- 6 -
CAPTULO 2
TCNICAS DE DEPSITO Y CARACTERIZACIN DE
PELCULAS DELGADAS
2.1 Introduccin
Las pelculas delgadas son capas de materiales delgados con espesores que van desde
algunos cuantos nanmetros hasta algunos cientos de micrmetros, las cuales son creadas
por condensacin una a una de materia, como tomos o molculas. La fabricacin de
pelculas delgadas es ampliamente conocida como una tecnologa tradicional ya
establecida, debido a que ha estado presente en nuestras vidas desde hace mucho tiempo en
el desarrollo de aplicaciones tales como dispositivos electrnicos, recubrimientos pticos,
celdas solares, foto detectores y circuitos CMOS. Sin embargo, pese a los tiempos
transcurridos esta tecnologa sigue siendo desarrollada diariamente ya que es una llave en el
progreso tecnolgico actual [4]. En este captulo estudiaremos los Procesos de fabricacin y
de caracterizacin de pelculas ms importantes que existen y sobre todo que se pueden o
en un futuro cercano se podran implementar en la Universidad de Sonora.
2.2 Sntesis de pelculas delgadas
Existen pelculas delgadas que se forman de elementos naturales, mas sin embargo en los
ltimos aos se ha trabajado en el desarrollo de pelculas delgadas de materiales
compuestos de uno o dos elementos. Compuestos de pelculas delgadas son depositados en
sustratos por diferentes tcnicas de fabricacin, bao qumico (CBD), chemical vapor
deposition (CVD), evaporacin trmica, electron beam evaporation, spin on glass y
sputtering son algunas de las tcnicas usadas para esta tarea.
- 7 -
Las propiedades bsicas de las pelculas, tales como su composicin, su fase
cristalina, morfologa, orientacin, espesor y micro estructura, son controladas por las
condiciones de depsito y del mtodo empleado, por ejemplo: la temperatura de
crecimiento, la tasa de crecimiento, el sustrato, tiempo de depsito, la qumica, etc. Todo
esto da como resultado, propiedades nicas de un material producto de un proceso de
crecimiento, algunos ejemplos de propiedades esperadas como: tamao de grano, efectos
cunticos, espesor, orientacin cristalina, cambios en la resistividad, efectos de tensin, etc,
[4].
El avance tecnolgico en circuitos integrados puede ser atribuido al avance en las
tcnicas de procesamiento de pelculas delgadas, estos avances permiten el desarrollo de
muchas aplicaciones en dispositivos electrnicos, incluyendo los transistores de pelcula
delgada (TFT), resistores de alta precisin, celdas solares, memorias pticas o magnticas,
LCD, sensores etc.
Un sistema como un magnetrn sputtering es indispensable para la fabricacin de
dispositivos semiconductores. La tcnica utilizada para el depsito de pelculas delgadas de
ZnO en este trabajo es la de sputtering.
2.2.1 Depsito por bao qumico
En esta tcnica, se parte de una solucin acuosa de sales de los elementos de compuesto
que se desea obtener. El sustrato es sumergido en esta solucin y a la vez la solucin es
sometida a calentamiento constante por un tiempo determinado, siendo estos los
parmetros de depsito y los que proporcionan las propiedades de la pelcula, juntos con las
concentraciones de elementos en la solucin. En la superficie del sustrato ocurre una
reaccin qumica provocando la formacin de la pelcula.
Los compuestos que pueden ser depositados deben ser relativamente insolubles y
qumicamente estables en la solucin y presentar una precipitacin simple en una reaccin
inica. Los elementos que forman esta solucin serian, un compuesto que aporte los iones
metlicos, otro que sea la fuente de los iones no metlicos, un agente acomplejante y uno
que proporcione OH para regular el pH [5, 6].
- 8 -
2.2.2 Deposicin qumica de vapor CVD
En esta tcnica el sustrato y la fuente estn separados por un reactor (cmara de vacio) y las
especies qumicas se trasportan mediante un gas portador, de esta forma estas especies
reaccionan con el sustrato y producen el depsito deseado.
2.2.3 Pulverizacin catdica (sputtering)
Si una superficie es bombardeada con partculas energticas como iones acelerados, es
posible causar expulsin de los tomos de la superficie de un material, un proceso conocido
como sputtering o pulverizacin catdica. Estos tomos eyectados pueden ser condensados
en un substrato para formar una pelcula delgada. En la mayora de los casos, los iones
positivos de gases neutrales pesados como argn se usan para bombardear la superficie de
materiales. Los materiales de alto punto de fusin pueden ser usados tan fcilmente como
unos de bajo punto de fusin, y empleando fuentes de RF o DC la pulverizacin catdica
de ambos materiales puede ser lograda y tanto metales como aislantes pueden ser
depositados [4, 7].
