comunicaciones Opticas - GRECO (LIMER),


Co-Director:

MSc. Luis Camilo Jimenez Borrego

Lınea de Investigacion:

Estudio de Materiales

Grupo de Investigacion:

Grupo de pelıculas delgadas y nanofotonica, Pontificia Universidad Javeriana


Facultad de Ingenierıa

Bogota, Colombia

2017

Agradecimientos

Agradecemos principalmente a nuestros docentes tutores y guıas, el MSc. Luis Camilo Jime-

nez Borrego y el Ing. Gustavo Adolfo Puerto Leguizamon Ph.D que estuvieron brindando

apoyo, acompanamiento y seguimiento al trabajo estipulado en este documento.

En segunda instancia queremos agradecer al grupo de investigacion Grupo de pelıculas del-

gadas y nanofotonica de la Pontificia Universidad Javeriana y a todos sus integrantes, por

brindarnos el espacio, el acompanamiento, sugerencias y respuestas a nuestras inquietudes.

Agradecemos de forma especial a nuestros padres, familiares y amigos que estuvieron pre-

sentes a lo largo de la trayectoria de la carrera universitaria brindando apoyo en diferentes

formas.

Contenido

Agradecimientos

1. Introduccion 2

1.1. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.2. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4. Alcances y Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4.1. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4.2. Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Marco Teorico y Estado del Arte 7

2.1. Deposicion de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Proceso de deposicion de materiales por pulverizacion catodica . . . . . . . . 8

2.3. Concepto de Plasma y caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4. Sputtering DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5. Sputtering Magnetron (Balanceado, No Balanceado) . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6. Sputtering Reactivo y No-Reactivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7. Pulverizacion catodica RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.8. Radiofrecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.9. Transmision de energıa RF por un medio fısico - Cable coaxial . . . . . . . . 18

2.10. Redes de adaptacion de impedancias en sistemas RF . . . . . . . . . . . . . 24

2.10.1. Red de adaptacion de impedancias en tipo L . . . . . . . . . . . . . . 25

2.10.2. Redes de adaptacion de impedancias de tres elementos . . . . . . . . 26

2.10.3. Red de adaptacion de impedancias usando un STUB . . . . . . . . . 29

2.10.4. Red de adaptacion de impedancias usando dos STUBS . . . . . . . . 30

2.10.5. Red de adaptacion de impedancias usando un transformador de λ/4 . 31

2.11. Sintonizacion de impedancias en un sistema de Sputtering RF . . . . . . . . 33

2.12. Supervision de un proceso de Sputtering (Por medio de: LabView, VI, NI) . 33

3. Caracterizacion Sputtering RF 35

3.1. Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF . . . . 35

3.1.1. Generador RF VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Contenido 1

3.1.2. Sintonizador ATN-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.3. Red de acople electromagnetico tipo L . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2. Elementos adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.1. Cable coaxial RG-213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.2. Conector tipo DB15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4. Implementacion Sputtering RF 54

4.1. Consideraciones generales para la implementacion del sputtering RF . . . . . 54

4.1.1. Calibracion fısica del sistema de acople de impedancias . . . . . . . . 54

4.1.2. Presion interna dentro de la camara de vacıo . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1.3. Puesta a punto de tierra del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2. Elementos y dispositivos adicionales para la complementacion fısica del sistema 64

4.2.1. Adquisicion de cable coaxial RG214 DE 50 Ω conectores tipo HN-macho 65

4.2.2. Adquision y adecuacion de conectores tipo DB15 y DB25 . . . . . . . 65

4.2.3. Adquisicion de adaptadores y mangueras para el sistema de refrigera-

cion a base de aire comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5. Supervision y control del proceso Sputtering RF 69

5.1. Tarjeta de adquisicion de datos SC-2345 de NI . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2. Desarrollo en LabView 8.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2.1. Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2.2. Logica interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.2.3. Programacion del microcontrolador PSoC 5 para establecer la cantidad

de potencia enviada en el generador RF hacia la camara o carga. . . . 77

5.2.4. Metodo implementado para la accion de acople y maxima transferencia

de potencia entre el generador RF y la camara de vacıo . . . . . . . . 80

6. Resultados obtenidos 89

6.1. Prueba 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.2. Prueba 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.3. Analisis de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7. Impactos y aportes 99

8. Conclusiones 100

Lista de Figuras 102

Lista de Tablas 104

Bibliografıa 105

1 Introduccion

1.1. Planteamiento del problema

En uno de los proyectos de investigacion que adelanta el Grupo de Pelıculas Delgadas y

Nanofotonica, de la Pontificia Universidad Javeriana, se estan produciendo y caracterizando

capas delgadas de titanio modificado, dedicadas al endurecimiento de superficies de metal,

en especial de acero inoxidable y a sustratos para fotocatalisis. Para lo anterior se requiere

implementar una estacion de sputtering reactivo con alimentacion de potencia en RF.

Por tal razon, se tiene contemplado la implementacion, el montaje y puesta a punto de un

sistema de crecimiento de pelıculas de Nitruro de Titanio modificado con Aluminio, por

Sputtering reactivo RF. Para este caso de asistencia con RF, la estacion de vacıo debera

contar con los dispositivos que permitan el acople electromagnetico entre la fuente RF y

el plasma del Sputtering reactivo. Para esto se adquirio un generador RF (RF VII, inc.

RF6XIII ) de 600W a 13.56 MHz que, en conjunto con una red de auto sintonizacion (RF

VII, inc.ATN5/10/15) y un controlador (RF VII, inc.PTIICE), deben acoplarse a la actual

camara de Sputtering. La fuente RF (Radio Frecuencia) esta parametrizada a 13.56MHz,

estandar designado tanto para aplicaciones industriales como cientıficas. La alimentacion de

Sputtering por medio de la fuente RF requiere de una red de acople entre la misma y la

carga (plasma o camara de vacio), ya que esta ultima varia dinamicamente su impedancia

caracterıstica cuando se somete a inyeccion de energıa en RF, teorıcamente.

Este proyecto esta orientado primordialmente a la supervision y control del sistema Sput-

tering RF con el fin de permitir la formacion de las pelıculas de TixN1-x y Alz-TixNy. Lo

anterior se debe realizar utilizando una forma de comunicacion remota entre la herramienta

software LabView 5.0 con el generador de energıa RF y la red de acople electromagnetico,

disenando para ello una interfaz grafica en LabView que pueda manipular el usuario final.

De acuerdo a lo mencionado, ¿Cuales son las condiciones y especificaciones tecnicas de los

dispositivos a disposicion que permiten una aproximacion a la maxima transferencia de po-

tencia en el tiempo, entre una fuente RF y un plasma de una camara de sputtering RF?,

¿Cuales son los valores nominales de los elementos que permiten construir un sistema de

acople que proporcione el mejor acercamiento a la maxima transferencia de potencia entre

una fuente RF y un plasma de una camara de sputtering RF?, teniendo en cuenta las condi-

1.1 Planteamiento del problema 3

ciones y especificaciones tecnicas de los dispositivos a disposicion para el sputtering RF, ¿De

que forma se debe realizar la accion de control adecuada sobre los mismos, para garantizar

maxima transferencia de potencia en el tiempo, entre el generador RF y el plasma dentro

de la camara de sputtering RF?, ¿Como construir un esquema de interfaz de usuario en

LabView que permita, mediante el control remoto de los dispositivos, poner en marcha el

proceso de Sputtering RF y ademas, ejercer control y la supervision del mismo?, ¿Cuales

seran las condiciones de implementacion a tener en cuenta para poner en marcha y de una

forma, tanto optima como segura, el proceso de sputtering RF?.

4 1 Introduccion

1.2. Justificacion

El problema general es determinar cuales son las condiciones de produccion de pelıculas de

nitruro de Titanio (TixNy) que permiten, a traves de dopado con aluminio (Alz-TixNy),

variar controladamente sus propiedades mecanicas de superficie para aumentar la dureza

y la resistencia a la corrosion de la superficie probeta de acero inoxidable austenıtico. El

TixNy es un material metal ceramico extremadamente duro, aproximadamente 24.5 Giga-

pascales (Gpa) , que tiene excelentes propiedades de reflectividad infrarroja, reflexion en

un espectro similar al oro (Au), lo que le da un color amarillento. Esto permite tratamiento

de superficies de acero inoxidable para aumentar la dureza y la resistencia a la corrosion [1–4].

Para el desarrollo de este tratamiento se propone el metodo de sputtering RF. Por lo tanto,

se buscan cuales son las condiciones que se requieren con Sputtering RF para el crecimiento

de Tix-Ny, como el control del proceso de doping con aluminio. Posterior a la obtencion

de pelıculas de Alz-TixNy se requiere estudiar como varıan las propiedades mecanicas de

dureza y de elasticidad de los sustratos recubiertos, (para su posible utilizacion en ambientes

corrosivos de alta temperatura), cuando varıan las propiedades electroquımicas y microes-

tructurales bajo presencia de dopado de aluminio y viceversa. Ademas se pretende establecer

cuales son las condiciones de crecimiento por Sputtering Magnetron DC y RF reactivo que

permiten producir pelıculas de Alz-TixNy y cual es la correlacion entre los parametros de

crecimiento y las constantes mecanicas como propiedades anticorrosivas de las pelıculas obte-

nidas. Finalmente, se quiere encontrar la diferencia de la resistencia al desgaste entre brocas

de acero inoxidable recubiertas con TixNy con las recubiertas con Alz-TixNy.

Para los grupos Pelıculas Delgadas y Nanofotonica P.U.J. (GPD PUJ) y ZENTECH (Zen-

tech PUJ), hay objetivos de gran interes como son: (a) obtener recubrimientos que permitan

el mejoramiento de la dureza y la elasticidad de los materiales, (b) las pelıculas para re-

cubrimientos anticorrosivos, (c) el adecuado manejo y uso de los recursos en materiales de

aplicacion tecnologica en la instrumentacion, (d) la optimizacion de herramientas de aplica-

cion tecnologica para el adecuado uso de la energıa. [1–6].

El impacto tecnico y cientıfico de tratamientos superficiales mediante recubrimientos duros

se refleja en el continuo desarrollo de la produccion y la industria en este sector que, a traves

de las numerosas aplicaciones mecanicas y tribologicas de los recubrimientos en herramientas

y maquinas de corte, han mostrado el elevado grado de desarrollo. Por la estabilidad quımi-

ca, dureza y resistencia mecanica, los recubrimientos mas usados son los oxidos, carburos,

nitruros, boruros y compuestos de Silicio.

1.3 Objetivos 5

Con la elaboracion de pelıculas delgadas de TixN1-x como Alz-TixNy, se busca modificar las

propiedades tribologicas y de dureza de un material en forma superficial, las cuales por Sput-

tering DC y Sputtering magnetron RF, tienen mejor adherencia y un grado de menor tamano

en el sustrato, facilitando la caracterizacion estructural y morfologica del cubrimiento [7–17].

Ademas, este proyecto debera contribuir a nuestro proceso de formacion como Ingenieros

Electronicos obteniendo nuevos conocimientos y aplicarlos a una solucion a este problema,

y este a su vez complementara los requisitos para optar a una titulacion formal de pregrado.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo General

Implementar y caracterizar un sistema de acople de impedancias entre un generador RF

parametrizado a 13.56MHz y un plasma como carga, para un proceso de Sputtering RF. Ga-

rantizando la maxima transferencia de potencia en el tiempo entre el generador y el plasma.

1.3.2. Objetivos Especıficos

Establecer cuales son las condiciones y especificaciones tecnicas de los dispositivos a

disposicion que permiten una aproximacion a la maxima transferencia de potencia en

el tiempo, entre una fuente RF y un plasma de una camara de sputtering RF

Determinar cuales son los valores nominales de los elementos que permiten construir

un sistema de acople que proporcione el mejor acercamiento a la maxima transferencia

de potencia entre una fuente RF y un plasma de una camara de sputtering RF.

Establecer y describir la accion de control dinamica adecuada sobre los dispositivos que

permita garantizar maxima transferencia de potencia en el tiempo, entre el generador

RF y el plasma dentro de la camara de sputtering RF.

Elaborar un esquema de interfaz de usuario en LabView que permita, mediante el

control remoto de los dispositivos, poner en marcha el proceso de Sputtering RF y

ademas, ejercer control y la supervision del mismo.

Determinar cuales deben ser las condiciones de implementacion a tener en cuenta para

poner en marcha y de una forma tanto optima como segura, el proceso de sputtering

RF.

6 1 Introduccion

1.4. Alcances y Limitaciones

1.4.1. Alcances

Es esencia, se espera garantizar un acople electromagnetico entre el generador RF y

el plasma dentro de una camara de Sputtering RF y ası permitir una maxima transfe-

rencia de potencia en el tiempo desde el generador hacia el plasma.

Se esperan realizar una cantidad adecuada de pruebas de procesos de Sputtring RF en

funcion de la disponibilidad de tiempo, recursos y tasa de tiempo de formacicon de las

pelıculas con el fin de probar el optimo funcionamiento del sistema implementado.

Incentivar y permitir la investigacion de propiedades en materiales, en particular del

TixNy y del Alz-TixNy, utilizando como base la tecnica de elaboracion de pelıculas

con Sputtering RF.

1.4.2. Limitaciones

El tiempo que se describe en el cronograma de actividades es apenas una aproximacion

al que puede tomar la realizacion del trabajo.

Inconvenientes en el continuo desarrollo del trabajo debido a posibles fallas tecnicas en

los equipos o el tiempo que requiera la adquisicion de equipos o insumos adicionales

que sean parte vital del normal desarrollo del trabajo.

2 Marco Teorico y Estado del Arte

Esta seccion es una copilacion de la teorıa y el estado del arte que comprenden todas las

caracterısticas de desposicion o pulverizacion de materiales y en particular, el Sputering RF.

2.1. Deposicion de materiales

Los materiales poseen intrınsecamente propiedades caracterısticas; fısicas (densidad), termi-

cas (conductividad termica, expansion termica), electricas y magneticas (resistividad, per-

meabilidad magnetica), interaccion con el entorno (desgaste, oxidacion, corrosion), mecanicas

(dureza, lımite elastico, amortiguamiento de las vibraciones), entre otras [18].

Un proceso de deposicon de materiales consiste bien sea en un fenomeno fısico, quımico o

fısicoquımico [19] el cual tiene como fin alterar parcial o totalmente algunas de estas carac-

terısticas, especıficamente en materiales cuyos compuestos moleculares son solubles.

Dicho proceso, consiste en la preparacion de capas finas del material depositadas sobre un

sustrato u otras capas depositadas previamente. Estas capas pueden poseer propiedades con-

troladas, en relacion a sus caracterısticas propias y/o a los procesos mismos de deposicion.

Algunos de estos son: Inmersion en caliente, soldadura de esmaltes y ceramicas, deposicion

en fase vapor, implantacion ionica, pulverizacion catodica, entre otros [20].

En esencia, en la aplicacion de estos procesos de deposicion, las propiedades caracterısticas

referidas a “unidades de volumen” cambian en cuanto la relacion superficie/volumen del ma-

terial aumenta considerablemente, es decir, se prepara una lamina o pelıcula delgada. Estos

cambios pueden deberse tanto a la naturaleza del enlace del material, como a la microes-

tructura y morfologıa de las capas delgadas, derivadas del proceso de construccion [20].

Una de las finalidades de este proyecto se basa en el estudio y puesta en marcha de una de

las modalidades de deposicion de materiales por pulverizacion catodica, razon por la cual,

profundizaremos mas a fondo en las caracterısticas de este proceso.

8 2 Marco Teorico y Estado del Arte

2.2. Proceso de deposicion de materiales por

pulverizacion catodica

La deposicion de materiales por pulverizacion catodica (Sputtering) es un proceso fısico asis-

tido por un gas inerte y energıa electrica . Esta deposicion, como se ha mencionado, tiene

como fin la preparacion de laminas delgadas (pelıculas, capas finas, o sinonimos) de un ma-

terial en especıfico, mediante la aplicacion de un campo electrico al gas inerte en donde,

este ultimo, debe estar contenido en una camara de vacıo, junto con el material del cual se

desea preparar dicha lamina y un sustrato en donde esta quedara reposada. Dicho campo

electrico al ser aplicado al gas inerte hace que las partıculas de este ultimo adquieran energıa

transformandose en iones cargados positiva o negativamente, segun el tipo de energıa apli-

cada,dando lugar al plasma [19–21].

Dichos iones en consecuencia, se aceleran contra el material a pulverizar como pequenos pro-

yectiles (por el efecto de cargas contrarias), provocando una colision entre ellos y la superficie

del material. Colision que, en consecuencia , genera que se desprendan atomos del material

(por medio del intercambio de momento cinetico) y estos ultimos se situen sobre el sustrato,

obteniendo ası laminas delgadas del respectivo material [19–22].

Se puede describir este proceso como una camara que contiene un par de electrodos, catodo

y anodo, sobre los cuales estan soportados el material a pulverizar y el sustrato, respecti-

vamente. En el interior de la camara, por medio de un sistema de bombeo, se garantiza un

vacıo con un respectivo valor de presion y en secuencia, por otro sistema de bombeo, se

introduce el gas a ionizar. Adicionalmente se aplica un potencial electrico en los electrodos

(catodoterminal negativo; anodoterminal positivo), el cual sera indispensable para que se

produzca el fenomeno de colision de los atomos del plasma generado y el material [19,20,23].

El proceso mencionado parece no tener complejidad de entendimiento, no obstante, cabe

mencionar ciertas aclaraciones que ayudan a comprenderlo de mejor manera.

- ¿Por que los iones del plasma se aceleran contra el material a pulverizar?

Los iones cargados positivamente, debido a la accion del campo electrico, se aceleran hacia

el material ya que este se encuentra en el anodo de la camara de vacıo, el cual se encuentra

asociado a un terminal de potencial negativo [20].

2.2 Proceso de deposicion de materiales por pulverizacion catodica 9

- ¿Que tipo de estructura tiene la lamina resultante, y de que parametros de-

pende?

La lamina resultante tiene una estructura columnar, y su morfologıa depende de la relacion

entre la temperatura del sustrato (T) y la temperatura de fusion del material (Tf), y en

menor medida de la presion del gas.

