Estudio de parámetros atómicos y moleculares en ... - FaMAF

Apéndice II
Métodos utilizados para la construcción y caracterización de películas
delgadas
En este apéndice se dará una breve descripción de las técnicas utilizadas para la
construcción de películas delgadas y para la caracterización de los mismos,
llevadas a cabo en este trabajo de tesis (capítulo 7). No pretendemos desarrollar
toda la teoría aquí, sino sólo reparar en la descripción fenomenológica y en algunas
ecuaciones importantes. Una descripción más detallada podrá encontrarse en los
libros específicos de las técnicas y en las referencias citadas a lo largo del texto.
II.1 Construcción de películas delgadas: Método de “magnetron sputtering”
En pocas palabras, el método de sputtering es una técnica que permite la deposición de capas y la
realización de recubrimientos superficiales. La técnica de deposición por “magnetron sputtering” es
una variante mejorada de la técnica de sputtering original, donde se utilizan en combinación campos
electricos fuertes y magnéticos para mejorar la performance, alcanzando tasas de deposición mayores.
La técnica de sputtering se usa en la actualidad para realizar recubrimientos en una amplia
variedad de materiales tales como metales, semiconductores y aislantes, tanto a nivel industrial como a
escalas de laboratorio.
Cuando la superficie de un material sólido se bombardea con partículas muy energéticas (como
iones acelerados), ocurre una cascada de colisiones, causando que una gran cantidad de átomos de la
superficie sean ejectados del material, el cual suele denominarse como material “blanco”. Este
fenómeno se conoce como “sputtering”. Además de los átomos ejectados, se emiten electrones
secundarios del material blanco, los cuales son necesarios para mantener el estado de plasma y
permiten que el proceso de deposición ocurra.
Muchas de las técnicas desarrolladas para la deposición de capas delgadas utilizan el fenómeno
de sputering. El sistema principal utilizado consiste en un par de electrodos planos: el ánodo donde se
ubica el sustrato a recubrir y el cátodo donde se coloca el material blanco que será usado para la
deposición de átomos en el sustrato. Los dos electrodos son colocados en una cámara, la cual debe
alcanzar presiones menores a 10 -3 Torr antes de comenzar el proceso de sputtering. Cuando se arriba a
la presión apropiada, se introduce un flujo controlado de gas, conocido como “gas de sputtering”, que
usualmente suele ser un gas inerte como argón. Esto hace que la presión aumente hasta la presión de
trabajo, que suele ser de alrededor de 10 Torr.
Una vez que se aplica un voltaje negativo a la superficie del material blanco, cualquier ión
positivo de Ar será acelerado hacia el cátodo y luego de chocar contra él, una pequeña corriente de
átomos o clusters de átomos serán arrancados del blanco. Una pequeña porción de ellos impactará en
la superficie del sustrato (ánodo), permitiendo la formación de una película delgada sobre él. Para
mantener el proceso en funcionamiento, se necesita mantener un cierto número de ionizaciones en el
gas, y esto se logra con la ayuda de los electrones secundarios que colisionan con los átomos neutros
del gas, generando nuevos iones (ver figura II.1). La tasa de sputtering, que determina el número de
átomos removidos por ión incidente, depende fuertemente de la energía del ion, del material y de la
estructura con el que esté constituído el blanco.
Para aumentar la performance del método, se han desarrollado modificaciones al principio básico
explicado anteriormente. Una de las modificaciones involucra el uso de campos magnéticos cerca del
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