Pulverizador catódico - Sputtering

Universidad Nacional Autónoma de MéxicoInstituto de Energías Renovables

IER - UNAM

Depósito de películas delgadas mediantepulverización catódica (sputtering)

J. Andrés Alanís Navarro, Baudel Lara Lara,Sebastian Pathiyamattom Joseph

III Taller de Innovación fotovoltaica y celdas solares – LIFyCS22 - 26 de Abril 2013

III Taller LIFyCS (Abril 22-26, 2013) 2

Contenido1. Introducción

2. Técnicas de depósito de películas delgadas (PDs)

3. Fundamentos de depósito de PDs mediante sputtering

4. Tipos de sistemas de pulverización catódica: DC, RF

5. Resultados preliminares

6. Conclusiones

7. Práctica de laboratorio


1. Introducción





6. Conclusiones



Objetivos

Presentar un panorama general de diferentes técnicas

de depósito de películas delgadas (PDs)

Mostrar las principales características del “Sistema

Dual MVSystem” Evaporador - Pulverizador RF

(LIFyCS)


Objetivos

Explicar el principio de funcionamiento

Mostrar las principales figuras de mérito de la técnica

Presentar los principales resultados obtenidos

Realizar una práctica de laboratorio


Películas delgadas (PDs)

Una PD es una fina capa de material creada a partir de la

acumulación de átomos, moléculas o iones individuales

sobre una superficie.

El espesor típico de una PD

es menor a 10 µm.


Aplicaciones de las PDs

La tecnología de PDs se ha utilizado desde hace más de 50 años en

la fabricación de dispositivos electrónicos, como recubrimientos

ópticos, anticorrosivos y con fines decorativos.

Aunque es una tecnología establecida, su desarrollo continúa,

principalmente para su aplicación en materiales a escala

nanométrica.


Aplicaciones de las PDs

Industria electrónica, automotriz, medicina, hogar, entretenimiento, en el área de la energía (celdas solares, celdas de combustible), etc.


Etapas de crecimiento de una PD

Existen 3 pasos básicos para la formación de una PD:

Síntesis del material a depositar

Transporte del material:

fuente → substrato

Depósito y crecimiento sobre

una superficie



Transporte de los átomos o moléculas a través de un medio

Adsorción y difusión superficial de los átomos o moléculas

Nucleación de las especies



Crecimiento inicial de la película

Formación de microestructuras debido a la coalescencia de

átomos y/o moléculas

Formación de la película delgada


Interrelación de propiedades físico-químicas

Cada etapa de crecimiento depende

de la temperatura, de la tasa de

crecimiento, de la superficie del

sustrato, etc.

La combinación de estas propiedades

define las características de la

película delgada.


1. Introducción





6. Conclusiones



Técnicas de depósito de películas delgadas

Las películas delgadas se depositan sobre un sustrato por

diferentes métodos: i) físicos (PVD) y ii) químicos (CVD):

Descomposición química (CVD: Chemical Vapor Deposition)

Evaporación térmica (PVD: Physical Vapor Deposition)

Evaporación por arco de electrones (PVD)

Erosión mediante iones (PVD)

Evaporación mediante irradiación de fotones (PVD)

Etcétera


Técnicas de depósito de películas delgadas


Sumario - PVD


Criterios de selección de la técnica de depósito

Aplicación: material a depositar (metal, semiconductor,

dieléctrico)

La tasa o velocidad de depósito

El tipo de sustrato (temperatura máxima que soporta)

Adherencia entre el sustrato y la película delgada

Uniformidad y área de depósito

Pureza del material a depositar

Aspectos ambientales


Criterios de selección de la técnica de depósito


2.1 Evaporación térmica

Consiste en calentar el material hasta evaporarlo

Con esta técnica es posible depositar metales y

semiconductores de baja temperatura de fusión y ebullición:

Cu, Al, Au, Ag, Zn, Sn, Cd, Sb, Ga, Ge, CdS, CdTe, CdSe, ...

Te < 1800°C

PDs mediante procesos físicos< PVD >


Evaporación térmica

Descripción

Se utiliza una cámara de vacío (0.1 µbar)

El material a depositar coloca sobre un

material refractario (Mo, Ta, W, ...)

Se hace circular una corriente eléctrica

a través del metal refractario

La corriente eléctrica genera calor

El calor funde y evapora el material,

hasta depositarse sobre el sustrato



Tecnología de bombas de vacío: 10-4 – 10-6 mbar



Se hace circular una corriente eléctrica: I ≤ 600 A, V = 5 V

Medidor deespesor



Material - fuente Soporte

Tipos de soportes



Pureza de los materiales:

99.99% o 99.999%


1. Introducción





6. Conclusiones



PVD – Pulverización catódica (sputtering)

Historia

Groove (1852) observó una capa de metal sobre

uno de los electrodos de un sistema de descarga

luminiscente (Glow Discharge)

Inicialmente se atribuía a la evaporación del metal

Entre 1908 – 1960 algunos experimentos

demostraron que no se debía a un proceso de

evaporación sino a un proceso de erosión

He

Ne

Ar

Kr

Xe


Pulverización catódica

Historia

Una aplicación exitosa de esta técnica es en los discos compactos

para almacenar información: se deposita un recubrimiento de metal

sobre un plástico.


Clasificación

Existen distintos tipos de pulverizador catódico:

Corriente directa: CD (metales)

Corriente alterna: CA o RF (cualquier material)

Magnetrón: CD, CA o RF


Principio de funcionamiento

Es un sistema asistido por plasma de un gas inerte (Ar, Ne, He, etc.)