Figura 2-1: Morfologıas de lamina resultante. [24].

En la Figura 2-1 se muestran las diferentes morfologıas obtenidas, divididas en zonas co-

rrespondientes a las diferentes relaciones de temperatura, zona I (0<T/Tf<0,1) estructura

porosa, zona T (0,1<T/Tf<0,3) zona de transicion , zona II (0,3<T/Tf<0,5) estructura co-

lumnar, zona III (0,5<T/Tf<1) recristalizacion de los granos [19, 24].

- ¿El material a procesar sufre calentamiento en el proceso?

El material se calienta considerablemente a causa del bombardeo ionico, el cual, genera un

estado de vibracion de los atomos que se encuentran en las proximidades de la superficie del

material [20]. Por lo tanto se debe contar con un sistema de refrigeracion del mismo el cual

permita un rango adecuado en la temperatura para obtener el tipo de pelıcula deseada [19].


- ¿Que caracterısticas pueden o deben tener los sustratos aplicados a este proce-

so?

Los sustratos deben poseer la capacidad de conservar sus propiedades fısicas al ser sometidos

al vacıo y al aumentar su temperatura hasta 60C, pueden ser conductores o dielectricos.

Aunque generalmente los sustratos de destino de las capas son solidos, en ocasiones particu-

lares los polvos y lıquidos se utilizan [19,25].

- ¿Por que se desprenden atomos de la superficie del material ante la coli-

sion?,¿Que direccion toman dichos atomos?

Los iones positivamente cargados del plasma se aceleran hacia el catodo, bombardeando ası

la superficie del material. Cuando la energıa de los iones incidentes es suficiente para superar

la energıa local de enlace, la interaccion con la superficie del material hace que los atomos

de este sean arrancados para pasar a fase de vapor a traves del intercambio del momento

cinetico [20].

Figura 2-2: Proceso de colision de partıculas. [24].

La Figura 2-2 ilustra el proceso de colision entre los iones del plasma y los atomos del ma-

terial: a) Colision ideal de tipo elastico entre dos partıculas independientes, b) Esquema de

los sucesos que pueden ocurrir en el proceso real de sputtering inelastico [20, 22].

2.2 Proceso de deposicion de materiales por pulverizacion catodica 11

Suponiendo que la masa del ion es mayor que la masa de las partıculas del material, en un

proceso de colision ideal de tipo elastica, el ion incidente reducira su velocidad despues del

choque, la cual estara determinada por la diferencia entre la masa del ion y la partıcula del

material. Esta ultima, inicialmente en reposo sufre un empuje proporcional a la masa del

ion [20, 22].

En el caso real este empuje produce una secuencia de colisiones multiples entre los atomos

del material, el proceso de la eyeccion de los atomos se puede deber a dos fenomenos, una

interaccion directa de baja energıa, en la que la partıcula incidente golpea dos atomos o lo

hace con determinada inclinacion, ejerciendo ası un efecto tipo “pala” o bien una interaccion

de mayor energıa en la que una colision en cascada en el interior del material, generan la

salida de atomos como consecuencia de un efecto de reflexion de un atomo del interior. El

intercambio de momentos es maximo cuando ambas partıculas tienen la misma masa, es por

esto que es necesario usar un gas con masa elevada como el argon y que este dentro de un

rango de masa atomica mayor a un gran numero de materiales [20, 22].

- ¿Que caracterısticas y/o condiciones debe tener la camara de vacıo?

Los sistemas de vacıo, para construir laminas delgadas, se encuentran en la region de ultra

alto vacıo para sistemas experimentales y alto vacıo para sistemas industriales. Esto para

poder lograr un recorrido libre medio mayor al de las dimensiones de la camara de vacıo,

permitiendo que el desplazamiento de los atomos del material sea mas direccional [24].

La clasificacion de los sistemas de vacıo depende de la presion alcanzada, del recorrido libre

medio y la concentracion molecular, como lo muestra la Figura 2-3.

Figura 2-3: Clasificacion de lo sistemas de vacıo. [24].


Un sistema de vacıo para la construccion de laminas delgadas esta compuesto primordial-

mente por tres partes generales:

Camara donde se lleva a cabo la preparacion de la lamina.

Equipo de bombeo que produce el vacıo en la camara.

Lınea de entrada de gas o de liberacion de la camara de vacıo.

EL sistema de vacıo debe mantener la presion requerida y al mismo tiempo bombear el gas

requerido para el proceso de sputtering y los gases producidos en la camara [20].

- ¿Que limitaciones y ventajas posee la deposicion por pulverizacion catodica con

respecto a otros procesos?

Entre las ventajas que posee la deposicion por pulverizacion catodica , caben destacar [20,25]:

Camara donde se lleva a cabo la preparacion de la laminaDeposicion realizada a baja

temperatura , ya que no es necesario calentar el material.

Posibilidad de evaporar amplia variedad de materiales con diferente naturaleza (metales

conductores, aislantes de tipo ceramico, semiconductores, etc) y de alto punto de fusion.

Lınea de entrada de gas o de liberacion de la camara de vacıo.Permite la deposicion de

mezclas y aleaciones manteniendo la composicion del blanco.

Se logra buena adherencia de la pelıcula ya depositada, debido a que la energıa de los

atomos pulverizados al llegar al sustrato es de varias unidades de eV.

La velocidad de erosion del blanco, y por ende la velocidad de formacion de la pelıcula,

se puede controlar a traves de la potencia aplicada.

Los problemas de direccionalidad de los atomos desprendidos y de homogeneidad en

el sustrato son menores que en el proceso de evaporacion termica.

Algunas de las limitaciones, o desventajas mas relevantes del proceso de pulverizacion catodi-

ca, serıan las siguientes [20, 25]:

Existe la posibilidad de que el gas inerte contamine la lamina depositada en el sustrato,

al quedar parte de este atrapado en el interior de la lamina durante el proceso de

deposicion.

Es necesario implementar un sistema de refrigeracion para controlar la temperatura

del blanco y evitar que esta se incremente demasiado.

2.3 Concepto de Plasma y caracterısticas 13

El capital invertido en un equipo de sputtering es mas alto que la mayorıa de los otros

procesos de revestimiento

Algunos materiales son incompatibles con este proceso, debido a que al ser sometidos al

vacıo parcial y al aumento de la temperatura, son incapaces de soportar el bombardeo

de iones

2.3. Concepto de Plasma y caracterısticas

El plasma es un estado fundamental, de algunos materiales gaseosos, el cual es esencial para

llevar a cabo una deposicion por pulverizacion catodica. Este estado corresponde a un gas

cuyos atomos estan ıonizados, lo que le da propiedades de fluido y de conduccion como la de

los metales [26]. No obstante, para llevar a cabo el proceso en mencion (Sputtering), este gas

debe cumplir algunas de las siguientes caracterısticas particulares, como lo son: Ser inerte

y/o luminiscente y tener masa elevada (esto con fin de aumentar el momento cinetico de los

atomos del plasma a los del material) [19, 20].

Por las caracterısticas mencionadas, y ademas debido a los costos, el gas comunmente utiliza-

do para el proceso de deposicion por pulverizacion catodica es el argon (Cuya masa atomica

es 40g/mol) [20].

2.4. Sputtering DC

La pulverizacion catodica DC, refiere a un proceso de deposicion de materiales, donde el cam-

po electrico aplicado al plasma es generado por medio de una fuente tipo DC la cual induce

un potencial (del orden de los kV ) en los electrodos [25]. Los sucesos fısicos, consecuentes

a este campo aplicado, no difieren en la descripcion general de deposicion por pulverizacion

catodica.

Este proceso suele ser citado como “diodo DC” por algunas referencias, y se ha compro-

bado numerosas veces, de manera experimental, que este permite depositar cualquier tipo

de material conductor (metales y/o sus aleaciones) y algunos ligeramente conductores o se-

miconductores (Como: Carbono, germanio, silicio, carburo de silicio). Sin embargo, no es

posible la pulverizacion de materiales dielectricos, esto debido a, que la densidad del plasma

no alcanza a ser la suficiente para lograr una energıa en los iones incidentes, tal que esta,

supere la energıa local de enlace de los atomos del material [19, 27].


Ocasionalmente se ha estudiado el proceso de Pulverizacion reactiva pulsada DC, es decir

energıa DC aplicada por instantes de tiempo, similar a un tren de pulsos. Este ultimo con-

tribuye a generar una densidad mas alta en el plasma, aunque, en terminos matematicos

y cumpliendo (unas denominadas) condiciones de estado estacionario, se puede considerar

como un proceso tipo DC, sin embargo, este proceso aun no es suficiente para pulverizar

materiales dielectricos [28].

2.5. Sputtering Magnetron (Balanceado, No Balanceado)

Debido a la necesidad de la aplicacion de altas tensiones en el Sputtering DC (o diodo DC),

las cuales generan defectos y otros danos en las pelıculas delgadas a depositar, se refleja la

utilidad de agregar al proceso un campo magnetico, lo que da como resultado un proceso de

Sputtering Magnetron.

Dicho campo altera la trayectoria de las partıculas del plasma en direccion de las lıneas de

campo magnetico, lo que repercute en un aumento en la eficacia de ionizacion, una mayor

corriente en el plasma y velocidades de deposicion mas altas lo que a su vez repercute en

obtencion de espesores (del orden de micras) en tiempos de proceso razonables [20].

No obstante, la pulverizacion con magnetron anade mas ventajas tales como:

Reduccion del potencial aplicado al plasma, en un factor de 600V a 800V , para que la

o del plasma sea igual al pasar de Sputtering DC a Magnetron Sputtering DC [20].

Posibilidad de trabajar a presiones mas bajas (Orden de losmTorr, presion que permite

a los atomos pulverizados tener una trayectoria mas direccional y que lleguen con mas

energıa a la superficie del sustrato) [20].

Posibilidad de confinar el plasma en una region cercana al catodo (Lo que reduce

efectos de radiacion del plasma) [20].

Al anterior proceso se le denomina sputtering magnetron balanceado.

Ahora bien, debido a la necesidad de construir placas mas densas y bien estructuradas, es

necesario incrementar la energıa de llegada de los atomos del material al sustrato, no siendo

solo este parametro el importante para garantizar la densidad y estructura adecuadas, sino

tambien la intensidad de los iones proximos a el. Esta ultima (intensidad de los iones) esta

determinada por la corriente de los iones que chocan con el material y, lo que se busca, es

que la relacion de intensidad de corriente y el numero de atomos por unidad de tiempo, sea

alrededor de uno.

2.5 Sputtering Magnetron (Balanceado, No Balanceado) 15

En referencia al Sputtering magnetron balanceado, basta con aplicar un pequeno potencial

negativo (bias) a los sustratos, lo que genera que una fraccion de los iones positivos sea

desviada hacia ellos produciendo un aumento de la corriente ionica [20].

Un proceso Sputtering magnetron no Balanceado logra producir pelıculas densas y de es-

tructuras mas adecuadas, esto debido a que genera mas intensidad de iones de choque y

estos tienen una energıa menor a 100eV . Este proceso se basa en la descomposicion de los

polos del campo magnetico aplicado, haciendo que la intensidad del campo sea mayor en el

polo norte que en el polo sur, de esta forma una fraccion de los electrones del plasma es for-

zada a seguir las lıneas de campo describiendo trayectorias helicoidales y produciendo en su

recorrido las respectivas ionizaciones. En este proceso el plasma tiene libertad de extenderse

por la camara pero, con una baja intensidad en la zona de los sustratos [20].

Figura 2-4: Esquema de las diferentes configuraciones de Magnetron Sputtering. [20].

En la Figura 2-4 se pueden visualizar los esquemas magnetron Sputtering balanceado y

no balanceado y ademas, un tercer esquema que representa una configuracion denominada

magnetron Sputtering no balanceado DC, la cual corresponde a una combinacion de un

sistema Sputtering DC con un Magnetron Sputtering no balanceado. Dicha combinacion

permite que la relacion de intensidad de corriente y el numero de atomos por unidad de

tiempo sea mayor a la unidad y en consecuencia, se pueden producir pelıculas con mayor

densidad y mejores estructuras.


2.6. Sputtering Reactivo y No-Reactivo

Existen dos clasificaciones de los procesos de sputtering, dependiendo de los gases con los que

se realizan. La primera es el Sputtering no-reactivo, en el cual el gas de trabajo no reacciona

quımicamente con el material a pulverizar es decir, el gas es de tipo inerte y la segunda es

el Sputtering Reactivo que se realiza en presencia ya sea de un gas no inerte o una mezcla

entre dichos gases. En lo que difiere esta clasificacion es que, los reactivos pueden definir

el tipo de estequiometrıa y cristalografıa de la pelıcula y, en consecuencia, las propiedades

meconicas, opticas y magneticas, entre otras [24].

2.7. Pulverizacion catodica RF

Una de las principales complicaciones de los metodos anteriormente descritos, yace en la

dificultad de pulverizar materiales aislantes (o dielectricos), lo cual es debido, entre algunos

otros factores, a la acumulacion de carga positiva en el catodo.

Dicho fenomeno puede ser solucionado aplicando tension alterna al Sputtering, de esta ma-

nera al existir cambio en la polaridad en los electrodos, se dispersan los iones del plasma

que se situan cerca al material a pulverizar, es decir, cuando la polarizacion del material

es negativa, este ultimo atrae los iones positivos del plasma que lo pulverizan y lo cargan

positivamente, luego, cuando la polarizacion es positiva, el material atrae los electrones que

lo descargan, de esta forma no se presenta acumulacion ni de electrones ni de iones [19,20,29].

Por tal razon, surge el Sputtering RF, en el cual el campo electrico aplicado al plasma pro-

viene de una fuente de energıa alterna tipo RF, en donde, al existir un cambio de polaridad

de la tension aplicada a los electrodos, se generan cambios de direccion tanto de los iones

como de los electrones del plasma, por tanto, no se produce acumulacion de carga [20] y en

consecuencia se pueden realizar una amplia gama de deposiciones de pelıculas de distintos

materiales, principalmente los dielectricos y aislantes [30].

No obstante, cabe resaltar que, ademas de la utilizacion de tension alterna, es necesario que

sea de Radiofrecuencia. Esto es, porque al aplicar una tension alterna de baja frecuencia la

movilidad de los iones es considerable y, por esta razon, al realizar el cambio de polaridad

en los electrodos, se produce pulverizacion tanto del sustrato como del material. Al realizar

el sputtering con alta frecuencia, debido a la elevada masa de los iones, estos ultimos per-

manecen lo suficientemente inmoviles, evitando ası la pulverizacion simultanea del sustrato

y el material, no obstante, aun ası se produce pulverizacion del material [19].

2.8 Radiofrecuencia 17

Ahora bien, este proceso debe realizarse con frecuencia fija de 13.56MHz. La explicacion a

esto es simple, sin dejar de ser importante. Y es, debido a la asignacion de la UIT (union in-

ternacional de telecomunicaciones) de esta frecuencia para irradiar cierta cantidad de energıa

sin intervenir con las comunicaciones, no obstante en el sputtering se generan muchos armoni-

cos de esta frecuencia y algunos,como el sexto, septimo y el octavo, podrıan intervenir en

bandas como radiodifusion y comunicacion de aviones [25].

Existen beneficios e inconvenientes al utilizar este proceso. Por un lado, se obtiene un gran

beneficio en la magnitud de la tension de ionizacion del plasma, por ejemplo: A un nivel de

presion dada, en un proceso Sputtering DC, facilmente se puede llegar a necesitar 1000V ,

mientras que en un proceso de Sputtering RF solo bastarıa con aplicar 100V, lo mismo su-

cede con la presion, es decir, a una tension dada, el nivel de presion mınima en Sputtering

DC es mas alto que el que se necesitarıa en Sputtering RF [19].

No obstante el gran beneficio notable es la posibilidad de realizar pulverizaciones de casi todo

tipo de materiales, sean conductores, aislantes, dielectricos, etc. y su configuracion mecanica

es muy similar a la de Sputtering DC.

Sin embargo, existen diversos inconvenientes de los que este proceso no esta exento, como:

Complejidad de operacion de corrientes alternas elevadas y de alta frecuencia, elevado costo

de la fuente de energıa RF y el mas relevante e importante inconveniente, del cual se centra

este trabajo, es la necesidad de implementacion de un sistema de acople que garantice maxima

transferencia de potencia de la fuente hacia el plasma en todo instante de tiempo, esto debido

a la dinamica variacion de impedancia que presenta el plasma ante una excitacion de tipo

alterna y de alta frecuencia [19, 20, 31].

2.8. Radiofrecuencia

Se considera Radiofrecuencia (RF) a una porcion del Espectro Electromagnetico, el cual has-

ta la fecha, ha sido observado y estudiado desde 0Hz hasta 1024Hz, ubicada en los rangos de

menor energıa y mayor longitud de onda. Y, por normalizacion de la UIT, la Radiofrecuencia

es una banda comprendida entre 30KHz y 300GHz, por tanto si una senal, en este rango

de frecuencias, se propaga de un transmisor a un receptor se considera transmitida en RF [32].

La radiofrecuencia se subdivide en mas rangos, tambien normalizados por la UIT, y a cada

uno de ellos le es asignada una aplicacion especıfica (Como: Radio, television, comunicaciones

aereas, comunicaciones marıtimas, entre otras). Estos rangos y sus aplicaciones se muestran

en la Figura 2-5.


Figura 2-5: Sub-rangos y aplicaciones de la radiofrecuencia. [33].

Como se menciono anteriormente la frecuencia de trabajo del Sputtering RF es 13,56MHz

situada en aplicaciones de radiodifusion de onda corta y comunicaciones, sin embargo en este

trabajo se utiliza para transmision de potencia a alta frecuencia por un medio fısico [25].

2.9. Transmision de energıa RF por un medio fısico -

Cable coaxial

Figura 2-6: Elementos fundamentales de un sistema de comunicacion. [34].