2.3 Sistema sputtering.
Se fundamenta en tener una cmara de vaco, la cual cuenta en su interior con dos
electrodos el nodo y el ctodo, una descarga elctrica es establecida entre el nodo y el
ctodo en un ambiente de baja presin controlada por el suministr de un gas residual,
Figura 2.2 Iones incidentes y tomos expulsados del material.
- 9 -
como se muestra en la figura 2.3 y 2.4. Por efecto de la diferencia de potencial los tomos
del gas residual se ionizan. Los iones del gas residual chocan contra el ctodo, en el cual es
colocado el blanco o una tarjeta de un determinado material que es desintegrado por las
molculas ionizadas. Los tomos expulsados del blanco forman una nube que se deposita
en las superficies circundantes. Este fenmeno es llamado sputtering catdico.
Figura 2.3 Representacin esquemtica de un sistema de pulverizacin
catdica (Sputtering).
Figura 2.4 Sistema sputtering.
- 10 -
Los tomos del material desintegrado o erosionado dejan la superficie del electrodo
ya sea como tomos libres o en combinacin qumica con las molculas residuales del gas.
Una cierta cantidad de los tomos liberados son condensados en superficies rodeando el
ctodo mientras el resto es devuelto al ctodo por la colisin con molculas del gas.
Una vez expulsados los tomos del blanco viajan hasta que alcanzan una superficie
cercana ms notable, o el sustrato. La capa depositada es formada o crece en la estructura
del sustrato, sta es influenciada por algunos parmetros como la tasa de depsito,
temperatura del sustrato, presin y composicin del gas y composicin del blanco.
El argn es un gas inerte, el cual es escogido para actuar como el medio sputtering
ms comn, porque es un gas raro, pesado y sobre todo es abundante. Tambin tiene una
bajo potencial de ionizacin. La naturaleza inerte de argn inhibe compuestos a formarse en
la superficie del blanco.
Si el blanco es conductivo, una fuente de corriente directa puede ser usada (DC
sputtering) mientras que RF sputtering (fuente de RF) es preferido al usar un blanco de
poca conduccin. Esto implica que si el blanco es un aislante en el sistema de sputtering, el
proceso de neutralizacin da como resultado una carga positiva en la superficie del blanco.
Este carga puede aumentar al punto que los iones () que bombardea son repelidos y el
proceso que sputtering se detendr. Para hacer el proceso continuar la polaridad del blanco
debe ser puesto al revs para atraer bastantes electrones de la descarga para eliminar la
superficie cargada.
2.3.1 Magnetrn sputtering
Varios sistemas de sputtering son propuestos para el depsito pelculas delgadas como: dc
diode, rf diode, magnetrn y ion-beam sputtering. Para aumentar tasas de depsito del
sistema de sputtering, se buscaron configuraciones con bobinas magnticas, se emplearon
situndolas algunas veces alrededor de la cmara para presionar el plasma durante la
deposicin. Se encontraron resultados significativos en la reduccin de la presin y un
aumento en las tasas de depsito. Esto implico el darse cuenta de qu tan importante era el
papel de que un campo magntico estuviese presente adentro del sistema concentrando el
plasma.
- 11 -
El funcionamiento del magnetrn sputtering se basa en que los electrones sometidos
a un campo elctrico y magntico superpuesto en el ctodo, describen rbitas circulares. En
este sistema se emplea un dispositivo con unos imanes que combinados con el campo
elctrico interior presente en los dos electrodos, provocan que los electrones realicen
trayectorias helicoidales, produciendo trayectorias ms largas que no existiesen sin el
campo magntico. Esta nueva distancia de los electrones provoca un aumento en los
choques con los tomos del gas residual, permitiendo la posibilidad de disminuir la presin
de trabajo en rangos como 10-5
torr o ms comnmente a 10-2
torr, otra consecuencia de usar
magnetrn seria el incremento de la densidad del plasma provocando el aumento de la
densidad de corriente en el blanco e incrementndolas proporciones de depsito [7].
2.4 Deposito de pelculas de ZnO por sputtering
La deposicin por sputtering es uno de los mtodos ms populares para hacer pelculas de
Oxido de Zinc y posee un alto potencial para la deposicin de este compuesto. Las
propiedades fsicas y qumicas del ZnO necesitan ser controladas durante la irradiacin
del sistema sputtering. El crecimiento de las pelculas de ZnO es influenciado por esta
irradiacin de partculas energticas presentes en el plasma. Manteniendo bajo control las
propiedades de depsito, entenderemos la influencia de los parmetros en la estructura de
las pelculas de ZnO y la relacin entre estas propiedades y los parmetros de sputtering.