Plasma: gas parcialmente ionizado formado de iones, electrones,

átomos neutros y fotones de luz.

Plasma de argón

Ar, Ar+, e-, hυ



Ionización

Comienza por el impacto de electrones acelerados a través de un

campo eléctrico.

Requisito

Que la energía cinética del electrón sea mayor que la energía de

enlace del argón.


1. Introducción





6. Conclusiones



Pulverizador de CD

(1) En una cámara se introduce el sustrato y el blanco (fuente)

(2) Se vacía la cámara hasta alcanzar una presión relativa de

Pvac.

≈ 0.01 μbar ≈ 0.75 μTorr ≈ 0.1 natm

(3) Se introduce un gas inerte, Ar, N2, He, ...

PAr

≈ 10 μbar ≈ 7.5 mTorr ≈ 0.1 μatm

(4) Se hace circular una pequeña corriente eléctrica:

50 mA < I < 130 mA

P.ej., una corriente eléctrica de 60 mA proporciona P.ej., una corriente eléctrica de 60 mA proporciona ≈ 4≈ 4 x 10 x 101717 electrones electrones

en un segundo.en un segundo.



(5) Se aplica una diferencia de potencial eléctrico o voltaje entre dos

electrodos: ánodo y cátodo, separados por una distancia L

1 < ΔU < 3 kV

3 cm < L < 10 cm

100 V∙cm-1 < |Ē| < 1000 V∙cm-1

(6) En el ánodo se coloca el sustrato; en el cátodo se coloca el blanco

o material a depositar

(7) El campo eléctrico acelera a los electrones, los cuales chocan

con el argón, ionizándolo


Ar + e- → Ar+ + 2e- ΔU

e-e-e-

Electric field


e-

Ar+

Material



Animaciones: http://www.ajaint.com/whatis.htm


Pulverizador de RF - LIFyCS

Sistema dual evaporador-pulverizador marca MVSystem

Características:

Evaporadora (3 kW) 2 Cátodos: 3” de diámetro

2 Fuentes de RF (300 W) Base giratoria con control

de temperatura Medidor de espesor Bomba rotatoria y

turbomolecular

3 Tanques: Ar, N2 y aire

Sistema UPS: 30 min

http://www.ajaint.com/whatis.htm


Sistema de pulverización catódica - Pánel


Sistema dual evaporador-pulverizador - LIFyCS

L


Pulverizador de RF vs. CD

Difiere del de CD en cuanto a la forma de generar el plasma.

Éste utiliza una fuente de corriente alterna, CA o RF:

f = 13.56 MHz,

frecuencia exclusiva para uso industrial.

Sirve para depositar cualquier material: metales, óxidos,

semiconductores y aislantes.

La cámara es una carcasa que protege de la radiación de RF a

usuarios y equipos.


Pulverizador de RF vs. CD


Pulverizador catódico de RF


Figuras de mérito: camino libre medio

Camino libre medio (l, λ): distancia promedio entre colisiones que viajan

las moléculas, átomos, iones y electrones.

l = 68 nm l ≈ 10 cm


Figuras de mérito: camino libre medio

λ = λ (p); (T=300 K, d≈1x10-7 cm, kB ≈ 1.38 x 10-23 J·K-1 )


Figuras de mérito: rendimiento

Rendimiento (S)

Cociente entre el número

de átomos removidos y

el número de iones.

S = #átomos / #iones

S ≥ 0

E = q ΔU[C·V o eV]


SAr

vs., SNe


“S” en función de la orientación cristalina


“S” en función del ángulo de incidencia

En 1960 se evaluó la razón de depósito entre ± 90°


Figuras de mérito: R(L, P), ρ(L, P)


Figuras de mérito: R(I), ρ(I)


Morfología en función de la presión y temperatura


1. Introducción





6. Conclusiones



Resultados preliminares

Mediante esta técnica (CD y RF) en el IER se han obtenido

películas delgadas de diferentes materiales:

Metales: Cu, Au, Ag, Mo,Ti, Cr, Zn

Compuestos: ZnO, ITO, acero inoxidable


Resultados preliminares: Difracción de rayos XCu


Resultados preliminares: Difracción de rayos XCu/Au


Resultados preliminares: Difracción de rayos XAcero inoxidable


1. Introducción





6. Conclusiones



Conclusiones

Las condiciones de crecimiento de las películas delgadas definen

todas las propiedades fisco-químicas del material.

El sistema de pulverización catódica es una técnica versátil para

depositar cualquier material sólido.

Es ideal para deposita aleaciones, ya que no depende de la

temperatura de evaporación de los materiales: CdTe, CdS, ITO.


Conclusiones

Permite conservar la estequiometría de los materiales durante el

depósito.

Facilita el depósito de materiales refractarios o de alta

temperatura de ebullición; imposible mediante evaporación.

Es posible añadir gases a la cámara para formar óxidos, nitruros

y carburos.


Contacto:

Sebastian P.J.: [email protected]

Nair K.: [email protected]

Andrés A.: [email protected]


¡Gracias por su atención!

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Referencias

Tracton A., Coatings Technology Handbook, CRC, 2006.

Wasa K., Kitabaakate M., Adachi H., Thin Film Material

Technology: Sputtering of Compund Materials, Springer, 2004.

Bunshah R., Handbook of Deposition Technologies for Film and

Coatings, Noyes Publications, 1994.

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