Existen gran variedad de transmisores alambricos, los cuales, segun sus caracterısticas, de-

terminan que tipo de informacion se puede transmitir y recibir, en que frecuencia, cuanta,

con que rapidez y fiabilidad, a que distancia, con que tanta cobertura, con que grado de

inmunidad a interrupciones, etc. Estos son: Lınea bifilar de cobre, cable coaxial, fibra optica,

guıa de onda rectangular, entre otros [34].

2.9 Transmision de energıa RF por un medio fısico - Cable coaxial 19

Cada tipo de transmisor mencionado posee sus ventajas y desventajas, no obstante, en este

apartado se va a tratar el transmisor cable coaxial, ya que, es este el utilizado en un proceso

de sputtering.

Hay varias razones por las cuales se hace uso de un cable coaxial para dicho proceso, dentro

de las cuales destacan: Su flexibilidad, se evita que la senal RF sea radiada a la atmosfera

o que esta sea afectada por senales externas y no presenta perdidas de potencia (debido a

la confinacion de las ondas electromagneticas que rebotan en la estructura del cable) [35].

Siendo la ultima razon la mas importante en un proceso de Sputtering ya que, se busca

entregar toda la potencia de la fuente a el plasma.

El cable coaxial es descrito como una lınea de transmision por algunos autores y, al poder

transmitir informacion, sus caracterısticas, sus bondades y aplicaciones pueden analizarse

matematicamente por las ecuaciones diferenciales de Maxwell.

El coaxial esta compuesto por 4 materiales: Conductor central, Dielectrico, Pantalla y recu-

brimiento, como se muestra en la Figura 2-7.

Figura 2-7: Composicion de un cable coaxial. [35].

Por el conductor central fluye la senal RF, el material dielectrico evita cualquier tipo de

conexion entre el conductor central y la pantalla, esta ultima evita que la senal RF se irra-

die a la atmosfera y que posibles senales externas interfieran con la RF. El recubrimiento

es la proteccion del cable, generalmente hecho de material PVC [35]. Cada componente es

esencial para lograr un modo de transmision TEM, es decir, donde tanto el campo electrico

como el campo magnetico de la senal son transversales o perpendiculares a la direccion de

propagacion [34].


Figura 2-8: Vista frontal de un cable coaxial. [34].

Figura 2-9: Flujo de lıneas de campo electrico E y campo magnetico H en un cable coaxial.

Tomada de [34].

Ahora bien, como toda lınea de transmision, el cable coaxial posee caracterısticas propias

(resistividad R, inductancia L, capacitancia C y conductancia σ) que pueden ser modeladas

bien sea resolviendo las ecuaciones de Maxwell, usando teora general de circuitos o con la

de electromagnetica basica [34, 35].

Segun la teorıa electromagnetica, dichos cuatro parametros se pueden calcular conociendo

las dimensiones del cable y la frecuencia de trabajo, donde se define la inductancia L como

el flujo concatenado ψ producido por unidad de corriente, la capacitancia C como el cociente

entre la carga Q por unidad de potencial, la resistencia R depende de la resistividad (inverso

de la conductancia) del material del cable, de su geometrıa y de la distribucion de corriente

(que es funcion de la frecuencia y la profundidad de penetracion ς) y en cuanto a la con-

ductividad σ esta dada en funcion de la frecuencia de operacion y de las propiedades del

material aislante, ya que este posee una conductividad que crece en funcion de la frecuencia

de la corriente alterna.

Dicha corriente alterna establece cuan aislante o conductor es un material, si la conductivi-

dad es cero se dice que es un aislante ideal y si es un valor infinito se dice que es un conductor

ideal [34, 36].


En las tablas 2-1 y 2-2 se muestran valores de conductancias para algunos principales

conductores, dadas en unidades S/m (siemens/metro) y algunos valores de constantes de

permitividad relativa en algunos principales dielectricos respectivamente.

Dielectrico Constante dielectrica o permitividad relativa ε

Aire 1,0005

Alcohol Etılico 25

Oxido de aluminio 8,8

Vaquelita 4,74

Vidrio 4− 7

Hielo 4,2

Mica 5,4

Nylon 3,5

Papel 3

Polietileno 2,26

Prolipropileno 2,25

Poliestireno 2,56

Porcelana 6

Cuarzo 3,8

Nieve 3,3

Teflon 2,1

Madera seca 1,5− 4

Tabla 2-1: Constante de permitividad relativa de algunos materiales dielectricos. [36].

Conductor Conductividad σc(S/m)

Grafeno 9,6x107

Plata 6,17x107

Cobre 5,8x107

Oro 4,1x107

Aluminio 3,82x107

Tungsteno 1,82x107

Zinc 1,67x107

Laton 1,5x107

Nıquel 1,45x107

Fierro 1,03x107

Tabla 2-2: Conductividad de algunos materiales [36].


Las expresiones, deducidas en la teorıa electromagnetica, para los valores de R,L,C y σ, por

unidad de longitud (metro), se pueden aproximar ası:

Bajas frecuencias [34]:

L =µ

2π[log

b

a+

1

4+

1

4(c2 − b2)(b2 − 3c2 +

4c4

c2 − b2log

c

b)] (2-1)

R =1

σcπ(1

a2+

1

c2 − b2); C =

2πε

log ba

; G =2πσd

log ba

(2-2)

Altas frecuencias [34]:

L =µ

2πlog

b

a; R =

1

2πςσc(1

a+

1

b); C =

2πε

log ba

; G =2πσd

log ba

(2-3)

Donde:

a es el radio del hilo conductor central del cable, vease Figura 2-8.

b es el radio desde el punto centro del cable hasta el borde del material dielectrico,

vease Figura 2-8.

c es el radio del cable, vease Figura 2-8.

σc es la conductividad del conductor central.

σd es la conductividad del material dielectrico.

µ es la permeabilidad del medio, donde µ = µrµo y, a menos que se especifique otra

cosa, µr = 1 de modo que µ = µo = 4π10−7H/m.

ε es la constante dielectrica o permitividad relativa (se pueden observar valores comunes

para dielectricos en la tabla 2-1).

ς es la profundidad de penetracion dada por la relacion ς =√

2/ωµσ.


Para la frecuencia de trabajo del sputtering RF se consideran las ecuaciones de alta fre-

cuencia. El proceso paso a paso de la obtencion de cada expresion puede revisarse con

detenimiento en el libro de referencia [34] capıtulo 2.

Ası, el cable coaxial puede representarse como se muestra en la Figura 2-10, como una

sucesion de n esimas unidades de longitud, lo cual depende de lo largo que sea el cable.

Figura 2-10: Circuito equivalente para analizar una lınea de transmision con parametros

distribuidos. [34].

Considerando una pequena porcion del circuito equivalente de la lınea, se puede desarrollar

un proceso matematico (vease en el libro de referencia [35]) con fin de obtener la expresion

de la constante de propagacion, la atenuacion, la rapidez del cambio de fase de la onda que

se propaga por el cable, la impedancia caracterıstica del mismo, el coeficiente de reflexion, el

Voltage Standing-Wave Ratio VSWR (O en espanol Relacion de Onda Estacionaria ROE )

y la eficiencia η de la lınea en funcion del mismo.

Se obtiene la expresion para la constante de propagacion ası γ =√

(R + jωL)(G+ jωC)

(Donde ω = 2πf y f = 13,56MHz para Sputtering RF), la cual se puede entender como la

raız del producto entre la componente serie de la lınea por la componente paralelo, por lo

que se puede escribir de la forma: γ =√ZY .

Ademas, dicha constante es un numero complejo de la forma γ = α + jβ, donde la par-

te real α = R/2Zo (Unidades: nepers/metro) indica la atenuacion a lo largo de la lınea y

la parte imaginaria β = ω√LC (Unidades: radianes/metro) la rapidez del cambio de fase

de la onda conforme se propaga. No obstante es mas comun especificar la atenuacion en

unidades de decibeles por metro, cuya conversion es 8,686dB = 1neper. Por otra parte, la

impedancia caracterıstica del coaxial se expresa como Zo =√

(R + jωL)/(G+ jωC), dada

en unidades de ohmios (Ω), la cual es comunmente proporcionada por el fabricante del cable.


Se expresa el coeficiente de reflexion en cualquier parte de lınea ası ρv(z) = ρ(0) exp2γZ

donde Z corresponde a la seccion de la lınea en donde se requiera calcular el coeficiente,

estableciendo que Z = 0 cuando se requiere el coeficiente en la localizacion de la carga y

Z = −l cuando se requiere el coeficiente en la localizacion del generador, siendo l la longitud

de la lınea y ρ(0) es el coeficiente de reflexion de la lınea cuando Z = 0, en otras palabras

ρ(0) corresponde al coeficiente en el caso de una lınea de transmision ideal, el cual se expresa

ρ(0) = (ZL− Zo)/(ZL+ Zo) , lo que es un numero complejo de la forma ρ(0) = |ρL| expjθ.

En definitiva el coeficiente de reflexion en una lınea real queda en funcion de la impedancia

caracterıstica de la lınea, impedancia de la carga y distancia entre el generador y el punto

donde se requiere conocerlo.

Ahora bien, el V SWR se expresa ası V SWR = 1+|ργ |

1−|ργ |, para el caso de una lınea de trans-

mision ideal, en cambio, para una no ideal, es decir considerando su atenuacion al flujo de

senal, el V SWR queda expresado V SWR = (1+ |ρL| exp2αZ)/(1−|ρL| exp2αZ). La eficiencia

de la lınea expresada en funcion del ultimo es η = 1− (V SWR−1V SWR+1

)2.

Ası, con cada una de las relaciones mostradas se puede realizar un estudio teorico-experimental

para la caracterizacion, en particular, de los cables coaxiales.

2.10. Redes de adaptacion de impedancias en sistemas

RF

Los acoples de impedancia son necesarios en el diseno de circuitos RF para poder propor-

cionar la maxima transferencia de potencia entre la fuente y la carga, puede disminuir la

relacion senal a ruido, reduce errores de amplitud y fase posibilitando ası, ser mas eficientes

en el proceso que se debe realizar, ya sea llevar alta potencia hacia una carga o en el caso

mas comun, llevar pequenas senales hacia un receptor [37, 38].

El teorema de Thevenin para maxima transferencia de potencia en DC establece que, se

transfiere maxima potencia entre una fuente DC y su carga si estas tienen la misma resis-

tencia, ası mismo este teorema afirma que al tratarse con AC o con formas de onda variables

en el tiempo, la maxima transferencia de potencia se logra si la impedancia de la fuente

(Zg) , es igual a la impedancia compleja conjugada de la carga (ZL), es decir si estas tienen

resistencia igual o parte real igual y reactancias opuestas [33, 38].

2.10 Redes de adaptacion de impedancias en sistemas RF 25

2.10.1. Red de adaptacion de impedancias en tipo L

Probablemente la red mas simple y extensamente usada en multiples aplicaciones sea la red

de acople tipo L, este diseno recibe su nombre por la forma en la que se distribuyen los

componentes del acople.

La funcion del componente en paralelo es reducir una impedancia alta en una muy pequena

con parte real igual al valor al que se desea realizar el acople, el componente en serie cancela

cualquier elemento reactivo presente, mostrando ası a la fuente una impedancia de carga real

aparentemente igual, para ası lograr la maxima transferencia de potencia [39].

El diseno de este acople se muestra en la Figura 2-11, y se disena con base en las siguientes

expresiones matematicas:

QS = QP =

√

RP

RS

− 1; QS =XS

RS

; QP =RP

XP

(2-4)

Figura 2-11: Esquema del diseno de una red de acople tipo L. [38].

Donde:

QS es el Q del componente serie del acople.

QP es el Q del componente paralelo del acople.

RS es la resistencia en serie.


RP es la resistencia en paralelo.

XS es la reactancia en serie.

XP es la reactancia en paralelo.

La configuracion paralelo-serie o serie-paralelo del acople, depende del valor real de las im-

pedancias de la fuente y de la carga, colocando la porcion en paralelo del acople hacia la que

presente mayor valor.

2.10.2. Redes de adaptacion de impedancias de tres elementos

El factor de calidad Q llega a ser de gran importancia en la implementacion de muchos

circuitos y como se puede apreciar en el diseno del acople tipo L, el Q de este circuito se

ve determinado por los valores de RS y RP , valores que en muchos casos no pueden ser

cambiados, entonces, en el caso en el que se necesite un Q especıfico, como el caso de una

aplicacion en la que se requiera un ancho de banda determinado, puede que realizar un aco-

ple tipo L no sea lo mas adecuado ya que este determinara un ancho de banda arbitrario [33].

Es por esto que se recurre a construir acoples de 3 elementos, con los que se puede seleccionar

casi cualquier valor de Q, no menor al Q obtenido al construir un acople tipo L en con las

mismas condiciones.

2.10.2.1. Red de adaptacion de impedancias en tipo Pi

Figura 2-12: Red de acople de impedancias tipo pi. [38].


La red de acople de 3 elementos tipo Pi, recibe su nombre de la configuracion en la que se

disponen los elementos, ya que es similar a la forma de la letra griega. Este acople se puede

describir como dos redes tipo L, ambas configuradas para adaptarse a una resistencia virtual

situado entre la union de las dos redes como se indica en la Figura 2-13, el signo menos

(-) de XS1 y XS2 se usa para indicar que los valores de estas reactancias son opuestos a los

de XP1 y XP2 respectivamente, de tal forma que si XS es un condensador XP debe ser un

inductor y viceversa [39].

Figura 2-13: Acople tipo Pi visto como dos acoples tipo L. [38].

El diseno de cada seccion del acople tipo red Pi se realiza de forma igual a como se realiza

el acople tipo L, El valor la resistencia virtual puede ser cualquiera pero debe ser menor que

RS y RL, pero conviene que este valor sea determinado por el que se desea obtener, ası:

Q =

√

RH

R− 1 (2-5)

donde R es la resistencia virtual y RH es la resistencia de mayor valor entre RS y RL [38].


2.10.2.2. Red de adaptacion de impedancias en tipo T

Figura 2-14: Red de acople de impedancias tipo T. [38].

Esta red de adaptacion dispone los elementos del acople en forma de T, de forma similar

al acople tipo Pi, esta red tambien esta compuesta de dos redes tipo L, pero esta vez la

impedancia tanto de la fuente como de la carga se acoplaron a una resistencia virtual mayor

a Rg y a RL, y se configura como se muestra en la Figura 2-15.

Figura 2-15: Acople tipo T visto como dos acoples tipo L. [38].

El signo menos (-) de XP1 y XP2, similar a como se uso en el acople Pi, estan para indicar

que los valores de estas reactancias son opuestos a los de XS1 y Xs2 respectivamente, de tal

forma que si XS es un condensador XP debe ser un inductor y vice versa [39].


El Q del circuito se determinara ası:

Q =

√

R

Rmenor− 1 (2-6)

donde R es la resistencia virtual y Rmenores la resistencia de menor valor entre RS y RL [38].

2.10.3. Red de adaptacion de impedancias usando un STUB

Esta tecnica de adaptacion de impedancias utiliza simples secciones de la misma lınea de

transmision (STUB) en circuito abierto o cortocircuito, conectando estas secciones en serie

o en paralelo en la lınea de transmision, a cierta longitud de la carga, como se muestra en la

Figura 2-16.

Esta tecnica de acople en muchos casos es muy conveniente pues no requiere de otro tipo

de elementos adicionales a la lınea de transmision ya que, el STUB se puede fabricar como

parte de esta.

Los STUB en paralelo son usados generalmente en lıneas microstrip o stripline, mientras que

los STUB serie son mas usados en slotline y guıas de onda coplanares.


Figura 2-16: Adaptacion de impedancias usando (a) STUB en paralelo (b) stub en serie.

[37].

En lıneas de transmision microstrip y stripline se usan STUBS en circuito abierto ya que no

serıa necesario atravesar el sustrato para llegar a la tierra, en cambio en lıneas de transmision

con cables coaxiales se prefiere usar STUBS en cortocircuito ya que en circuito abierto se

puede presentar radiacion [37].

2.10.4. Red de adaptacion de impedancias usando dos STUBS

EL acople de impedancias de un solo STUB puede acoplar una impedancia de cualquier valor

(parte real positiva) a una lınea de transmision, pero cuenta con la desventaja de requerir

una longitud variable entre la carga y el STUB, esto puede no ser un problema para un

circuito de adaptacion de impedancias fijo, pero probablemente puede ser un inconveniente

si lo que se dea es un circuito de adaptacion de impedancias ajustable, es en este caso cuando

se recurre al uso de dos STUBS para realizar el acople.


Aun ası, el uso de los dos STUB no permite acoplar todas las impedancias de carga.

Figura 2-17: Adaptacion de doble STUB, (a) Circuito con carga a una distancia arbitraria

desde el primer STUB, (b) Circuito equivalente con carga transformada al

primer STUB. [37].

EL circuito de acople de impedancias usando dos STUBS se muestra en la Figura 2-17,

el primer STUB se puede colocar a cualquier distancia de la caja como se ve en la Figura

2-17-a, pero es mucho mas practico si se coloca en la carga como en la Figura 2-17-b, donde

la carga YL′ se ha visto reflejada a la posicion del primer STUB [37].

2.10.5. Red de adaptacion de impedancias usando un transformador

de λ/4

El transformador de λ/4 es un circuito util y practico para adaptar impedancias y ademas

proporciona un circuito de lınea de transmision que, ilustra claramente las propiedades de

las ondas estacionarias en una lınea de transmision acoplada.

La Figura 2-18 muestra un circuito que emplea un transformador de λ/4, la resistencia de

carga RL y la impedancia caracterıstica de la lınea, son reales y a su vez son conocidas, estos

dos componentes son conectados por una seccion de una lınea de transmision idealmente sin

perdidas que posee una impedancia caracterıstica Z1 conocida , y una longitud de λ/4.


Figura 2-18: Transformador de λ/4. [37].

