deposición por pulverización catódica

La deposición por pulverización catódica es un método de deposición física de vapor (PVD) para la deposición de películas delgadas mediante el fenómeno de la pulverización catódica . Esto implica la eyección de material desde un "objetivo" que actúa como fuente hacia un "sustrato", como una oblea de silicio .

La repulverización es la reemisión del material depositado durante el proceso de deposición mediante bombardeo de iones o átomos. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los átomos pulverizados expulsados ​​del blanco presentan una amplia distribución de energía, típicamente de hasta decenas de eV (100 000 K ). Los iones pulverizados (normalmente solo una pequeña fracción de las partículas expulsadas se ioniza , del orden del 1 %) pueden salir disparados del blanco en línea recta e impactar energéticamente sobre los sustratos o la cámara de vacío (provocando una nueva pulverización). Alternativamente, a presiones de gas más elevadas, los iones colisionan con los átomos del gas, que actúan como moderadores, y se mueven de forma difusa, alcanzando los sustratos o la pared de la cámara de vacío y condensándose tras un movimiento aleatorio . Todo el rango, desde el impacto balístico de alta energía hasta el movimiento termalizado de baja energía, es accesible modificando la presión del gas de fondo.

El gas de pulverización suele ser un gas inerte como el argón . Para una transferencia de momento eficiente, el peso atómico del gas de pulverización debe ser cercano al peso atómico del blanco, por lo que para la pulverización de elementos ligeros se prefiere el neón , mientras que para elementos pesados ​​se utilizan el criptón o el xenón . ^{[ 3 ]} También se pueden utilizar gases reactivos para la pulverización de compuestos.

El compuesto puede formarse sobre la superficie objetivo, durante el proceso o sobre el sustrato, según los parámetros del mismo. La gran cantidad de parámetros que controlan la deposición por pulverización catódica la convierte en un proceso complejo, pero también permite a los expertos un alto grado de control sobre el crecimiento y la microestructura de la película.

Una de las primeras aplicaciones comerciales generalizadas de la deposición por pulverización catódica, que aún hoy es una de las más importantes, es la producción de discos duros para ordenadores . La pulverización catódica se utiliza ampliamente en la industria de los semiconductores para depositar películas delgadas de diversos materiales en el procesamiento de circuitos integrados . También se depositan mediante pulverización catódica recubrimientos antirreflectantes delgados sobre vidrio para aplicaciones ópticas . Debido a las bajas temperaturas del sustrato utilizadas, la pulverización catódica es un método ideal para depositar metales de contacto para transistores de película delgada . Otra aplicación común de la pulverización catódica son los recubrimientos de baja emisividad sobre vidrio , utilizados en conjuntos de ventanas de doble acristalamiento. El recubrimiento es una multicapa que contiene plata y óxidos metálicos como óxido de zinc , óxido de estaño o dióxido de titanio . Se ha desarrollado una gran industria en torno al recubrimiento de brocas de herramientas utilizando nitruros pulverizados, como el nitruro de titanio , creando la conocida capa dura de color dorado. La pulverización catódica también se utiliza como proceso para depositar la capa metálica (por ejemplo, aluminio) durante la fabricación de CD y DVD.

Las superficies de los discos duros utilizan CrO _x y otros materiales depositados por pulverización catódica. La pulverización catódica es uno de los principales procesos de fabricación de guías de onda ópticas y otra forma de fabricar células solares fotovoltaicas y de película delgada eficientes. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

En 2022, investigadores del IMEC construyeron cúbits superconductores de laboratorio con tiempos de coherencia superiores a 100 μs y una fidelidad de puerta de un solo cúbit promedio del 99,94 %, utilizando técnicas de fabricación compatibles con CMOS , como la deposición por pulverización catódica y el grabado sustractivo. ^{[ 6 ]}

Recubrimiento por pulverización catódica

El recubrimiento por pulverización catódica en microscopía electrónica de barrido es un proceso de deposición por pulverización catódica que cubre una muestra con una fina capa de material conductor, generalmente un metal, como una aleación de oro / paladio (Au/Pd). Se necesita un recubrimiento conductor para evitar la carga de la muestra con un haz de electrones en el modo SEM convencional (alto vacío, alto voltaje). Si bien los recubrimientos metálicos también son útiles para aumentar la relación señal/ruido (los metales pesados ​​son buenos emisores de electrones secundarios), su calidad es inferior cuando se emplea espectroscopía de rayos X. Por esta razón, al utilizar espectroscopía de rayos X, se prefiere un recubrimiento de carbono. ^{[ 7 ]}