En base a la literatura y trabajos experimentales ya documentados, podemos darnos
una idea de la relacin entre las condiciones de depsito y las propiedades atribuidas a las
pelcula, por ejemplo un factor que influye en la fase cristalina de la pelcula se le
atribuye a la taza de depsito, potencia de la fuente, ya sea RF o DC , el espaciamiento
entre el ctodo y el nodo entre otros por otro lado la temperatura de depsito, la presin
de trabajo, el tipo de sustrato en el que se deposita est relacionado con la micro estructura,
superficie e interface de la pelcula delgada, y defectos en la pelcula tienen una relacin
con la posicin, polarizacin del sustrato as como tambin la geometra del sistema.
Para el depsito por sputtering en nuestro caso emplearemos un blanco cermico
de ZnO, este blanco es para RF sputtering y es preparado con un polvo de ZnO con una
pureza mayor al 99%, este es sinterizado a una temperatura entre 800 y 850C durante una
- 12 -
hora. Despus este polvo sinterizado es comprimido en alrededor de 100Kg/cm2
en un
molde que le dar forma al blanco, despus de esto es de nuevo sinterizado a 930C por dos
horas [4].
2.5 Caractersticas de pelculas delgadas semiconductoras.
La medida de las propiedades de las pelculas delgadas es indispensable para el estudio
de las pelculas delgadas de materiales y dispositivos. La composicin qumica, estructura
cristalina, estructura ptica, elctrica y propiedades mecnicas deben ser consideradas en la
evaluacin y estudio de las pelculas delgadas, esta caracterizacin permite ver la
correlacin entre las condiciones de crecimiento y las propiedades resultantes del mtodo
de fabricacin [4].
2.5.1 Caractersticas pticas
En este estudio nos limitaremos a analizar propiedades pticas lineales y reales, entre las
que destacaran la reflexin, la transmisin y absorcin, misma que se encuentran en
correlacin con propiedades elctricas y fsicas de los materiales involucrados.
2.5.1.1 Reflexin y Transmisin
La luz es una onda electromagntica que cuenta con componentes de propagacin del
campo de origen elctrico y magntico, esta luz se propaga como fluctuaciones producto de
estas componentes a su direccin de polarizacin. El campo elctrico total de una
componente paralela al eje normal del plano de incidencia es Ep y la componente
perpendicular al plano de incidencia es Es. Cuando una onda experimenta un cambio en las
propiedades del medio en que se propaga los coeficientes de Fresnel nos permiten medir la
relacin entre el campo elctrico transmitido y el reflejado [8], ver fig. 2.5.
Los coeficientes de reflexin y transmisin:
2.1
- 13 -
2.2
Donde , son el Angulo incidente y el transmitido, respectivamente,
n1 y n2 son los respectivos ndices de refraccin los cuales pudieran ser complejos n1= N1 +
ik1, n2= N2 + ik2; k1 y k2 a su vez estn relacionados con los coeficientes de absorcin 1 y
2 de los medios ( ). Los coeficientes dependen de la polarizacin paralela y
perpendicular al plano de incidencia [9]. La reflexin (R) y la transmisin (T) son definidas
como las componentes de los promedios temporales de los vectores de Poynting que son
perpendiculares a la frontera con respecto a la componente normal del vector de Poynting
incidente y son definidas para los dos tipos de polarizacin respecto a los coeficientes de
Fresnel:
;
2.3
2.4
Considerando la reflexin de un haz en una interface entre dos medios semiinfinitos
isotrpicos, medio 1 y medio 2 como se muestra en la fig. 2.6. Los coeficientes de reflexin
y transmisin en sus polarizaciones s y p, son correspondientes a las ecuaciones 2.1 y 2.2.
n2
Figura 2.5 Componentes Ep y Es del haz de luz incidente a una interface entre dos medios.
n1
- 14 -
Considerando el caso de incidencia normal y =0, bajo estas condiciones las
componentes paralela y perpendicular del campo son indistinguibles, as en las expresiones
de 2.1 a 2.4 se tendra:
; 2.5
Si el medio uno es el aire con ndice de refraccin n=1 y el medio dos con ns se
obtiene, para el caso de la reflectancia;
2.6
De la ecuacin anterior 2.6 se puede calcular el ndice de refraccin del sustrato de
la siguiente manera:
2.7
Considerando ahora la reflectancia para el caso de tres medios, aire, pelcula y
sustrato semiinfinito (se asume que no hay interferencias en el sustrato), ver fig. 2.6 se
tendra una reflectancia total:
2.8
Figura 2.6 Ilustracin de dos sistemas de materiales de dos y tres medios.