Se desea igualar la impedancia de la carga a la impedancia Zo de la lınea, usando una seccion

de λ/4 y haciendo Γ = 0, visto en la seccion de λ/4 la impedancia de entrada es :

Zin = Z1RL + jZL tan βl

Z1 + jRL tan βl(2-7)

Para evaluar βl = (2π/λ)(λ/4) = (π/2), dividir el numerador y el denominador por tan βl,

y evaluar el lımite cuando βl −→ π/2, obteniendo ası:

Zin =Z12

RL

(2-8)

Para poder hacer Γ = 0, se debe cumplir que Zin = Zo, lo que no permite obtener la

impedancia caracterıstica Z1

Z1 =√

ZoRL (2-9)

Que es la media geometrica entre la impedancia de la carga y la impedancia de la fuente,

evitando ası ondas estacionarias en la lınea de alimentacion, aunque habra ondas estacio-

narias en la seccien de λ/4, estas condiciones se aplican siempre y cuando la longitud de la

seccien de acople es λ/4 o un multiplo impar del mismo, de modo que se puede lograr acople

a una determinada frecuencia y total desadaptacion en otras.

Con base en esto, y realizando un analisis enfocado en la teorıa de multiples reflexiones,

se puede tambien realizar el diseno de acoples con multiples secciones de transformadores,

en aplicaciones que requieren mas ancho de banda del que una sola seccion de λ/4 puede

proporcionar.

2.11 Sintonizacion de impedancias en un sistema de Sputtering RF 33

De acuerdo a el comportamiento que adquiere el coeficiente de reflexion en los sistemas

de adaptacion de impedancias multiseccionales con respecto a los cambios en frecuencia,

pueden ser disenados transformadores de impedancia de tipo multiseccional, binomial, de

Chebyshev, exponencial, triangular y de Klopfenstein [37].

2.11. Sintonizacion de impedancias en un sistema de

Sputtering RF

Para la sintonizacion de impedancias en sputtering RF, en la industria y en la academia

se suele utilizar el acople tipo L, ya que este resulta ser el mas simple al momento de su

implementacion [25, 40, 41].

Figura 2-19: Esquema del acople RF tipo L para un proceso de sputtering RF. [25].

El esquema de este acople se puede apreciar en la Figura 2-19 y como se puede observar

la funcion del condensador en serie es variar el valor de la reactancia de la bobina, ya que

resulta menos practico usar bobinas variables [25, 40, 41].

2.12. Supervision de un proceso de Sputtering (Por

medio de: LabView, VI, NI)

LabVIEW es una herramienta fabricada y desarrollada por la empresa National Instruments,

es un lenguaje y a la vez un entorno grafico de programacion y su acronimo, representa

Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbech. Esta herramienta nos permite crear

aplicaciones de forma rapida y sencilla y ası, por medio de alguna herramienta hardware,

poder interactuar con equipos bien sean mecanicos, electricos, electronicos, etc.


No obstante, esto no se realiza con cualquier equipo, solo se puede realizar con aquellos que

dispongan de un modo de funcionamiento remoto, es decir, aquellos a los que se les pue-

da supervisar y controlar sus funcionalidades (como: Voltajes de salida, corriente, potencia,

posiciones mecanicas de elementos, etc) por medio de niveles de tension o aquellos cuyas

funcionalidades ya sean dependientes de los mismos [42].

La herramienta hardware se puede describir como una etapa de acondicionamiento de senal,

la cual, recibe los niveles de tension (de algun puerto del PC donde se este usando el softwa-

re LabVIEW) y los adecua a los rangos establecidos de tension en los equipos, ademas de,

brindarles unas salidas manejables para las conexiones a los mismos.

Dentro de estas herramientas se destacan, por su compatibilidad, las tarjetas de adquisicion

de datos hechas por el mismo National Instruments, ya que, al ser del mismo fabricante los

protocolos de comunicacion de LabVIEW con la tarjeta ya estan preestablecidos y solo basta

con realizar la conexion del PC a la tarjeta.

No obstante existen otro tipo de herramientas que pueden adecuarse en este proceso, siempre

que el protocolo de la misma pueda ajustarse al de LabView, tales pueden ser los microcon-

troladores, como: PsoC (sistema embebido), Sistema de desarrollo FPGA y demas sistemas

microcontroladores comunes.

3 Caracterizacion Sputtering RF

En este capıtulo se realiza una descripcion detallada de las caracterısticas, componentes y

funcionamiento de cada uno de los dispositivos principales que se tienen a disposicion, en

principio, para llevar a cabo la deposicion por pulverizacion catodica RF.

3.1. Listado de dispositivos principales que intervienen en

el sputtering RF

Para llevar a cabo un proceso de pulverizacion catodica RF se deben tener a disposicion,

como mınimo, los siguientes dispositivos: Generador de energıa RF, red de acople electro-

magnetico, camara de vacıo, bomba de vacıo y evidentemente el medio y las adaptaciones

fısicas necesarias para transportar la energıa del generador hasta la camara de vacıo.

A continuacion se describen a detalle, teniendo en cuenta funcionalidades caracterısticas de

manejo disponibles. ,los dispositivos de los que disponemos en principio para la pulverizacion

catodica RF, los cuales fueron proporcionados por el grupo de pelıculas delgadas y nano-

fotonica como base principal para la investigacion del proceso.

Lo anterior como resultado de las practicas de: 1. Adquisicion de habilidades y conocimientos

de uso de los equipos, 2. Reconocimiento de parametros y caracterısticas de los equipos,

descritas en el cronograma del anteproyecto.

3.1.1. Generador RF VII

El generador RF es el dispositivo inicial de la cadena de pulverizacion catodica RF, basica-

mente es la fuente de energıa del proceso. Su salida consta de una senal de tipo AC con una

frecuencia fija de 13,56MHZ, dicha senal posee una potencia que es manipulable y variable

entre 0W y 600W . Las Figuras 3-1 y 3-2, muestran la parte frontal y posterior del genera-

dor, respectivamente.

36 3 Caracterizacion Sputtering RF

Figura 3-1: Parte frontal del generador RF.

Figura 3-2: Parte posterior del generador RF.

3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 37

El generador posee tres tipos de funcionamiento los cuales son: Modo remoto, manual y

esclavo.

Momo manual - Desde el modo de funcionamiento manual el generador permite acciones

como; Encendido/apagado, variacion y habilitacion de la potencia de salida y visualizacion

de potencia incidente y potencia reflejada.

Modo remoto - Desde el modo de funcionamiento remoto, se pueden realizar acciones de:

Lectura de potencia reflejada e incidente (en unidades de tension), variacion y habilitacion

de potencia de salida, habilitacion del mismo mando remoto (haciendo posible el intercambio

de modo manual a remoto y viceversa), ajuste de una tension BIAS (la cual permite mejor

control de la tension BIAS que puede presentarse en la camara de vacıo y evitar que esta se

devuelva hacia el generador RF) y habilitacion de la entrada de un excitador comun (para

entrar en modo esclavo).

Modo esclavo - Desde el modo de funcionamiento esclavo (si es activado desde el modo

de funcionamiento remoto), se pueden realizar practicamente las mismas funciones que com-

prende el mando remoto. Lo que difiere en este modo de funcionamiento es que este permite

tener dos salidas de RF para una dual operacion de plasma usando dos fuentes RF (los modos

anteriores solo permiten una mono operacion de plasma). Una salida RF esta en dependencia

del funcionamiento de la red (salida de conector tipo HN) y la otra del funcionamiento de

un excitador externo (salida de conector tipo BNC).

Cabe agregar que este modo, para este proyecto, no se va a utilizar ya que en primera ins-

tancia, estimamos que el uso de una fuente externa diferente a la red misma puede afectar la

frecuencia de salida de la fuente (13,56MHz) y por ende todo el trabajo de ahı en adelante

y en segunda instancia, no se requieren modos de operacion dual de plasma en esta actividad.

En la tabla 3-1 se describen cada uno de los conmutadores, conexiones y demas fuentes de

interaccion fısicas del generador RF los cuales estan resaltados en las Figuras 3-1 y 3-2.


Numero Funcionalidad

1 Interruptor secundario de encendido/apagado del generador RF.

2Potenciometro o variador de potencia en la salida del generador (0W -

600W ).

3 Indicador luminoso de la cantidad de potencia reflejada.

4Indicador de potencia total enviada (si set esto oprimido) o de potencia

incidente en la camara de Sputtering y/o carga (si set no esta oprimido).

5

(SET)

Pulsador NO enclavado que permite la visualizacion bien sea de potencia

total enviada por el generador o potencia incidente en la camara de

Sputtering o carga.

6

(INTLK)

Indicador luminoso que se enciende cuando las conexiones externas (para

modos remoto y esclavo) no estan completas o satisfechas.

7

(TEMP)

Indicador luminoso que se enciende cuando la temperatura del disipador de

calor interno supera los lımites de seguridad.

8 (RE-

MOTE)

Indicador luminoso que se enciende cuando el modo de operacion remoto es

activado.

9

(CEX)

Indicador luminoso que se enciende cuando el modo esclavo es activado,

activando la entrada de un excitador externo.

10Pulsador NO enclavado que habilita o deshabilita la salida de la energıa RF

dl generador.

11Punto de salida de la energıa RF a 13,56MHz, es un conector tipo HN de

chasis hembra.

12Interruptor primario que habilita como tal al generador RF, si este se

encuentra en OFF el generador esta inhabilitado.

13Punto de tierra del sistema, este debe estar conectado a un punto de tierra

adecuado para evitar cualquier eventualidad.

14Conector tipo BNC de chasis hembra, para la entrada de un excitador

externo si el generador se encuentra en modo esclavo.

15

Interfaz analoga o conector tipo DB15 de chasis hembra, para la

comunicacion con la tarjeta de adquisicion de datos y permitir los modos de

funcionamiento remoto y esclavo.

16Conector tipo BNC de chasis hembra, para la salida de un segundo generador

RF, si se trabaja en modo esclavo.

Tabla 3-1: Botones, conexiones y demas fuentes de interaccion fısica del generador RF. [43].


Dentro del manual de operacion del generador, se incluye un diagrama de bloques que des-

cribe su estructura interna de una forma adecuada y sencilla [43]. La Figura 3-3 muestra

dicho diagrama de bloques.

Figura 3-3: Diagrama de bloques de estructura interna del generador RF. [43]

Como se puede ver en la Figura 3-3, la forma en la que trabaja el generador RF es tomando

la energıa de la red para producir una fuente de poder de 48V en DC, utiliza esta ultima

como alimentadora de un controlador excitador y un amplificador de potencia RF. Ası, se

genera la salida del sistema a 13,56MHz (por medio del controlador excitador) y con una

potencia variable entre 0W y 600W (por medio del amplificador de potencia).

Se observa un bloque tabla de control RF, en donde se realiza el tratamiento de informacion

e interaccion entre el control remoto del panel posterior, consola de pantalla del panel frontal

y un acoplador direccional para la lectura de potencias (Incidente, reflejada, enviada).Todo

esto con una gestion interna manejada en tensiones de 12V y 5V DC. Es decir, dicho bloque

interactua con los demas mencionados manejando tensiones DC de hasta 12V .

Debido a que se requiere la interaccion del sistema con LabView y por ende, con la tarjeta de

adquisicion de datos SC−2345, se ha optado hacer uso del modo de funcionamiento remoto

del generador RF. Ası pues, se debe tener en cuenta la instruccion del manual de operacion

del generador para el modo de operacion remoto [43],


En el manual de operacion se describe la tabla 3-2 que representa la interfaz de operacion

remota del generador. En otras palabras, se describe la correcta conexion y la accion asociada

a cada uno de los pines del cable tipo DB15 que se debe utilizar en dicho modo.

Pin Descripcion Entrada/Salida Activacion

1 Interconexion externa (IPR) ENTRADAAlto (5V dc) = No satisfecha ;

Bajo (0V dc) = Satisfecha

2 RF ON (IPR) ENTRADAAlto (5V dc) = RF off ; Bajo (0V )

= RF ON

3Entrada de punto de ajuste

positiva (de 0V a 5V dc)ENTRADA

Entrada diferencial de 0V a 5V dc,

5V dc = Potencia Nominal (600W )

4Retorno de punto de ajuste

negativa (tierra)ENTRADA Tierra

5 RF ON y OK (IPR) SALIDAAlto (5V dc) = No OK ; Bajo

(0V dc) = OK

6Habilitar CEX (excitador

comun)ENTRADA

Alto (5V dc) = CEX deshabilitado

; Bajo (0V ) = CEX habilitado

6Habilitar CEX (excitador

comun)ENTRADA

Alto (5V dc) = CEX deshabilitado

; Bajo (0V ) = CEX habilitado

7 Monitor de potencia reflejada SALIDADe 0 a 5V dc ; 5V dc = Potencia

nominal (600W )

8 Monitor de potencia incidente SALIDADe 0V a 5V dc ; 5V dc = Potencia

nominal (600W )

9 Tierra – –

10 Tierra – –

11 Tierra – –

12 Voltaje BIAS ENTRADA 0V a 1V dc aproximadamente

13 Voltaje BIAS ENTRADA Tierra / VTL opcional

14Habilitacion de RF (estado)

Para pre-ajustes del ATN-5SALIDA

Abierto = RF ON ; Cerrado = RF

OFF

15 Manual/remoto seleccion (IPR) ENTRADAAlto (5V dc) = Manual ; Bajo

(0V ) = Remoto

IPR*(Resistencia interna de Pull-up) = deberıa tener una transicion en voltaje al

activarse. ENTRADA/SALIDA* = Describe la funcionalidad del PIN ya sea como una

entrada o como una salida.

Tabla 3-2: Instruccion de conexiones del manual, para el modo de operacion remoto del

generador RF. Tomada de [43].


3.1.2. Sintonizador ATN-5

El sintonizador ATN-5 puede considerarse como el dispositivo que realiza la accion de sin-

tonizacion entre la red de acople tipo L y la camara de Sputtering (plasma) o de un modo

mas tecnico, como la unidad de control de la red de acople.

Este dispositivo tiene un papel intermedio entre la red de acople L y el plasma en donde,

basicamente, es el encargado de la accion de movimiento dinamica de los elementos dentro de

la red de acople (capacitancia e inductancia) en funcion de unos parametros de sintonizacion

(fase y magnitud). Las figuras 3-4 y 3-5muestran la parte frontal y posterior del sintonizador

respectivamente.

Figura 3-4: Parte frontal del sintonizador ATN-5.

Figura 3-5: Parte posterior del sintonizador ATN-5.


El funcionamiento de esta unidad de control se basa principalmente en el uso de dos senso-

res, uno de fase y uno de magnitud. Dichos sensores brindan una salida en tension que es

dependiente de la relacion entre fases y entre magnitudes de lo que el generador RF entrega

y lo que a la camara esta llegando, en todo instante de tiempo.

Ası pues, en funcion de los valores que arrojen los sensores de fase y magnitud, se da la

alteracion de valores de capacitancia e inductancia de la red de acople con el fin de lograr

una sintonizacion y la mejor transferencia de potencia posible, dependiendo del modo en que

se utilice el sintonizador pues este tiene tres modos de funcionamiento, los cuales son: Modo

manual, modo remoto y modo automatico.

Modo manual - Desde el modo manual, el sintonizador solo funciona como intermediario

en la accion de movimiento de los servomotores que a su vez alteran el valor de capacitancia

e inductancia en la red de acople tipo L. En otras palabras, en el modo manual es el mismo

usuario quien le da el movimiento o establece el valor de capacitancia e inductancia de la red

de acople, por medio de interruptores (los cuales se describen en la tabla 3-3). Este modo

evidentemente no es practico en la implementacion ya que la impedancia caracterıstica del

plasma es variable durante el proceso de pulverizacion lo que conlleva a que el sistema no

pueda acoplarse eficientemente en todo instante de tiempo de forma manual.

Modo remoto - Desde el modo de funcionamiento remoto, el sintonizador basa su fun-

cionamiento por medio de un conector tipo DB25. Este modo de funcionamiento se utiliza

para manejo y control del sintonizador desde una fuente externa (RS232, PC, comunicacion

paralela, etc), en este caso, como se ha mencionado, se utiliza este modo para su mane-

jo remoto y supervision haciendo uso de LabView y una tarjeta de adquisicion de datos

de NI. En otras palabras, la accion dinamica de variacion de inductancia y capacitancia

se realiza desde la interfaz LabView (implementando una logica y algoritmos adecuados),

pasando por la tarjeta de adquisicion de datos y actuando finalmente sobre los servomotores.

Todo lo anterior en pro de conseguir en todo instante de tiempo un acople entre el generador

y la camara, teniendo como base principal los resultados o valores arrojados por los sensores

de fase y magnitud.

Modo automatico - Desde el modo automatico, como su nombre lo indica, el sintonizador

es capaz de lograr un acople electromagnetico de impedancias en todo instante de tiempo

por sı mismo, en teorıa. Para ello utiliza una configuracion electronica interna que se ba-

sa particularmente de los valores obtenidos de los sensores de fase y magnitud. Si bien se

podrıa simplemente hacer uso del sintonizador en este modo de funcionamiento y construir

pelıculas, no es el proposito de este trabajo de grado, puesto que se quiere estudiar a fondo

y conocer cada caracterıstica que permita conseguir y mejorar aun mas dicho acople.


De los modos de funcionamiento mencionados, se va a hacer uso del modo de funcionamiento

remoto ya que, la manipulacion y control de las maquinas haciendo uso del software Lab-

View es uno de los requisitos planteados con anterioridad. Ademas se requieren comprender

a fondo todas las caracterısticas que comprenden un acople dinamico para un Sputtering RF

y los modos manual y automatico no son aprovechables en ese sentido.

En la tabla 3-3 se describen cada uno de los conmutadores, conexiones y demas elementos

de interaccion del sintonizador ATN-5, los cuales se resaltan en las Figuras 3-4 y 3-5.


Numero Funcionalidad

1 Interruptor principal de encendido/apagado del sintonizador.

2 Potenciometros de ajuste de posiciones internas de programacion.

3Conmutador que permite seleccionar el modo de operacion para el

condensador en paralelo de la red de acople.

4Conmutador que permite seleccionar el modo de operacion para la

inductancia en serie de la red de acople.

5Conmutador de permite alterar el valor de inductancia en el acople (si esta se

encuentra en modo manual).

6Conmutador de permite alterar el valor de capacitancia en el acople (si esta

se encuentra en modo manual).