Una ventaja importante de la deposición por pulverización catódica es que incluso los materiales con puntos de fusión muy altos se pulverizan fácilmente, mientras que la evaporación de estos materiales en un evaporador de resistencia o celda de Knudsen es problemática o imposible. Las películas depositadas por pulverización catódica tienen una composición cercana a la del material fuente. La diferencia se debe a que los distintos elementos se dispersan de manera diferente debido a su diferente masa (los elementos ligeros se desvían más fácilmente por el gas), pero esta diferencia es constante. Las películas pulverizadas suelen tener una mejor adhesión al sustrato que las películas evaporadas . Un blanco contiene una gran cantidad de material y no requiere mantenimiento, lo que hace que la técnica sea adecuada para aplicaciones de ultra alto vacío. Las fuentes de pulverización catódica no contienen partes calientes (para evitar el calentamiento, generalmente se enfrían con agua) y son compatibles con gases reactivos como el oxígeno. La pulverización catódica se puede realizar de arriba hacia abajo, mientras que la evaporación debe realizarse de abajo hacia arriba. Son posibles procesos avanzados como el crecimiento epitaxial.

Algunas desventajas del proceso de pulverización catódica son que resulta más difícil combinarlo con un proceso de levantamiento para estructurar la película. Esto se debe a que el transporte difuso, característico de la pulverización catódica, imposibilita la formación de una sombra completa. Por lo tanto, no se puede restringir completamente la trayectoria de los átomos, lo que puede generar problemas de contaminación. Además, el control activo del crecimiento capa por capa es difícil en comparación con la deposición por láser pulsado , y los gases de pulverización inertes se incorporan a la película en crecimiento como impurezas. La deposición por láser pulsado es una variante de la técnica de deposición por pulverización catódica en la que se utiliza un haz láser para la pulverización. El papel de los iones pulverizados y repulverizados, así como del gas de fondo, se investiga exhaustivamente durante el proceso de deposición por láser pulsado. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Las fuentes de pulverización catódica suelen emplear magnetrones que utilizan campos eléctricos y magnéticos intensos para confinar partículas de plasma cargadas cerca de la superficie del blanco de pulverización. En un campo magnético, los electrones siguen trayectorias helicoidales alrededor de las líneas de campo magnético, experimentando más colisiones ionizantes con partículas neutras gaseosas cerca de la superficie del blanco de las que ocurrirían de otro modo. (A medida que el material del blanco se agota, puede aparecer un perfil de erosión en forma de "pista de carreras" en la superficie del blanco). El gas de pulverización suele ser un gas inerte como el argón. Los iones de argón adicionales creados como resultado de estas colisiones dan lugar a una mayor tasa de deposición. De esta forma, el plasma también puede mantenerse a una presión más baja. Los átomos pulverizados tienen carga neutra y, por lo tanto, no se ven afectados por la trampa magnética. La acumulación de carga en blancos aislantes puede evitarse mediante el uso de pulverización catódica por radiofrecuencia, donde el signo de la polarización ánodo-cátodo se varía a una alta frecuencia (comúnmente 13,56 MHz ). ^{[ 10 ]} La pulverización catódica por radiofrecuencia funciona bien para producir películas de óxido altamente aislantes, pero con el costo adicional de las fuentes de alimentación de radiofrecuencia y las redes de adaptación de impedancia . Los campos magnéticos parásitos que se filtran de los objetivos ferromagnéticos también perturban el proceso de pulverización. A menudo es necesario utilizar cañones de pulverización especialmente diseñados con imanes permanentes inusualmente fuertes para compensar.