- 15 -
Donde 1,2 y 3 corresponde a los tres medios respectivamente y el corrimiento de fase 2 es
un parmetro de la pelcula que depende de su espesor (d=h), de la longitud de onda (),
ndice de refraccin (n2) y del Angulo de transmisin (t) definido como sigue:
2.9
Desarrollando la ecuacin 2.8 y contemplando las contribuciones de dos interfaces
(r12,r23), tenemos:
2.10
Una caracterstica fundamental de los espectros experimentales tanto de reflectancia
como de transmitancia de una pelcula delgada, es la presencia de mximos y mnimos de
interferencia, el parmetro es debido a las interferencias en la pelcula (medio 2)
[10, 8, 11]. Las expresiones 2.9 y 2.10 nos permiten suponer la relacin existente entre la
reflectancia y el espesor. La condicin de mximos y mnimos relativos nos presuponen
una relacin para evaluar el espesor de la pelcula. Si suponemos que las interferencias son
coherentes podemos demostrar [9]:
2.11
, m=1/2,3/2,5/2, 2.12
y sustituyendo en 2.12, se obtiene
2.13a
O bien
- 16 -
2.13b
De la expresin 2.10 podemos calcular
obteniendo:
=0
, M= 0, 1, 2, 3,
Analizando la ecuacin 2.10 y su segunda derivada se obtienen las expresiones 2.11
y 2.12.Tomando en cuenta que el material es trasparente (=0), los puntos crticos para R123
ocurren cuando y en el caso de incidencia normal estos valores serian:
2.14
2.15
El mximo de reflectancia Rmax ocurre en esto implica
que n2 tiene un valor entre n1 y n3, Rmax= , Rmin= . Un mnimo para Rmin cuando
- 17 -
aire
(1-Ras ) 2
R5
as(1
-Ras
)2
R3
as(1
-Ras
)2
R as
R as(1
-Ras
)2
(1-R
as ) R
as(1
-Ras)
R2
as (1
-Ras )
R3 as(1
-Ras)
R5 as(1
-Ras)
R4
as (1
-Ras )
aire
sustrato
, n2 no tiene un valor entre n1 y n3, Rmax= , Rmin= . El
ndice de refraccin n2, de la pelcula puede ser determinado de las anteriores ecuaciones
2.14 y 1.15 [8, 10].
Contando con un sistema de medicin que mediante una haz incidente en una
muestra nos permita obtener el espectro de intensidades de los haces transmitidos y
reflejados, se puede obtener una buena aproximacin que relacione estas intensidades
medidas con el planteamiento terico de la reflectancia y transmitancia de estos sistemas
bajo ciertas consideraciones.
Planteando un anlisis de las contribuciones en las interfaces de los medios,
tenemos que al tener un haz de luz que incide sobre un medio trasparente (muestra, pelcula
de ZnO etc.), la radiacin es trasmitida a travs de la pelcula de material, por cada pelcula
existirn dos superficies en la interfaz, que originan perdidas por reflexin. En el caso de
tener un material que est rodeado por aire, la disminucin de la radiacin del haz incidente
en la segunda interface es igual que la primera. Para calcular las contribuciones
significativas a la reflectancia para dos sistemas de inters en nuestro trabajo, uno que
consta de aire-sustrato: aire/sustrato/aire y el otro aire-pelicula-sustrato:
aire/pelcula/sustrato-semiinfino, consideraremos los siguientes diagramas, construidos en
la figura fig. 2.7 y 2.8.
Figura 2.7 Reflexiones mltiples atenuadas en un sustrato no absorbente.
- 18 -
Analizando el primer sistema (sustrato de vidrio rodeado de aire), y teniendo en
cuenta que la condicin =0, tenemos un haz que al pasar por la primera interface es
fraccionado en proporcin (1-Ras), esta fraccin llega a la segunda interface donde solo
atraviesa la fraccin (1-Ras)2 y Ras (1-Ras) se refleja hacia la primera y as sucesivamente
como es indicado en la fig. 2.7. La reflectancia que ser la suma de las contribuciones de
las dos interfaces ser:
2.16
aire
Rs R
f (1-Rf ) 2(1-R
s )
(1-Rf ) 2(1-R
s )
R3 sR
2 f(1-
R f)
2
R2 sR f
(1-R
f)2
R f R s(1
-Rf)
2
(1-R
f ) Rs
(1-R
f)
Rs R
f (1-R
f )
R2 sR
f(1-R
f)
R3 sR
2 f(1-R
f)
aire
sustrato
(1-Rf ) 2 R S
(1-R
f)2 R
S Rf (1-R
f ) 2
R2
s R2
f (1-R
f )
pelicula
Figura 2.8 Reflexiones mltiples atenuadas a travs de una pelcula delgada
y un sustrato no absorbentes.