7Indicador de la posicion de la inductancia en todo instante de tiempo,

independientemente de su modo de operacion, dentro de un rango establecido.

8Indicador de la posicion de la capacitancia en todo instante de tiempo,

independientemente de su modo de operacion, dentro de un rango establecido.

9Indicador luminoso que indica cuando el valor de la capacitancia llega a su

maximo o mınimo valor de diseno.

10Indicador luminoso que indica cuando el valor de la inductancia llega a su

maximo o mınimo valor de diseno.

11

Interfaz analoga o conector tipo DB25 de chasis hembra, para la

comunicacion con la tarjeta de adquisicion de datos y permitir la

manipulacion de las posiciones de inductancia y capacitancia del acople

cuando estas se encuentran en modo remoto.

12Puntos (o potenciometros) de ajuste de sensibilidad de la ganancia de los

sensores de fase y magnitud (requieren calibracion).

13

Conector tipo DB15 de chasis hembra, por el cual se hace el envıo y

recepcion de senales de control hacia el controlador, valga la redundancia, de

la red de acople tipo L.

14Conector tipo BNC hembra, para una senal externa de fase o puede ser

utilizado como un monitor de punto de prueba para la misma.

15Conector tipo BNC hembra, para una senal externa de magnitud o puede ser

utilizado como un monitor de punto de prueba para la misma.

Tabla 3-3: Botones, conexiones y demas fuentes de interaccion fısica del sintonizador ATN-

5. [44].

Ahora bien, como se mencionado anteriormente, es importante tener en cuenta las instruc-

ciones del manual de operacion del sintonizador ATN-5 para su modo de funcionamiento

remoto ya que, es el que se va a utilizar en este proyecto.

Ası pues, las tablas 3-4 y 3-5 describen la correcta conexion y la accion asociada a cada uno

de los pines de los conectores tipo DB15 y DB25 respectivamente, los cuales deben utilizarse

en dicho modo.



1 Sensor de Magnitud ENTRADAEste pin recibe el valor en tension arrojado por

el sensor de magnitud de la red de acople L.

2 Sensor de Fase ENTRADAEste pin recibe el valor en tension arrojado por

el sensor de fase de la red de acople L.

3

Accionamiento del

motor del capacitor

en paralelo

SALIDA

Este pin envıa la senal de control que actua

sobre el motor que altera el valor de la

capacitancia en paralelo de la red de acople L.

4

Accionamiento del

motor del capacitor

en serie

SALIDA

Este pin envıa la senal de control que actua

sobre el motor que altera el valor de la

capacitancia en serie de la red de acople L.

5Posicion del capacitor

en serieENTRADA

Este pin recibe el valor en tension

correspondiente a la posicion del capacitor en

serie de la red de acople L.

6Posicion del capacitor

en paraleloENTRADA

Este pin recibe el valor en tension

correspondiente a la posicion del capacitor en

paralelo de la red de acople L.

7 +5, 2V dc SALIDATension DC fija para manejo del controlador

interno en la red de acople L.

8 +0, 15V dc SALIDATension DC fija para manejo del controlador

interno en la red de acople L.

9 Tierra – –

10 Tierra – –

11Tierra del motor del

capacitor en paraleloTIERRA –

12Tierra del motor del

capacitor en serieTIERRA –

13 Motor del ventilador SALIDAEsta senal de control activa o desactiva a los

ventiladores de la red de acople L.

14 NO CONEXION – –



sintonizador ATN-5, conector DB15. [44].




2Control remoto del

capacitor en paraleloENTRADA

Debe conectarse al pin 14 del DB15 del generador RF

para permitir el control remoto del capacitor en paralelo

de la red de acople L.

3

Habilitacion del

control remoto del

capacitor en serie

SALIDA

Por medio de este pin se activa el manejo remoto del

capacitor en serie de la red de acople (Debe conectarse al

pin 14 del DB15 del generador RF).

4

Habilitacion del

control remoto del

capacitor en paralelo

SALIDA

Por medio de este pin se activa el manejo remoto del

capacitor en paralelo de la red de acople (Debe conectarse

al pin 14 del DB15 del generador RF).

5Control remoto del

capacitor en serieENTRADA

Debe conectarse al pin 14 del DB15 del generador Rf para

permitir el control remoto del capacitor en serie de la red

de acople L.

6Lımite negativo del

capacitor en serieSALIDA

Es un valor en tension que indica el lımite negativo que se

puede poner en el pin 12 (−5V dc).

7Lımite positivo del



puede poner en el pin 12 (5V dc).

8 Falla SALIDA

Es una salida que debe estar en tension alta (5V dc)

indicando que todas las conexiones estan de forma

correcta. En caso de ser 0V , existe algun error en las

conexiones.

9Lımite negativo del

capacitor en paraleloSALIDA


puede poner en el pin 13 (−5V dc).

10Lımite positivo del



puede poner en el pin 13 (5V dc).

11Posicion actual del


Es una salida en tension que indica la posicion en la que

se encuentra el capacitor en paralelo.

12Punto de ajuste del

capacitor en serieENTRADA

Es el pin por medio del cual se maneja el valor de

capacitancia en serie de la red de acople.

13Punto de ajuste del

capacitor en paraleloENTRADA

Es el pin por medio del cual se maneja el valor de

capacitancia en paralelo de la red de acople.


15 +15V – Tension fija para el manejo interno en el controlador.

16 −15V dc – Tension fija para el manejo interno en el controlador.







23Posicion actual del


Es una salida en tension que indica la posicion en la que

se encuentra el capacitor en serie.

24 Tierra – –

25 Tierra – –


sintonizador ATN-5, conector DB25. [44].


3.1.3. Red de acople electromagnetico tipo L

La red de acople tipo L es el dispositivo esencial para el proceso de pulverizacien RF puesto

que, en ella se encuentran fısicamente los elementos que permitiran brindar acople elec-

tromagnetico entre el generador RF y la camara de Sputtering (o plasma), los cuales son:

capacitancia en paralelo, inductancia en serie (que a su vez esta en serie con una capacitan-

cia variable, lo que facilita la manipulacion o variacion de la inductancia equivalente), los

servomotores que mueven las capacitancias, ventiladores para asegurar en primera instancia

control de temperatura en los elementos que componen el acople y un controlador interno

que interactua con el sintonizador ATN-5 por medio de un conector externo tipo DB15.

Las Figuras 3-6, 3-7 y 3-8 muestran de forma externa las partes frontal, posterior y superior

de la red respectivamente y las Figuras 3-9 y 3-10 en cambio muestran la estructura interna

de la red de acople electromagnetica tipo L.

Figura 3-6: Parte frontal de la red electromagnetica tipo L.


Figura 3-7: Parte posterior de la red electromagnetica tipo L.

Figura 3-8: Parte superior de la red electromagnetica tipo L.


Figura 3-9: Parte interna de la red de acople electromagnetico tipo L, controlador resaltado.

Figura 3-10: Parte interna de la red de acople electromagnetico tipo L, inductancia y ca-

pacitancias resaltadas.

Esta red de acople funciona independientemente del modo de operacion de los dos dispositi-

vos anteriormente descritos es decir, esta va a funcionar de la misma forma en todo instante

de tiempo. Ademas, la red solo tiene interaccion por medio de conectores externos tipo DB15

con el sintonizador ATN-5 para realizar sus acciones de movimientos en los componentes del

acople.


Ası pues, las senales externas llegan al controlador por medio del conector tipo DB15 y es

el controlador interno quien hace que los servomotores se posicionen segun se requiera alte-

rando los valores equivalentes de los componentes de la red.

En la tabla 3-6 se describen cada uno de los elementos de la red de acople que han sido

resaltados en las Figuras 3-6, 3-7, 3-8, 3-9 y 3-10.

La correcta conexion y la accion asociada a cada uno de los pines del conector tipo DB15 de

la red electromagnetica tipo L es la misma descrita en la tabla 3-4 , presente en el manual

de operacion del ATN-5 [44].


Numero Descripcion

1Servomotor que ejerce el movimiento o alteracion en el valor de la capacitancia

en paralelo de la red de acople.

2Servomotor que ejerce el movimiento o alteracion en el valor de la capacitancia


3Bus de conectores tipo DB9 para el envıo de las senales de control para los

servomotores y los ventiladores de la parte superior de la red.

4Conector tipo HN de chasis hembra, para la salida de la energıa RF hacia la

camara de Sputtering.

5Espacio disponible para poder adaptar una salida, para la energıa RF, con un

diferente conector (es decir NO tipo HN), por ejemplo tipo N.

6

Interfaz analoga o conector tipo DB15 de chasis hembra, para el envıo y

recepcion de senales de control hacia el sintonizador ATN-5 (este conector

funciona adecuadamente si el ATN-5 esta en modo remoto).

7

Espacio disponible para poder adaptar un conector tipo DB9, para el envıo y

recepcion de senales de control hacia el sintonizador ATN-5 (en su modo de

funcionamiento remoto).

8Conector tipo N de chasis hembra, para la entrada de energıa proveniente del

generador RF.

9Adaptaciones para la entrada y salida de un sistema de refrigeracion, que puede

ser de agua o de aire. En este proyecto se estima utilizar aire comprimido.

10 Ventiladores que ayudan a disminuir la temperatura dentro de la red.

11

Controlador interno de la red de acople, al cual llegan las senales externas del

sintonizador ATN-5 y en consecuencia se realizan las acciones o envıo de senales

de accion en los elementos dentro de la red.

12 Bobina o inductancia de un valor fijo, la cual esta en serie en la red tipo L.

13Capacitancia o condensador de placas paralelas variable, el cual esta en paralelo

en la red tipo L.

14Capacitancia o condensador variable, el cual esta en serie con la bobina y

permite alterar el valor equivalente de inductancia resultante.

Tabla 3-6: Descripcion de los elementos de la red de acople electromagnetico tipo L.


3.2. Elementos adicionales

Los siguientes elementos a describir venıan incluidos en la compra de los dispositivos men-

cionados anteriormente, la existencia y buen funcionamiento de los siguientes es clave y vital

para el buen funcionamiento del sistema en forma global.

3.2.1. Cable coaxial RG-213

Este cable coaxial permite la transferencia de la energıa emitida por el generador RF hacia

la red de acople de impedancias tipo L. Por su referencia RG-213, se deduce que es un cable

con optimo funcionamiento a la frecuencia y potencia de trabajo de este proyecto. La Figura

3-11 ilustra el cable en mencion.

Figura 3-11: Cable coaxial RG-213, para la transmision de energıa entre el generador RF

y la red de acople tipo L.

3.2.2. Conector tipo DB15

El conector tipo DB15 que muestra la Figura 3-12, permite la comunicacion remota entre

el sintonizador ATN-5/PT-II-CE y la red de acople de impedancias tipo L. Este conector

es el medio por el cual se hace el envıo y recepcion de senales de control, como el envıo de

la posicion actual (en terminos de tension) de los capacitores, las senales de los sensores de

magnitud y fase y valores de tensiones DC particulares, desde el sintonizador hacia la red y

viceversa.

3.2 Elementos adicionales 53

Figura 3-12: Conector tipo DB15 para el envıo y recepcion de senales de control entre el

sintonizador ATN-5 y la red de acople tipo L

4 Implementacion Sputtering RF

Este capıtulo comprende la descripcion de consideraciones generales que se deben tener pre-

sentes antes, durante y despues de implementar el proceso de sputtering RF, tales como

calibracion del sistema, aseguramiento de la presion adecuada dentro de la camara de vacıo,

puesta a punto de tierra del sistema, entre otras.

Adicionalmente comprende la descripcion y justificacion de los dispositivos y elementos fısi-

cos adicionales que se han adquirido para completar la implementacion fısica del sputtering

RF y garantizar su optimo funcionamiento, debido a que inicialmente, no se contaba con

la totalidad de los elementos requeridos y ademas, son de vital importancia para realizar el

control dinamico del mismo.

Lo anterior como resultado de las practicas de: 1. Realizar acondicionamientos entre la tarjeta

de adquisicion de datos y los equipos a supervisar y controlar y 2. Establecer protocolos de

medicion de variables relevantes, descritas en el cronograma de actividades del anteproyecto.

4.1. Consideraciones generales para la implementacion

del sputtering RF

4.1.1. Calibracion fısica del sistema de acople de impedancias

De forma similar a diversos procesos de implementacion fısica, el Spputering RF posee su

respectivo metodo de calibracion para cuando se requiera y para este caso en particular,

cuando el funcionamiento de alguno de los dispositivos fısicos anteriormente descritos sea

errado o ilogico, principalmente el del sintonizador ATN-5.

El manual del sintonizador ATN-5 describe dicho proceso de calibracion en el cual basi-

camente interviene una resistencia de 50Ω pura a 13,56MHz necesariamente, es decir sin

presencia de componentes reactivas. Este proceso basicamente se orienta a garantizar el ade-

cuado y optimo funcionamiento de los sensores de fase y magnitud que posee el sintonizador

para ası no tener medidas o salidas de tension erroneas en los mismos.

4.1 Consideraciones generales para la implementacion del sputtering RF 55

El proceso de calibracion es simple en cuanto al concepto, la resistencia (que debe carecer

de presencias reactivas a 13,56MHz) debe colocarse como carga a la salida de la energıa

RF despues de pasar por la red de acople tipo L. Ası pues, si la resistencia cumple con la

caracterıstica descrita, no debe ser necesario (dentro de la red de acople) inducir una capa-

citancia en paralelo ni una inductancia en serie (ya que se encontrarıa en punto de acople

sin necesidad de las mismas al ser la carga y la impedancia interna del generador de 50ω)

y en consecuencia, las tensiones entregadas por los sensores de fase y magnitud deben ser 0V .

Lo anterior debido a que, en la practica y familiarizacion con el sintonizador ATN-5 se

establece que: Cuando hay acople tanto en fase y magnitud entre la seoal enviada por el

generador y la recibidaa por la carga (camara de vacıo, resistencia, etc.) los sensores de

magnitud y fase arrojan dicha tension de 0V y en caso contrario (cuando no hay acople),

arrojan tensiones por encima o por debajo de 0V .

Ası, por ejemplo, si la diferencia de fase entre la senal enviada y la entregada a la carga esta

por encima o por debajo de 0 entonces el sensor de fase arroja una tension por encima o

por debajo de 0V y si la magnitud sensada esta (hablando en terminos ideales) por encima

o por debajo de la entregada por el generador el sensor de magnitud arroja una tension por

encima o por debajo de 0V .

4.1.1.1. Construccion de carga de 50Ω a 13,56MHz y 600W de potencia para

calibracion

Para realizar dicha calibracion cuando se requiera, se ha llevado a cabo la construccion de la

carga mencionada. Esto debido a que la adquision de una resistencia con dichas caracterısti-

cas y adicionalmente, por consideracion de nuestro equipo de trabajo, que deba soportar al

menos 600W de potencia sale costoso y requiere de mucho tiempo de espera mientras que

la direccion de recursos de investigacion de la Universidad Pontifica Javeriana apruebe su

compra como adquision investigativa por parte del grupo de laminas delgadas y nanofotonica.

Ası pues se opto por adquirir resistencias de potencia, en total 24 tipo ceramicas de 33Ω a

30W cada una (ver figura 4-1,a), una fibra de vidrio FR4 (ver figura 4-1,b) y dos conectores,

uno tipo N (ver figura 4-1,c) y otro tipo HN (ver figura 4-1,d), estos ultimos son conectores

hembra de chasis.

56 4 Implementacion Sputtering RF

(a) Resistencias ceramicas de 33Ω a

30W (b) Sustrato fibra de vidrio FR4 de

50cmx50cm.

(c) Conector de chasis hembra tipo N.(d) Conector de chasis hembra tipo

HN.

Figura 4-1: Elementos adquiridos para la construccion de carga de calibracion

El conector de la figura 4-1 (c) se adquirio para que la carga dummy sea compatible con

las herramientas de medicion necesarias para realizar el estudio del comportamiento de la

misma en frecuencia, mientras que, el conector de la figura4-1 (d), se adquiere para que la

carga sea compatible con la salida del sistema de acople de impedancias y ası implementar-

la para la calibracion. Claro que este paso es dependiente del primero mencionado, por eso

la carga en principio tendra el conector tipo N y en definitiva conservara el conector tipo HN.

El esquema electrico para la carga, inicialmente planteado, es como muestra la figura 4-2, allı

se puede observar que se trata de un sencillo arreglo basado en combinaciones serie-paralelo

de las resistencias, en donde analıticamente la resistencia equivalente tiene un valor de 49, 5Ω

(segun los valores nominales).


Figura 4-2: Esquema electrico para carga de 50Ω a 600W , primer modelo planteado.

No obstante, al hablar de 13,56MHz y de resistencias ceramicas cuya estructura interna es

basicamente un alambre enrollado, se deben considerar las componentes reactivas del com-

portamiento de las mismas a es frecuencia y por lo tanto, se debe contemplar la adquisicion

o fabricacion de una red de compensacion. Dicha red basicamente consta de un condensador

de alta potencia con un valor especıfico.

Segun los estudios y mediciones realizadas en una de las salas de la Universidad Distrital

con el dispositivo medicion LCR, el cual permite mediciones hasta 10MHz de frecuencia, el

comportamiento grafico real aproximado de cada resistencia versus la frecuencia es aproxima-

damente como muestran las figuras 4-3 y 4-4, comportamiento resistivo y comportamiento

inductivo respectivamente.


Figura 4-3: Tendencia aproximada del comportamiento de las resistencias ceramicas en

funcion de la frecuencia, parte resistiva

Figura 4-4: Tendencia aproximada del comportamiento de las resistencias ceramicas en

funcion de la frecuencia, parte inductiva.

La tabla 4-1 muestra el valor medido exacto de cada una de las resistencias con el LCR a

10MHz de frecuencia.