Pulverización catódica por haz de iones

La pulverización iónica (IBS) es un método en el que el blanco se encuentra fuera de la fuente de iones . Una fuente puede funcionar sin campo magnético, como en un medidor de ionización de filamento caliente . En una fuente Kaufman, los iones se generan por colisiones con electrones confinados por un campo magnético, como en un magnetrón. Posteriormente, son acelerados por el campo eléctrico que emana de una rejilla hacia el blanco. Al salir de la fuente, los iones son neutralizados por electrones de un segundo filamento externo. La IBS presenta la ventaja de que la energía y el flujo de iones pueden controlarse de forma independiente. Dado que el flujo que incide sobre el blanco está compuesto por átomos neutros, se pueden pulverizar blancos tanto aislantes como conductores. La IBS se ha aplicado en la fabricación de cabezales de película delgada para unidades de disco . Se genera un gradiente de presión entre la fuente de iones y la cámara de muestra colocando la entrada de gas en la fuente y dirigiéndola a través de un tubo hacia la cámara de muestra. Esto ahorra gas y reduce la contaminación en aplicaciones de ultra alto vacío (UHV) . El principal inconveniente del IBS es la gran cantidad de mantenimiento necesario para mantener la fuente de iones en funcionamiento. ^{[ 11 ]}

Deposición asistida por iones

En la deposición asistida por iones (IAD), el sustrato se expone a un haz de iones secundario que opera a una potencia menor que la del cañón de pulverización catódica. Generalmente, una fuente Kaufman, como la que se usa en IBS, suministra el haz secundario. La IAD se puede usar para depositar carbono en forma de diamante sobre un sustrato. Cualquier átomo de carbono que caiga sobre el sustrato y no se adhiera correctamente a la red cristalina del diamante será eliminado por el haz secundario. La NASA utilizó esta técnica para experimentar con la deposición de películas de diamante en álabes de turbinas en la década de 1980. La IAD se utiliza en otras aplicaciones industriales importantes, como la creación de recubrimientos superficiales de carbono amorfo tetraédrico en platos de discos duros y recubrimientos duros de nitruro de metal de transición en implantes médicos.

En 1974, JA Thornton aplicó el modelo de zona estructural para la descripción de morfologías de películas delgadas a la deposición por pulverización catódica. En un estudio sobre capas metálicas preparadas por pulverización catódica de CC, ^{[ 18 ]} extendió el concepto de zona estructural introducido inicialmente por Movchan y Demchishin para películas evaporadas . ^{[ 19 ]} Thornton introdujo una zona estructural adicional T, que se observó a bajas presiones de argón y se caracterizó por granos fibrosos densamente empaquetados. El punto más importante de esta extensión fue enfatizar la presión p como un parámetro de proceso decisivo. En particular, si se utilizan técnicas hipertérmicas como la pulverización catódica, etc., para la sublimación de átomos fuente, la presión gobierna a través del camino libre medio la distribución de energía con la que inciden sobre la superficie de la película en crecimiento. Además de la temperatura de deposición T _d, la presión de la cámara o el camino libre medio deben especificarse siempre al considerar un proceso de deposición.

Dado que la deposición por pulverización catódica pertenece al grupo de procesos asistidos por plasma, además de los átomos neutros, también especies cargadas (como iones de argón) impactan la superficie de la película en crecimiento, y este componente puede ejercer un gran efecto. Denotando los flujos de iones y átomos que llegan por J _i y J _a , resultó que la magnitud de la relación J _i /J _a juega un papel decisivo en la microestructura y morfología obtenidas en la película. ^{[ 20 ]} El efecto del bombardeo iónico puede derivarse cuantitativamente de parámetros estructurales como la orientación preferencial de los cristalitos o textura y del estado de tensión residual . Se ha demostrado recientemente ^{[ 21 ]} que pueden surgir texturas y tensiones residuales en capas de Ti pulverizadas con flujo de gas que se comparan con las obtenidas en piezas de trabajo macroscópicas de Ti sometidas a una deformación plástica severa por granallado .

• Revestimiento

• Fundamentos de la tecnología de recubrimiento al vacío por D. Mattox
• William D. Westwood (2003). Deposición por pulverización catódica, Serie de libros del Comité de Educación de AVS . Vol.  2. ISBN 978-0-7354-0105-1.
• Kiyotaka Wasa y Shigeru Hayakawa (1992). Manual de principios, tecnología y aplicaciones de la tecnología de deposición por pulverización catódica . Noyes Publications. ISBN 0-8155-1280-5.

• Guía de evaporación de película delgada
• Animación de salpicaduras
• Animación de pulverización catódica por magnetrón