- 19 -
En el segundo sistema (aire/pelcula/sustrato-semiinfinito) y bajo la misma situacin
de =0, de forma similar que en el caso anterior tenemos la radiacin que incide en la
segunda interface es (1-Rf) al ser fraccionada por la primera, como en el primer sistema la
radiacin que pasa por la segunda interface ser (1-Rf)2, pero en este caso la proporcin
reflejada sern productos de la interface pelcula sustrato Rs (1-Rf) y as sucesivamente
como se muestra en la fig.2.8. La reflectancia producto de las contribuciones provenientes
solo de las primeras dos interfaces es [11]:
2.17
2.5.1.2 Coeficiente absorcin ()
La intensidad luminosa (I) que atraviesa un material es proporcional a la intensidad
luminosa que incide (I0) sobre el material, atenuada por el coeficiente de absorcin del
mismo material y en proporcin al espesor por el cual se transmite (d):
2.18
Esta expresin es conocida como la ley de Beer-Lambert.
Considerando que
2.19
Donde T y A son la transmitancia y la absorbancia pticas respectivamente. No obstante de
la ley de Kirchhoff de radiacin [8]:
2.20
Donde R es la reflectancia.
- 20 -
2.6 Caractersticas estructurales rayos-X
Los patrones de difraccin de rayos X (DRX) contienen informacin sobre la composicin
y faces cristalogrficas del material, tamao de grano, tensin de red, fronteras de grano,
entre otras. Esta tcnica nos permite un estudio morfolgico estructural de muestras
policristalinas y monocristalinas basado en un experimento de difraccin, en el que un haz
de rayos X incide sobre un slido cristalino obtenindose un conjunto de haces difractados
producto de las interacciones, esto nos proporciona un patrn de difraccin. Este patrn de
difraccin est relacionado con la distribucin de los tomos y su estructura cristalina
(celda cristalina, familia de planos cristalinos). La estructura cristalina es encontrada
haciendo una comparacin de las posiciones de los picos de las bandas del patrn de
difraccin y sus intensidades con alguna referencia.
Cuando los rayos X alcanzan la superficie de un cristal a un ngulo (ngulo incidente),
una parte de estos son dispersados por la primera interface de tomos, la porcin que no es
dispersada penetra en la segunda capa de tomos del material, donde ocurrir lo mismo y
as sucesivamente en cada capa de tomos del material, ver figura 2.9. Por lo tanto cuando
un haz llega a un cristal, este ser dispersado en todas direcciones dentro de l y por
distribucin regular de tomos habr una interferencia constructiva o destructiva de estas
ondas dispersadas. Bragg propuso que los tomos en un cristal forman familias de planos
paralelos, teniendo cada una separacin d. Una condicin necesaria para el fenmeno de
Figura 2.9 Difraccin de Rayos-X en un cristal.
- 21 -
interferencia es que la longitud de onda del rayo incidente, sea aproximadamente igual a la
separacin entre los planos cristalinos (
- 22 -
2.7 Caractersticas Morfolgicas AFM
Uno de los microscopios de ms alta resolucin para el estudio de la forma superficial de
un material es la microscopia de fuerza atmica (AFM), la cual consiste en suspender una
punta o sistema cantilver en la proximidad de la superficie para hacerla operar por
contacto o por oscilacin (tapping). En la parte anterior o opuesta al punta incide un haz
laser, el cual es reflejado especularmente hacia un detector el cual asigna niveles
cromticos correspondientes a profundidades y levantamientos en la superficie. Este
anlisis de superficie se complementa mediante un escaneo que puede ser realizado
mediante un material piezoelctrico colocado ya sea en la base que porta la muestra o en el
soporte del cantilver y el lser. En la figura 2.10, se muestra un esquema descriptivo de la
anterior explicacin:
Con los datos obtenidos por este tipo de instrumento es posible obtener medidas de
rugosidad, evaluar si hay formacin de agregados, micro-dureza y en algunos casos es
posible hasta observar contornos cristalinos a escala manomtrica.
Figura 2.10 Esquema descriptivo de un
Microscopio de fuerza atmica.