Resistencia Magnitud (Ω) Fase (o) Parte Real (Ω) Parte Imaginarıa (Ω) Inductancia (µH)

R1 93 44 66.89 j 64.6 1,028

R2 58 44 41,72 j 40,29 0,64112

R3 60 55 34,41 j 49,14 0,77822

R4 56 43 40,95 j 38,19 0,6078

R5 59 60 29,5 j 51,09 0,8132

R6 77 30 66,68 j 38,5 0,6127

R7 56 40 42,89 j35,99 0,5729

R8 57 52 35,09 j 44,9 0,7149

R9 56 43 40,95 j 38,19 0,6078

R10 58 56 32,43 j 48,08 0,7653

R11 55 36 44,49 j 32,32 0,5145

R12 47 24 42,93 j 19,11 0,3043

R13 59 50 37,92 j 45,19 0,7193

R14 60,8 67,7 23,07 j 56,25 0,8953

R15 62 57 33,76 j 51,99 0,8276

R16 57 39 44,29 j 35,87 0,5709

R17 54 36 43,68 j 31,74 0,5052

R18 59 48 39,47 j 43,84 0,6978

R19 55 41 41,5 j 36,08 0,5743

R20 58 54 34,09 j 46,92 0,7468

Tabla 4-1: Valores medidos con el LCR del comportamiento de las resistencias a 10MHz.

Teniendo en cuenta lo anterior fue necesario cambiar el esquema de la figura 4-2, por el

esquema que muestra la figura 4-5. Ası, segun los valores mostrados en la tabla 4-1, se tiene

una resistencia equivalente de 50,999 + 52,8356iΩ.


Figura 4-5: Esquema electrico para carga de 50Ω a 600W , prototipo final.

Con base en la resistencia equivalente ahora estimada, se plantea el diseno de una red de

compensacion que incluya un condensador de 222,14 pF de alta potencia, para compensar

y eliminar la reactancia inductiva que presenta la resistencia construida. Dicho valor de

capacitancia se obtiene de la formula 4-1.

C =1

ω2L(4-1)

Donde:

L =52,8356

ω(4-2)

Y:

ω = 2πf ; f = 13,56MHz (4-3)

En las imagenes 4-6, 4-7 y 4-8 se puede visualizar la carga disenada y la secuencia de

construccion de la misma, respectivamente.


Figura 4-6: Carga de calibracion construida.


Figura 4-7: Base construida de sustrato FR4 de dimensiones 27cmx11cm.

Figura 4-8: Base con resistencias ceramicas soldadas.

Se realiza la construccion de las bases de la carga (ver figura 4-7) de calibracion, dichas

corresponden a impresiones de circuito PCB realizadas en la impresora de circuitos PCB de

la universidad Distrital, valga la redundancia.

Posteriormente se sueldan las resistencias de potencia a dichas bases como lo muestra la

figura 4-8.

Y por ultimo se adecuan a los conectores tipo HN y N y ademas, el condensador de com-

pensacion, tal como lo muestra la figura 4-6.

Una vez adaptada la red de compensacion a la carga debidamente elaborada, se puede proce-

der a calibrar el sistema y dejarlo listo para iniciar con las primeras pruebas de construccion

de pelıculas.


4.1.2. Presion interna dentro de la camara de vacıo

El concepto de presion interna dentro de la camara de vacıo, donde se construira la respectiva

pelıcula del material deseado, esta relacionado con el nivel de vacıo que se debe garantizar

dentro de la misma.

Ası pues, se entiende que, segun el nivel de vacıo que se logre obetner dentro de la camara

se va a obtener un nivel de presion y entre mas vacıo tenga la camara menor sera el valor de

presion, es decir son inversamente proporcionales.

Lo ideal serıa llegar a un nivel de vacıo absoluto con el fin de extraer cualquier tipo de

partıcula dentro de la camara, a la que se le podrıa llamar parasita, que pueda influir y

alterar el resultado de la pelıcula construida. Lo anterior se produce debido a que la contruc-

cion de pelıculas delgadas por medio de Spputering RF se hace partıcula a partıcula y si,

en en el recorrido que realiza cada partıcula del material pulverizado desde el blanco hasta

el sustrato, estas llegasen a ser obstruidas o chocan con una partıcula parasita, esta ultima

puede quedar situada en el sustrato haciendo parte de la pelıcula o influir en el tiempo de

deposicion de la misma.

En otras palabras, la presencia de partıculas dentro de la camara de vacio, que difieran de

las del material a pulverizar o el(los) tipo(s) de gas(es) nobles que se requiera(n) en la cons-

truccion de la pelıcula, pueden alterar el proceso y danar la misma.

En general, hay niveles de presion pre-establecidas para el proceso de Spputering RF, los

cuales sugieren que para un optimo resultado de construccion de pelıculas se debe garantizar

a lo menos un nivel de presion del orden de 10( − 4)mBarr en la camra de vacıo antes de

llenar la misma con el(los) gas(es). No obstante este valor de presion dentro de la camara es

bastante relativo y de tipo experimental, es decir, es relativo debido a que depende o puede

tener cierta relacion en cuanto al tipo de pelıcula que se requiera fabricar, el tipo de gas o

combinacion de gases que se deseen utilizar, la cantidad o tasa de partıculas de incidencia

en el blanco por unidad de tiempo [45-Laminas delgadas y recubrimientos: preparacion, pro-

piedades y aplicaciones], entre otras.

Ası pues, se denota que se debe tener muy claro y conocer en que aspectos repercute el valor

de las presiones que se deben manejar dentro de la camara. En el capıtulo 6 se describen los

procesos experimentales realizados junto con sus resultados y ademas, las especificaciones y

consideraciones de presiones de trabajo utilizadas durante los mismos.


4.1.3. Puesta a punto de tierra del sistema

Otro de los parametros mas importantes para permitir el proceso de Spputering RF es esta-

blecer un punto de tierra fijo que pueda soportar niveles de sobre corriente tan altos mayores

al maximo que es capaz de brindar el generador RF (15A). De lo contrario, cualquier falla

o inconveniente que pueda presentarse durante dicho proceso puede afectar la integridad de

cualquiera de los dispositivos que intervienen en el mismo, como los son: maquina extractora

vacum chamber, camara de vacıo, red de acople tipo L, tarjeta de adquision de datos, PC

de mesa y estructura fısica construida en material de metal fino que sostiene y compone la

misma camara de vacıo.

Ası pues, se establece un punto de conexion a tierra que va desde el generador RF hasta la

tierra fısica de la maquina vacum chamber, dicho punto de tierra esta adecuado y construido

como soporte a cualquier eventualidad o falla que ocurra en el mismo.

4.2. Elementos y dispositivos adicionales para la

complementacion fısica del sistema

Una de las partes mas esenciales y vitales del trabajo de grado es garantizar la existencia de

todos los elementos o dispositivos requeridos para poder llevar a cabo el proceso de Sputte-

ring RF y realizar el control remoto de los equipos haciendo uso de LabView.

Por tal razon se realiza la adquisicon de algunos elementos complementarios para realizar

correctamente lo mencionado, dar la complementacion fısica necesaria al sistema. Esto se

refleja de la actividades de: 1. Realizar acondicionamientos entre la tarjeta de adquisicion

de datos y los equipos a supervisar y controlar y 2. Establecer protocolos de medicion de

variables relevantes.

Cabe agregar que su buen funcionamiento y/o adecuacion son de vital importancia para

un optimo funcionamiento global del sistema de acople, de igual forma que los dispositivos

mencionados anteriormente.

4.2 Elementos y dispositivos adicionales para la complementacion fısica del sistema 65

4.2.1. Adquisicion de cable coaxial RG214 DE 50 Ω conectores tipo

HN-macho

Se hizo evidente la falta de un cable conector entre la red de acople tipo L y la camara de

Sputtering. Razon por la cual se realiza la adquisicion de un cable coaxial de referencia RG214

con impedancia caracterıstica de 50Ω, bastante eficiente en cuanto a RF y potencia se refiere.

Ademas, es necesaria la adquisicion de dos conectores tipo HN machos para adaptar al cable

(ponchar), ya que, tanto la salida de la red de acople como la entrada de la camara de vacıo,

poseen este tipo de conector de chasis tipo hembra, estos conectores fueron fabricados en el

taller de mecanica fina del departamento de fısica de la universidad nacional.

La figura 4-9 ilustra el cable RG-214 y los conectores tipo HN machos debidamente poncha-

dos al mismo.

Figura 4-9: Cable coaxial RG-214 ponchado con conectores tipo HN machos

4.2.2. Adquision y adecuacion de conectores tipo DB15 y DB25

Debido a que la supervision y control, tanto del generador RF como del sistema de acople

de impedancias, es objetivo esencial, se hace uso de la herramienta software LabView 8.5

y una tarjeta de adquisicion de datos SC-2345 de National Instruments (ver figura 5-1).

Dado lo anterior, se realiza la recepcion y envio de datos de los puertos de mando remoto,

tanto del generador RF como del sintonizador ATN-5/PT-II-CE, haciendo uso de conectores

adecuados tipo DB15 y DB25 respectivamente. Esto ultimo en funcion de los mapas de pines

de los mismos dispositivos descritos en las tablas 3-2 y 3-5.

Los conectores fabricados y adecuados, tipo DB15 y DB25, se pueden visualizar en las figuras

4-10 y 4-11 respectivamente.


Figura 4-10: Conector fabricado y adecuado tipo DB15, para la tranmision de senales entre

el generador RF y la tarjeta de adquisicion de datos.

Figura 4-11: Conector fabricado y adecuado tipo DB25, para la trasmision de senales entre

el sintonizador ATN-5 y la tarjeta de adquisicion de datos

4.2.3. Adquisicion de adaptadores y mangueras para el sistema de

refrigeracion a base de aire comprimido

Para garantizar el bienestar de la red de acople tipo L y teniendo en cuenta que hay dis-

ponibilidad de un sistema de aire a presion (ver figura 4-12), se adquieren adaptadores y

mangueras (ver figura 4-13) que permiten acoplar la salida del tanque de aire a presion con

la respectiva entrada de refrigerante en la red de acople (tabla 3-6, figura 3-7 - elemento 9).

4.2 Elementos y dispositivos adicionales para la complementacion fısica del sistema 67

Figura 4-12: Sistema de aire a presion, de 0 a 200psi

Figura 4-13: Adaptadores y mangueras para el sistema de refrigeracion con aire a presion

La figura 4-14 muestra el sistema de refrigeracion debidamente conectado y adaptado con

la red de acople tipo L.


Figura 4-14: Sistema de aire a presion, de 0 a 200psi

La manguera de color blanco de la figura 4-14 tiene una capacidad de soportar aire a presion

de hasta 80psi (libras por pulgada cuadrada) y la salida del sistema de aire comprimido puede

manejar una salida variable de 0psi hasta 200psi. Ası pues, se considera que manejar la salida

del compresor de aire a 50psi es un optimo flujo de aire para la refrigeracion. Por tanto, la

manguera de color azul de la Figura 4-13 se poncha a la manguera que se ve de color rojo

en la Figura 4-12 y el sistema queda listo con un refrigerante de aire a presion a 50psi.

5 Supervision y control del proceso

Sputtering RF

Siendo uno de los ıtems principales de este trabajo la supervision y control de los equipos

haciendo uso del software LabView 8.5, se establece el uso de una tarjeta de adquisicion de

datos y evidentemente de un PC de mesa con la herramienta instalada.

Ası pues, despues de un trabajo de estudio y familiarizacion con dicha tarjeta y simultanea-

mente con la interaccion y conocimiento del software LavBiew se logra disenar una plantilla

estructurada (con interfaz grafica de usuario y prototipo de logica interna) que se relaciona

directamente con el funcionamiento, mando, supervision y control de los elementos decritos

en el capıtulo 3, en las tablas 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 y 3-5.

A continuacion se describe todo el trabajo realizado referente al mando, supervision y control

sobre los dispositivos del Sputtering RF (sintonizador ATN-5 y generador RF).

5.1. Tarjeta de adquisicion de datos SC-2345 de NI

El grupo de investigacion proporciono una tarjeta de adquisicion de datos (ver figura 5-1)

junto con un PC de mesa (ver figura 5-2) para la realizacion de este trabajo.

Figura 5-1: Tarjeta de adquisicion de datos.

70 5 Supervision y control del proceso Sputtering RF

Figura 5-2: PC de mesa.

La tarjeta de la figura 5-1 es de referencia SC-2345 de National Instruments, cuenta con

diversos moulos SCC y una correcta calibracion. Los modulos SCC son pequenos dispositivos

que acondicionan senales analogicas y digitales (ver figura 5-3), estan disponibles para una

variedad de aplicaciones como: termopares, RTD’s, acelerometros, filtrado de paso bajo,

atenuacion de voltaje, conversion de frecuencia a voltaje, entrada de corriente, entrada y

salida digital aislada, entrada analogica aislada o alimentacion directa [45].

Figura 5-3: Modulo SCC.

Sin embargo, el uso de dichos modulos no resulta ser de tipo estricto para el proyecto puesto

que, la recepcion y envıo de datos se ha realizado directamente con las ranuras para los

mismos. En pocas palabras, no fue necesaria la utilizacion de los SCC ya que sus utilidades

no coincidieron con nuestras necesidades.

5.1 Tarjeta de adquisicion de datos SC-2345 de NI 71

En la figura 5-4, se resaltan con un punto rojo las ranuras de los modulos SCC utilizadas.

Figura 5-4: Con una marca roja se resaltan las ranuras utilizadas de la tarjeta de adquisicion

de datos, para el envıo y recepcion de las senales de control desde LabView hacia

las maquinas y viceversa.

La tabla 5-1 describe cada ranura resaltada en la figura 5-4, a que maquina va conectada,

si es senal de entrada o salida y si es digital o analogica.


Ranura Funcionalidad – descripcion

J1

(Entrada) Ranura utilizada para leer la posicion de la capacitancia serie en terminos de

voltaje, este valor es tomado del pin 23 del conector DB25 del sintonizador ATN-5 (ver

tabla 3-5), Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J2

(Entrada) Ranura utilizada para leer la posicion de la capacitancia paralelo en terminos

de voltaje, este valor es tomado del pin 11 del conector DB25 del sintonizador ATN-5 (ver

tabla 3-5) . Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J4

(Entrada) Ranura utilizada para obtener el valor de la potencia incidente, este valor es

tomado del pin 8 del conector DB15 del generador RF (ver tabla 3-2). Esta ranura esta

asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J5

(Entrada) Ranura utilizada para obtener el valor de la potencia reflejada, este valor es

tomado del pin 7 del conector DB15 del generador RF (ver tabla 3-2). Esta ranura esta

asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J6

(Entrada)Ranura utilizada para obtener el valor en tension arrojado por el sensor de

magnitud, este valor es tomado del pin 1 del conector DB15 del sintonizador ATN-5 (ver

tabla 3-4).Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J7

(Entrada)Ranura utilizada para obtener el valor en tension arrojado por el sensor de fase,

este valor es tomado del pin 2 del conector DB15 del sintonizador ATN-5 (ver tabla 3-4).

Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J8

(Entrada) Ranura utilizada para obtener el valor de la potencia entregada por la fuente

RF. Esta ranura se conecta a la salida del amplificador operacional que adecua la salida

del PSoC. Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 8 de la figura 5-6.

J9 a

J13

(Salidas) Ranuras utilizada para enviar un arreglo de 5 bits al PSoC y realizar el control

de la potencia enviada por la fuente RF. Estas ranuras estan asociadas al DAQ resaltado

con el numero 3 de la figura 5-6.

J14

(Salida) Ranura utilizada para el envıo de una senal binaria. Dicha senal corresponde al

control remoto de activacion o desactivacion de la salida RF en el generador y se conecta

al pin 2 del DB15 del mismo (ver tabla 3-2). Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado

con el numero 6 de la figura 5-6

J15

(Salida) Ranura utilizada para el envıo de una senal binaria. Dicha senal corresponde al

control remoto de activacion o desactivacion del modo remoto en el generador RF. Esta

ranura se conecta al pin 15 del conector DB15 del generador RF (ver tabla 3-2). Esta

ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 5 de la figura 5-6

J17

(Salida) Ranura utilizada para realizar la accion de control sobre la capacitancia paralelo.

Este valor es tomado del pin 13 del conector DB25 del sintonizador ATN-5 (ver tabla

3-5).Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 15 de la figura 5-6

J18

(Salida) Ranura utilizada para realizar la accion de control sobre la capacitancia serie.

Este valor es tomado del pin 12 del conector DB25 del sintonizador ATN-5 (ver tabla

3-5).Esta ranura esta asociada al DAQ resaltado con el numero 17 de la figura 5-6

Tabla 5-1: Descripcion de las ranuras utilizadas y marcadas en la figura 5-4.

5.2 Desarrollo en LabView 8.5 73

5.2. Desarrollo en LabView 8.5

Se disena una plantilla en LabView 8.5 desde la cual se realiza la recepcion y envıo de los

datos remotos de los equipos. Esta consta de dos partes: Interfaz de usuario (ıtem 5.2.1.) y

Logica interna (ıtem 5.2.2.).

Todo lo anterior se refleja de las actividades de: 1. Adquisicion, interaccion y conocimiento

de la herramienta de programacion LabView y 2. Diseno de una interfaz de interaccion de

LabView con la tarjeta de adquisicion de datos.

5.2.1. Interfaz de usuario

La figura 5-5 muestra la interfaz de usuario disenada, en donde cada elemento que se puede

visualizar en la imagen cumple una funcionalidad particular, por ejemplo: realizar la ha-

bilitacion del mando de control remoto, habilitar la salida del generador RF, realizar las

variaciones de prueba de los servomotores, los cuales a su vez alteran el valor de la capaci-

tancia e inductancia de la red de acople, etc.

Figura 5-5: Interfaz de usuario disenada en LabView 8.5

La tabla 5-2 describe cada uno de los elementos resaltados en la figura 5-5, basicamente su

funcionalidad.


Numero de

elementoFuncionalidad - descripcion

1

Este elemento es un conmutador o switch que permite, desde la interfaz de

usuario, activar o desactivar el modo de funcionamiento remoto del generador

RF. Si el switch esta activo el modo remoto se activa, de lo contrario es el modo

manual el que esta activo en el generador.

2

Este elemento es un conmutador o switch que permite, desde la interfaz de

usuario, habilitar o deshabilitar la salida de la senal del generador. Si el switch

esta desactivado la salida del generador tambien y viceversa.

3

Este elemento es un boton que interrumpe todo el proceso de envıo de senales

hacia la tarjeta de adquisicion de datos. Adicionalmente tiene una logica interna

implementada que permite mandar instantaneamente a 0V la salida que

controla la variacion de potencia.

4Este elemento simula una perilla con la cual se manipula la potencia

transmitida por la fuente RF desde la interfaz de usuario.

5Este elemento es un indicador visual que muestra cuanta potencia esta siendo

transmitida por la fuente RF.

6Este elemento es un indicador visual que muestra cuanta potencia esta

incidiendo en la carga.

7Este elemento es un indicador visual que muestra cuanta potencia se esta

reflejando hacia el generador.

8Indicador numerico en el cual se muestra el valor arrojado por el sensor de

magnitud

9 Indicador numerico en el cual se muestra el valor arrojado por el sensor de fase

10

Indicador visual tipo LED el cual se enciende cuando la potencia reflejada a

superado el maximo valor soportado por la fuente RF (60W), se detiene la

transmision de potencia

Tabla 5-2: Descripcion de los elementos de la interfaz de usuario, figura 5-5.

5.2.2. Logica interna

La figura 5-6 muestra el prototipo de logica interna disenada. De la misma forma que la

interfaz de usuario, cada elemento que se visualiza en la logica interna del programa cumple

una funcionalidad particular, como tomar la informacion que se plasme o manipule en la

interfaz de usuario y realizar el envıo de la misma hacia las ranuras de la tarjeta de adqui-

sicion o viceversa. Para tal fin se hace uso principalmente de modulos asistentes DAQ.

Estos DAQ (modulo de digitalizacion) son asistentes que, bien sea, digitalizan o convierten a


analogica cualquier senal, adecuandola a niveles establecidos y compatibles, para finalmente

enviar o recibir de las ranuras de la tarjeta de adquisicion.

Figura 5-6: Logica interna disenada en LabView 8.5

La tabla 5-3 describe cada uno de los elementos resaltados en la figura 5-6, basicamente su

funcionalidad. Cabe agregar que los recuadros de color gris de la figura representan ciclos

continuos de ejecucion del programa, es decir que lo que se encuentra dentro de los ciclos se

va a repetir indefinidamente durante el tiempo de ejecucion del programa.

Numero

de

elemento

Funcionalidad - descripcion

1 Modulo que toma la senal binaria que corresponde al dato establecido en el

conmutador “Habilitar Modo Remoto”de la interfaz de usuario. Puede utilizar

dicha senal para, en este caso, enviarla hacia un DAQ.


conmutador “Habilitar RF”de la interfaz de usuario. Puede utilizar dicha senal

para, en este caso, enviarla hacia un DAQ


3 Arreglo de 5 bits que permite a traves del DAQ enviar los datos requeridos por el

PSoC para definir el valor de potencia que va a entregar la fuente RF


conmutador STOP de la interfaz de usuario para detener la ejecucion del proceso

5 y 6 Dos modulos DAQ que realizan el envıo de las senales almacenadas en los modulos

Habilitar control remoto y habilitar RF hacia dos distintas ranuras en la tarjeta de

adquisicion de datos. Estos modulos deben configurarse para manejar datos de

salida.

7 Arreglo que valida si la potencia reflejada llega a 60W que es el maximo valor

soportado por la fuente, dado el caso enciende el LED “Alarma de Potencia

Maxima Reflejada.en la interfaz de usuario y detiene el envio de potencia.

8 DAQ que recibe las senales de entrada, estas son distribuidas por un multiplexor

para ser operadas por los otros modulos y presentadas en la interfaz de usuario

9 Modulo que toma una de las senales de entrada de la tarjeta de adquisicion de

datos (potencia incidente) y la transforma para presentarla en la interfaz de

usuario.

10 Modulo que toma la senal de entrada de la tarjeta de adquisicion de datos

(potencia reflejada)y la transforma para presentarla en la interfaz de usuario.

11 Modulo que toma la senal de entrada de la tarjeta de adquisicion de datos (sensor

de magnitud) y la presenta en la interfaz de usuario.

12 Modulo que toma la senal de entrada de la tarjeta de adquisicion de datos (sensor

de fase) y la presenta en la interfaz de usuario.

13 Modulo que toma la senal de entrada de la tarjeta de adquisicion de datos

(potencia suministrada por la fuente RF) y la presenta en la interfaz de usuario.

14 Secuencia logica que se encarga de operar parametros de entrada primordiales para

el proceso de acople conforme a lo presentado en el diagrama de flujo mostrado en

la imagen 5-17

15 DAQ que se encarga de transmitir la accion de control al servomotor que gobierna

el comportamiento de la capacitancia serie.

16 DAQ que recopila la informacion de las diferentes variables durante el tiempo en el

que el proceso de sputtering es llevado a cabo y las exporta en un documento.

17 DAQ que se encarga de transmitir la accion de control al servomotor que gobierna

el comportamiento de la capacitancia paralelo.

Tabla 5-3: Descripcion de los elementos de la logica interna, figura 5-6.


5.2.3. Programacion del microcontrolador PSoC 5 para establecer la

cantidad de potencia enviada en el generador RF hacia la

camara o carga.

Para la implementacion completa de manipulacion remota del generador y en particular,

para establecer desde dicho modo el valor de potencia a enviar desde el generador hacia la

carga, se utilizo un microsontrolador PSoC5 (Referencia CY8C3866AXl-040, ver figura 5-7).

Figura 5-7: Microcontrolador PSoC 5 - CY8C3866AXl-040.

El esquema del proyecto, utilizando la herramienta software PSoC Creator 3.1, la ubicacion

de cada pin utilizado y el codigo implementado en dicha herramienta se muestran en las

figuras 5-8, 5-10 y 5-10 respectivamente.

Figura 5-8: Esquema de proyecto utilizado para programar el PSoC 5.


Figura 5-9: Esquema de mapa de pines del PSoC 5.

Figura 5-10: Codigo implementado para la programacion del PSoC 5.


Los pines P0(0), P0(1), P0(2), P0(3) y P0(4), de la figura 5-9, van directamente conectados

a las ranuras J9, J10, J11, J12 y J13 de la tarjeta de adquisicion de datos NI, respectivamente

(Ver figura 5-4).

Ası, se programa el microcontrolador de tal forma que lea cinco entradas tipo digitales y en

funcion de las mismas establezca un valor de tension de salida en el pin Volt2 (Ver figura 5-4)

entre 0 y 4,08V . Este valor de tension se aplica a una ecuacion matematica implementada

con un amplificador operacional (Ver figura 5-11), dicha ecuacion es: VRF = 1,226 ∗ V olt2,donde VRF corresponde a la tension que controla de forma remota la cantidad de potencia

que va a enviar el generador RF hacia la camara o carga.

Figura 5-11: Diseno de la ecuacion matematica con amplificador operacional LF353.

Una vez implementada dicha ecuacion, la salida del operacional se conecta al pin 3 del DB15

del generador RF (Ver tabla 3-2).


5.2.4. Metodo implementado para la accion de acople y maxima

transferencia de potencia entre el generador RF y la camara de

vacıo

Se ha buscado una accion de control dinamica para ejercer sobre las posiciones de los ser-

vomotores (lo cual esta en directa relacion con los valores de capacitancia e inductancia del

acople), con el fin de garantizar la maxima transferencia de potencia a la camara de Sputte-

ring (plasma).

Dentro de las diversas investigaciones, se encontro un metodo bastante practico y sencillo.

Este metodo corresponde a lo que describe el artıculo de la referencia [46]. En la figura 5-12

se muestra, a grosso modo, en que consiste la accion de control.

Figura 5-12: Relacion entre las salidas de los detectores y los cambios de capacitancia [46].

Segun lo que se puede evidenciar en la figura 5-12 y nuestros analisis realizados, indican

que las senales de salida de los detectores de fase y magnitud dentro del sintonizador ATN-5

estan en estrecha relacion con el valor de la capacitancia en serie (que en realidad consiste

en el valor de inductancia resultante) y la capacitancia en paralelo, respectivamente.


Es decir que, la fase (relacion o diferencia de fase entre lo que entrega la fuente RF y lo que

llega a la carga) es mas dependiente del valor que exista en la capacitancia en serie (que en

definitiva equivale a inductancia resultante) y la magnitud (o relacion de magnitud entre la

que entrega la fuente y la que recibe la carga) es mas dependiente del valor de capacitancia


Ası pues, como accion de control dinamica del sistema se plantea, despues de la debida cali-

bracion de los sensores de fase y magnitud (es por esto que se ha hecho de vital importancia

lo mencionado en el ıtem 4.1.1.1.), interpretar e identificar las salidas de los sensores de

fase y magnitud y en funcion de su polaridad (positiva + o negativa -) realizar bien sea un

incremento (en caso de que sea polaridad positiva) o una disminucion (en caso de que sea

polaridad negativa) en la posicion de los servomotores, segun corresponda: si es el sensor de

fase directamente afecta a la capacitancia en serie y si es el sensor de magnitud directamente

afecta a la capacitancia en paralelo.

Es aquı donde podremos revisar cuales son las condiciones que permiten establecer parame-

tros para maxima transferencia de potencia en el tiempo, entre la fuente RF y el plasma de

la camara de Sputtering RF.

A continuacion se describe a detalle el analisis que se ha llevado a cabo, desde un punto de

vista matematico, electrico y analıtico, para comprobar y explicar el por que sucede dicha

coincidencia de la tabla mostrada en la figura 5-12. De esta forma logramos brindar una

sencilla accion de control dinamica al proceso de Sputtering RF y comprobar la coincidencia

mostrada en la figura en mencion.

5.2.4.1. Analisis matematico, electrico y analıtico que describe la coincidencia

mencionada en el metodo de accion de acoples dinamico

El proceso de Sputtering RF, desde un punto de vista esquematico electrico, es como muestra

la figura 5-13.


Figura 5-13: Esquema electrico del sistema de Sputtering RF.

Donde A es la senal a 13,56MHz y de potencia variable de salida del generador RF ,

RG = 50Ω es la resistencia interna que presenta el generador C es el capacitor en para-

lelo de la red de acople, L es la bobina en serie de la red de acople y ZL = jXL + RL

equivale a la impedancia que presenta el plasma.

Ahora, pasando a terminos de fase el esquema electrico de la figura 5-13, se tiene el esquema

de la figura 5-14.

Figura 5-14: Esquema electrico del sistema de Sputtering RF, en terminos de fase.

En la figura 5-14 hay que tener presente que se ha combinado la reactancia (que suponemos

es tipo capacitiva) del plasma con la reactancia inductiva de la bobina en serie dando como

resultado a jX.

Por lo tanto, dada la figura 5-14, se tiene que:

jX = jωL− jXL (5-1)


jB = − 1

jωC(5-2)

Ahora bien, lo que se pretende es calcular es la magnitud y la fase de la tension VL que llega

a la parte real de la carga, es decir a RL. Inicialmente se calcula la tension Va, sabiendo que

esta es equivalente a lo que muestra la figura 5-15.

Figura 5-15: Esquema electrico reducido del sistema de Sputtering RF.

Por lo tanto, la tension VA es:

Va =A 6 0o ∗REQ1

RG +REQ1

(5-3)

Donde:

REQ1 = (RL + jX)//(jB) (5-4)

Conociendo la tension Va, se simplifica el circuito como muestra la figura 5-16.


Figura 5-16: Esquema electrico simplificado.

Por lo tanto:

VL =Va ∗RL

RL + jX(5-5)

Reemplazando 5-3 en 5-5:

VL =

A 6 0o∗REQ1

RG+REQ1

∗RL

RL + jX(5-6)

Tomando 5-4 y reemplazando en 5-6:

VL =

A 6 0o∗(RL+jX)//(jB)RG+(RL+jX)//(jB)

∗RL

RL + jX(5-7)

Desarrollando la ecuacion 5-7, se obtiene:

VL =A6 0oRL(−BX + jRLB)

RG(RL)2 − 2RLBX −RGBX −RGX2 + j((RL)2B − BX2 + 2RLRGX +RLRGB)

(5-8)

La ecuacion 5-8 representa el valor de tension que llega a la parte real de la carga del sistema,

ahora; calculando la magnitud y el angulo de dicha tension obtenemos las ecuaciones 5-9

(Magnitud) y 5-10 (Fase) respectivamente.

|VL| =ARL

√

(BX)2 + (RLB)2√

(RG(RL)2 − 2RLBX −RGBX −RG(X)2)2 + ((RL)2B − BX2 + 2RLRGX +RLRGB)2


(5-9)

6 VL = arctan (RL

−X )− arctan ((RL)

2BX2 + 2RLRGX +RLRGB

RG(RL)2 − 2RLBX −RGBX −RGX2) (5-10)

Finalmente las expresiones 5-9 y 5-10, representan la magnitud y el angulo de la tension que

llega a la parte real de la carga, respectivamente.

Ahora bien, si se observa con detenimiento la ecuacion 5-9, se evidencia notablemente que

uno de los terminos que mas influye en el valor de magnitud es el termino B, el cual corres-

ponde a la reactancia del condensador en paralelo de la red de acople.

Por otra parte, si se observa con detenimiento la ecuacion 5-10, se evidencia notablemente

que uno de los terminos que mas influye en el valor del angulo es el termino X, el cual

corresponde a la reactancia resultante de la suma entre la reactancia que presenta el plasma

y la reactancia que presenta la bobina de la red de acople.

Con el analisis descrito es bastante adecuado el modelo de accion de acople mostrado en la

figura 5-12, puesto que se ha podido demostrar de forma analıtica que en realidad existe

esa coincidencia entre los valores de magnitud y fase con los valores de capacitancia e induc-

tancia respectivamente. Siendo estas ultimas dependientes de la posicion de los servomotores.

Como prueba de simulacion, para corroborar el analisis descrito y el correcto funcionamiento

del modelo de accion de acople mostrado en la figura 5-12, se ha desarrollado un esquema

simple utilizando Excel 2010, el cual consta del modelo electrico, dadas unas condiciones

iniciales, las cuales se muestran en la tabla 5-4. Allı se evidencian los valores de RG,RL,XL,

f y los valores de referencia de fase y magnitud.

Variable Condicion inicial

RG 5Ω

RL 5Ω

XL 5Ω

ZL 5Ω

A, referencia 4, 5 (asumiendo perdidas del 5%)6 A, referencia 0o

f 13,56MHz

A, amplitud

teorica5

Tabla 5-4: Condiciones iniciales a las variables particulares para la simulacion.


Implementando las ecuaciones 5-9 y 5-9 se calculan la magnitud y fase que llega a la carga,

posteriormente se realiza una sentencia de comparacion entre los valores resultantes y los

valores de referencia. Con el resultado de dicha comparacion se alteran los valores iniciales

de capacitancia e inductancia; si resulta una fase menor a la de referencia se aumenta el valor

de inductancia y viceversa y si resulta una magnitud menor a la de referencia se aumenta el

valor de capacitancia y viceversa.

Y ası sucesivamente el programa vuelve a calcular la fase y magnitud con los nuevos valores

de inductancia y capacitancia, hasta que la fase y la magnitud converjan a los valores de

referencia obteniendo o garantizando un acople electromagnetico. El diagrama de flujo que

muestra la figura 5-17 muestra de forma visual el algoritmo descrito.

Figura 5-17: Diagrama de flujo del algoritmo de simulacion implementado en Excel.

Lo que se ha descrito se realiza durante una cantidad considerada de tiempos de simulacion.

Los resultados preliminares son como muestran las figuras 5-18, 5-19, 5-20 y 5-21 en las

cuales se puede apreciar que el mecanismo en mencion puede lograr una accion de acople

dinamica y sencilla que repercute en garantizar acople entre el generador y la carga (plasma).


Figura 5-18: Comportamiento de la tension en la carga, fase.

Figura 5-19: Comportamiento de la tension en la carga, magnitud.


Figura 5-20: Comportamiento simulado de la inductancia de la red de acople.

Figura 5-21: Comportamiento simulado de la capacitancia de la red de acople.

6 Resultados obtenidos

De forma preliminar se muestran algunas imagenes, tanto de aspectos fısicos del sistema

como de los resultados obtenidos.

Figura 6-1: Conexion general del sistema.

90 6 Resultados obtenidos

Ilustracion del programa

implementado en LabView.

Conexion entre el generador RF, la

tarjeta de adquision de datos, el

sintonizador ATN-5 y la red de acople

tipo L.

Implementacion sobre la tarjeta de

adquisicion de datos.

Camara de Sputtering con magnetron.

Figura 6-2: Ilustraciones del sistema fısico implementado (I)

91

Plasma generado dentro de la camara

de vacıo.

Plasma generado dentro de la camara

de vacıo con magnetron.

Figura 6-3: Ilustraciones del sistema fısico implementado (II)

A continuacion se muestra graficamente los resultados, asociados a dos pruebas realizadas

sobre el funcionamiento del sistema, de las variables mas relevantes del sistema; Capacitancia

en serie (en terminos de tension), capacitancia en paralelo (en terminos de tension), sensor

de fase (valor entre -1 y 1), sensor de magnitud (valor entre -1 y 1) y potencia reflejada (en

vatios).

Cabe agregar que, sin abundar en detalles, solo se escogieron mostrar dichas dos pruebas

debido a sus resultados obtenidos mas no a las condiciones iniciales en las cuales se realizaron,

las cuales no son de relevancia para nuestro analisis.


6.1. Prueba 1

Figura 6-4: Valor del sensor de Magnitud vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1.

Figura 6-5: Valor del sensor de fase vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1.

6.1 Prueba 1 93

Figura 6-6: Valor representativo en voltios, de la capacitancia en paralelo de la red de acople

vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1.

Figura 6-7: Valor representativo en voltios, de la capacitancia en serie de la red de acople



Figura 6-8: Potencia reflejada hacia el generador RF en Vatios vs. el tiempo de ejecucion

de la prueba 1.

Para lo anterior se realizo la prueba con los parametros descritos en la tabla 6-1.

Parametro Valor

Potencia

enviada100W

Presion de

trabajo2,5x10−3

Presion del

tanque

dosificador

130KPa

Presion de la

turbo6,7x10−5

Tabla 6-1: Parametros establecidos para la ejecucion de la prueba de Sputtering RF.

6.2 Prueba 2 95

6.2. Prueba 2

Figura 6-9: Valor del sensor de Magnitud vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2.

Figura 6-10: Valor del sensor de fase vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2.


Figura 6-11: Valor representativo en voltios, de la capacitancia en paralelo de la red de

acople vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2.

Figura 6-12: Valor representativo en voltios, de la capacitancia en serie de la red de acople


6.2 Prueba 2 97

Figura 6-13: Potencia reflejada hacia el generador RF en Vatios vs. el tiempo de ejecucion

de la prueba 2.

Para lo anterior se realizo la prueba con los parametros descritos en la tabla 6-2.

Parametro Valor

Potencia

enviada120W

Presion de

trabajo4,7x10−3

Presion del

tanque

dosificador

120KPa

Presion de la

turbo6x10−5

Tabla 6-2: Parametros establecidos para la ejecucion de la prueba de Sputtering RF.


6.3. Analisis de resultados

Se puede apreciar en la figuras 6-4 y 6-9, las cuales representan el valor obtenido del sensor

de magnitud en cada prueba, que el comportamiento grafico de dicho valor tiende a cero

durante el tiempo de ejecucion de las mismas. Esto ultimo implica que el diferencial de am-

plitud entre la potencia que se envıa hacia la carga y la recibida por la misma, disminuye.

Lo anterior coincide con el proposito de garantizar un acople entre la fuente RF y la carga,

el cual es disminuir dicho diferencial y garantizar que en la carga se entregue la mayor parte

posible de la amplitud enviada desde la fuente, en un caso de tipo ideal el cien por ciento de

la magnitud enviada.

Se puede apreciar en las figuras 6-5 y 6-10, las cuales representan el valor obtenido del

sensor de fase en cada prueba, que el comportamiento grafico de dicho valor tiende a cero

durante el tiempo de ejecucion de las mismas. Esto ultimo implica que el diferencial de fase

entre la potencia que se envıa hacia la carga y la recibida por la misma, disminuye. Lo ante-

rior coincide con el proposito de garantizar un acople entre la fuente RF y la carga, el cual

es disminuir dicho diferencial y garantizar que en la carga se entregue una senal cuya fase

coincida en gran medida con la senal enviada desde la fuente, en un caso de tipo ideal que

no exista desfase entre senal enviada y recibida.

Las figuras 6-6 y 6-11 representan, en terminos de voltaje, la posicion de la capacitancia en

paralelo de la red de acople durante el tiempo de ejecucion de las pruebas y las figura 6-7

6-12 representan la posicion de la capacitancia en serie, en terminos de voltaje. Se puede

apreciar en dichas figuras que las posiciones de las capacitancias cambian en respuesta de la

busqueda de acoplar la fuente RF con la camara de Sputtering. Una vez el sistema encuentre

el punto de acople, la posicion de las capacitancias se va a mantener alrededor de un valor

particular. Dicho valor esta en dependencia de los parametros establecidos para la ejecucion

de la prueba.

Una de las finalidades primordiales que debe caracterizar a un acople de impedancias es

evitar que se presente un flujo de energıa reflejada hacia una fuente, las figuras 6-8 y 6-13

representan, para ambas pruebas descritas, la cantidad de potencia que se esta reflejando

hacia el generador RF en funcion del tiempo de ejecucion de las mismas. Ası pues, se pue-

de apreciar en dichas figuras que el valor de la potencia reflejada disminuye en funcion del

tiempo, lo cual nos da un buen indicio de que el sistema tiende a cumplir con dicha finali-

dad primordial disminuyendo la cantidad de potencia reflejada hasta aproximadamente cero

vatios.

7 Impactos y aportes

En primera instancia se contribuye en gran medida al grupo de investigacion Grupo de

Pelıculas Delgadas y Nanofotonica de la Pontificia Universidad Javeriana, para que con este

aporte se pueda lograr un acercamiento y produccion de cualquier tipo de experimento que

requiera pulverizacion catodica RF.

Dentro de dichos experimentos se encuentra, en particular, el de produccion y caracteriza-

cion de capas delgadas de titanio modificado, dedicadas al endurecimiento de superficies de

metal, en especial de acero inoxidable y a sustratos para fotocatalisis.

Se realiza un gran aporte de conocimiento experimental y funcional, en referencia a los dispo-

sitivos y metodologıas descritas en este documento como: Pulverizacion catodica RF, control

remoto de dispositivos asociados a un Sputtering RF haciendo uso de LabView, desarrollo

de un metodo programado que emula una actuacion automatica de los dispositivos dentro

de una red de acople (capacitancia e inductancia) para garantizar la mejor transferencia de

potencia en tiempo real, entre otros.

Se espera como proyecto a futuro implementar pulverizaciones catodicas haciendo uso de

combinaciones entre fuentes de energıa y tipos de pulverizaciones, como por ejemplo: Pulve-

rizacion catodica con RF, DC y magnetron.

La propuesta experimental descrita en este documento permite que cualquier persona que

requiera hacer uso controlado de la pulverizacion catodica RF pueda hacerlo unicamente

encendiendo los dispositivos relacionados y manejando la interfaz grafica de usuario en Lab-

View, esto sin duda facilitara al investigador realizar pruebas de Sputtering RF de una forma

practica y simple.

8 Conclusiones

Conforme a lo propuesto en este trabajo de grado se ha logrado desarrollar e implementar un

sistema que le brinda al usuario final una facilidad para el uso y puesta en funcionamiento de

un sistema de Sputtering RF o para una investigacion asociada al mismo. Lo anterior debido

a que la interfaz disenada con LabView le brinda al usuario un esquema que visualmente es

simple y concreto.

Este trabajo de grado promueve la investigacion en diversos temas que no son comunmente

conocidos y son de interes en diversos campos de estudio. Los temas en mencion se pueden

asociar a la investigacion sobre el plasma, la deposicion de pelıculas de materiales fuertes y

aislantes, ası como la deposicion basada en combinaciones simultaneas de fuentes de energıa,

la automatizacion de procesos basada en el control remoto de dispositivos, entre otros.

En funcion de los resultados obtenidos de todas las pruebas realizadas, se puede inferir una

singularidad de uno de los componentes caracterısticos del plasma, su impedancia.En parti-

cular, son los resultados asociados al posicionamiento de las capacitancias dentro de la red

de acople tipo L en el transcurrir de cada prueba (ver figuras 6-6, 6-7, 6-11 y 6-12), los

que nos permiten resaltar e inferir que que el comportamiento de la impedancia del plasma

en principio es variable (al mismo tiempo que la red de acople esta intentando sintonizar el

sistema), pero al final posee un comportamiento fijo, es decir se proyecta a tener un valor

respectivo. Todo lo anterior se deduce debido a que la posicion de las capacitancias tiende a

ser un valor fijo, por ende, se puede inferir que la impedancia del plasma tambien.

Una interpretacion directa sobre la topologıa de la red de acople permite estimar otra sin-

gularidad del comportamiento, en terminos de impedancia, del plasma. Debido a que dicha

topologıa es tipo L paralelo-serie, segun la teorıa descrita en el capitulo 2 seccion 2.10.1, el

factor de calidad Q requiere que la relacion RS/RP (ver figura 2-11) sea mayor a 1 para que,

en un sentido logico, sea posible implementar dicho acople de la forma paralelo-serie. Ahora

bien, RS representarıa la parte real de la impedancia del generador RF y RP la parte real

de la impedancia del plasma, en este caso. Ası pues, la interpretacion directa que brinda la

red de acople es concluir que la parte real de la impedancia que puede presentar el plasma,

sin importar las variables iniciales del Sputtering RF, debe ser en todo instante de tiempo

menor a 50Ω (impedancia interna del generador RF).

101

Segun resultados obtenidos, se logra interpretar que la impedancia electrica del plasma esta

en relacion o dependencia de los parametros que se establezcan para la ejecucion de cada

prueba (Potencia enviada, presion de trabajo, presion del tanque dosificador, presion de la

turbo, tipo de gas inerte, distancia entre el blanco y el sustrato). No obstante no se puede

inferir o estimar que parametros influyen mas o menos en dicho valor de impedancia carac-

terıstica del plasma.

Es necesario aclarar que el metodo implementado para establecer y poder garantizar la mejor

transferencia de potencia en el tiempo entre el generador RF y la camara de vacıo (plasma),

no se basa en la obtencion de valores especıficos o nominales asociados a cada componente,

sino en establecer un mecanismo que permita obtener o acercarse al menor error asociado

tanto a fase como a magnitud, entre la senal que es enviada desde el generador y la que es

recibida en la carga (camara o plasma). Para lo anterior se toman como referencia los valores

de tension arrojados por los sensores de fase y magnitud, quienes son los que, en definiti-

va, arrojan un valor que se puede interpretar como un diferencial de error, ya sea entre fase

enviada y recibida (sensor de fase) o entre magnitud enviada y recibida (sensor de magnitud).

El proyecto implementado y descrito en este documento, si bien satisface la necesidad pri-

mordial de garantizar la mejor transferencia de potencia en el tiempo y permite el uso del

generador RF para hacer Sputtering, no es indicado afirmar que se haya logrado garantizar la

MAXIMA transferencia de la misma. Lo anterior debido a que en los resultados obtenidos y

debido al mecanismo implementado, se obtiene un estado estable pero oscilante en referencia

a la potencia reflejada hacia el generador RF, al cual no es mucha y es, en terminos relativos,

muy pequena. Ademas, es un concepto muy idealizado el de lograr entregar absolutamente

toda la potencia enviada desde una fuente de energıa hacia un receptor, esto sucederıa solo

en un caso ideal con componentes ideales y condiciones ideales, pero en la naturaleza no se

presentan dichos escenarios. Sin embargo a posterior se podrıa establecer algun mecanismo

o modelo adicional que pueda mejorar lo mencionado.

Lista de Figuras

2-1. Morfologıas de lamina resultante. [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2-2. Proceso de colision de partıculas. [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2-3. Clasificacion de lo sistemas de vacıo. [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2-4. Esquema de las diferentes configuraciones de Magnetron Sputtering. [20]. . . 15

2-5. Sub-rangos y aplicaciones de la radiofrecuencia. [33]. . . . . . . . . . . . . . 18

2-6. Elementos fundamentales de un sistema de comunicacion. [34]. . . . . . . . . 18

2-7. Composicion de un cable coaxial. [35]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2-8. Vista frontal de un cable coaxial. [34]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2-9. Flujo de lıneas de campo electrico E y campo magneticoH en un cable coaxial.

Tomada de [34]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2-10.Circuito equivalente para analizar una lınea de transmision con parametros

distribuidos. [34]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2-11.Esquema del diseno de una red de acople tipo L. [38]. . . . . . . . . . . . . . 25

2-12.Red de acople de impedancias tipo pi. [38]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2-13.Acople tipo Pi visto como dos acoples tipo L. [38]. . . . . . . . . . . . . . . . 27

2-14.Red de acople de impedancias tipo T. [38]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2-15.Acople tipo T visto como dos acoples tipo L. [38]. . . . . . . . . . . . . . . . 28

2-16.Adaptacion de impedancias usando (a) STUB en paralelo (b) stub en serie. [37]. 30

2-17.Adaptacion de doble STUB, (a) Circuito con carga a una distancia arbitraria

desde el primer STUB, (b) Circuito equivalente con carga transformada al

primer STUB. [37]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2-18.Transformador de λ/4. [37]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2-19.Esquema del acople RF tipo L para un proceso de sputtering RF. [25]. . . . 33

3-1. Parte frontal del generador RF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3-2. Parte posterior del generador RF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3-3. Diagrama de bloques de estructura interna del generador RF. [43] . . . . . . 39

3-4. Parte frontal del sintonizador ATN-5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3-5. Parte posterior del sintonizador ATN-5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3-6. Parte frontal de la red electromagnetica tipo L. . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3-7. Parte posterior de la red electromagnetica tipo L. . . . . . . . . . . . . . . . 48

3-8. Parte superior de la red electromagnetica tipo L. . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3-9. Parte interna de la red de acople electromagnetico tipo L, controlador resaltado. 49

Lista de Figuras 103

3-10.Parte interna de la red de acople electromagnetico tipo L, inductancia y ca-

pacitancias resaltadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3-11.Cable coaxial RG-213, para la transmision de energıa entre el generador RF

y la red de acople tipo L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3-12.Conector tipo DB15 para el envıo y recepcion de senales de control entre el

sintonizador ATN-5 y la red de acople tipo L . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4-1. Elementos adquiridos para la construccion de carga de calibracion . . . . . . 56

4-2. Esquema electrico para carga de 50Ω a 600W , primer modelo planteado. . . 57

4-3. Tendencia aproximada del comportamiento de las resistencias ceramicas en

funcion de la frecuencia, parte resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4-4. Tendencia aproximada del comportamiento de las resistencias ceramicas en

funcion de la frecuencia, parte inductiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4-5. Esquema electrico para carga de 50Ω a 600W , prototipo final. . . . . . . . . 60

4-6. Carga de calibracion construida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4-7. Base construida de sustrato FR4 de dimensiones 27cmx11cm. . . . . . . . . 62

4-8. Base con resistencias ceramicas soldadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4-9. Cable coaxial RG-214 ponchado con conectores tipo HN machos . . . . . . . 65

4-10.Conector fabricado y adecuado tipo DB15, para la tranmision de senales entre

el generador RF y la tarjeta de adquisicion de datos. . . . . . . . . . . . . . 66

4-11.Conector fabricado y adecuado tipo DB25, para la trasmision de senales entre

el sintonizador ATN-5 y la tarjeta de adquisicion de datos . . . . . . . . . . 66

4-12.Sistema de aire a presion, de 0 a 200psi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4-13.Adaptadores y mangueras para el sistema de refrigeracion con aire a presion 67

4-14.Sistema de aire a presion, de 0 a 200psi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5-1. Tarjeta de adquisicion de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5-2. PC de mesa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5-3. Modulo SCC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5-4. Con una marca roja se resaltan las ranuras utilizadas de la tarjeta de ad-

quisicion de datos, para el envıo y recepcion de las senales de control desde

LabView hacia las maquinas y viceversa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5-5. Interfaz de usuario disenada en LabView 8.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5-6. Logica interna disenada en LabView 8.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5-7. Microcontrolador PSoC 5 - CY8C3866AXl-040. . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5-8. Esquema de proyecto utilizado para programar el PSoC 5. . . . . . . . . . . 77

5-9. Esquema de mapa de pines del PSoC 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5-10.Codigo implementado para la programacion del PSoC 5. . . . . . . . . . . . 78

5-11.Diseno de la ecuacion matematica con amplificador operacional LF353. . . . 79

5-12.Relacion entre las salidas de los detectores y los cambios de capacitancia [46]. 80

5-13.Esquema electrico del sistema de Sputtering RF. . . . . . . . . . . . . . . . . 82

104 Lista de Figuras

5-14.Esquema electrico del sistema de Sputtering RF, en terminos de fase. . . . . 82

5-15.Esquema electrico reducido del sistema de Sputtering RF. . . . . . . . . . . 83

5-16.Esquema electrico simplificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5-17.Diagrama de flujo del algoritmo de simulacion implementado en Excel. . . . 86

5-18.Comportamiento de la tension en la carga, fase. . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5-19.Comportamiento de la tension en la carga, magnitud. . . . . . . . . . . . . . 87

5-20.Comportamiento simulado de la inductancia de la red de acople. . . . . . . . 88

5-21.Comportamiento simulado de la capacitancia de la red de acople. . . . . . . 88

6-1. Conexion general del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6-2. Ilustraciones del sistema fısico implementado (I) . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6-3. Ilustraciones del sistema fısico implementado (II) . . . . . . . . . . . . . . . 91

6-4. Valor del sensor de Magnitud vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1. . . . 92

6-5. Valor del sensor de fase vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1. . . . . . . 92

6-6. Valor representativo en voltios, de la capacitancia en paralelo de la red de

acople vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6-7. Valor representativo en voltios, de la capacitancia en serie de la red de acople

vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6-8. Potencia reflejada hacia el generador RF en Vatios vs. el tiempo de ejecucion

de la prueba 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6-9. Valor del sensor de Magnitud vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2. . . . 95

6-10.Valor del sensor de fase vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2. . . . . . . 95

6-11.Valor representativo en voltios, de la capacitancia en paralelo de la red de

acople vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2. . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6-12.Valor representativo en voltios, de la capacitancia en serie de la red de acople

vs. el tiempo de ejecucion de la prueba 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6-13.Potencia reflejada hacia el generador RF en Vatios vs. el tiempo de ejecucion

de la prueba 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Lista de Tablas

2-1. Constante de permitividad relativa de algunos materiales dielectricos. [36]. . 21

2-2. Conductividad de algunos materiales [36]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3-1. Botones, conexiones y demas fuentes de interaccion fısica del generador RF. [43]. 38

3-2. Instruccion de conexiones del manual, para el modo de operacion remoto del

generador RF. Tomada de [43]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3-3. Botones, conexiones y demas fuentes de interaccion fısica del sintonizador

ATN-5. [44]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44


sintonizador ATN-5, conector DB15. [44]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45


sintonizador ATN-5, conector DB25. [44]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3-6. Descripcion de los elementos de la red de acople electromagnetico tipo L. . . 51

4-1. Valores medidos con el LCR del comportamiento de las resistencias a 10MHz. 59

5-1. Descripcion de las ranuras utilizadas y marcadas en la figura 5-4. . . . . . . 72

5-2. Descripcion de los elementos de la interfaz de usuario, figura 5-5. . . . . . . 74

5-3. Descripcion de los elementos de la logica interna, figura 5-6. . . . . . . . . . 76

5-4. Condiciones iniciales a las variables particulares para la simulacion. . . . . . 85

6-1. Parametros establecidos para la ejecucion de la prueba de Sputtering RF. . . 94

6-2. Parametros establecidos para la ejecucion de la prueba de Sputtering RF. . . 97

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Implementación de un sistema de supervisión y control de ...

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