Vapor Deposition of thin Films/es
La deposición en fase de vapor es un método de procesamiento que consiste en colocar una capa fina de un material precursor sobre un material de sustrato para mejorar sus propiedades mecánicas y químicas. La deposición en fase de vapor se clasifica en dos subdivisiones principales de procesamiento:
La deposición en fase de vapor es un proceso atomístico en el que un material precursor W se vaporiza a partir de un material precursor sólido o gaseoso y se transporta en vacío en forma de átomos o moléculas excitados y se deposita sobre un material sustrato W donde se condensa y se deposita como una película delgada. La deposición en fase de vapor fue acuñada originalmente por los autores CF Powell, JH Oxley y JM Blocher Jr. en su libro de 1966 "Deposición en fase de vapor". [2]
La teoría fundamental detrás de la deposición de vapor tiene sus raíces en la física teórica, la química y la termodinámica, y el proceso de deposición real se desarrolló con avances en la tecnología de vacío, la electricidad y el magnetismo, la termodinámica y el flujo de fluidos [2]. La teoría fundamental La teoría fundamental de procesos es una combinación de muchos campos, incluidos la física estadística, la química y el electromagnetismo.
Los procesos de deposición por vapor son muy demandados para lograr recubrimientos precisos y finos o multicapas sobre un material para mejorar propiedades que no posee. La aplicación de películas finas es ideal mediante deposición porque se puede aplicar sobre sustratos de numerosas orientaciones y formas geométricas complejas.
La deposición por CVD y PVD es muy popular en la industria de semiconductores para mejorar las propiedades conductivas y magnéticas de los metales sin un coste considerable. Las películas de deposición en semiconductores son tan delgadas que el proceso es extremadamente beneficioso y económico. El material depositado puede presentarse en forma de:
Contents
Deposición física de vapor
La PVD utiliza los principios de la termodinámica al concentrar formas de energía en un material precursor sólido. Este material precursor sólido se excita mediante bombardeo de energía; pulverización magnética, láseres, evaporación por arco. La energía hace que los enlaces se rompan en la estructura reticular cristalina y los átomos se ionizan a medida que se desprenden del material precursor. [1] El material ionizado se libera y se transfiere por gradiente de presión hasta donde se deposita como una película delgada sobre el material del sustrato. [3]
Deposición química en fase de vapor
La deposición química por evaporación (CVD) se basa en la reactividad química entre el gas ionizado y vaporizado dentro de la cámara de deposición. El gas ionizado se inyecta a través de válvulas de control en la cámara de deposición, donde se produce una reacción química entre el precursor y el sustrato. [3]
Teoría
Resultado de la deposición
Cuatro fenómenos químicos principales determinan las propiedades y el mecanismo de reacción para la deposición de vapor; estos incluyen:
- (1)Química de la reacción; Pasos intermedios, subproductos y energía de activación
- (2) Mecanismos de reacción
- (3)Composición del depósito
- (4) Estructura del depósito (disposición geométrica de los átomos)
Cámara de vacío
La deposición de vapor se realiza en un entorno de vacío casi ideal para evitar la contaminación. El tamaño relativo del vacío en comparación con el tamaño del material vaporizado en relación con la distancia que debe recorrer el material precursor es enorme. El tamaño del vacío es muy influyente en los procesos de PVD. IE La pulverización catódica con magnetrón acelera continuamente las partículas de forma helicoidal. A medida que aumenta el tiempo, también lo hace la velocidad y la energía proporcionales a la velocidad. Cuanto mayor sea la energía, mayor y mayor será el volumen de material precursor que reacciona para un depósito de película fina más eficiente. El vacío permite controlar la cantidad de material de entrada durante el procesamiento. El sistema está formado por una cámara de deposición, cámaras de introducción, un sistema de bombeo de vacío, un sistema de escape, un sistema de entrada de gas y un sistema interconectado de tubos. Además, los accesorios y las herramientas para sujetar y mover los sustratos son importantes para el diseño del sistema.
Tratamiento
Hay tres parámetros principales que determinan tanto la densidad de deposición, la velocidad y las características de la película.
- 1) Transporte de masa: flujo y difusión de fluidos.
- 2a)Reacciones energéticas
- 2b)Reacción química (Química de fases) [4]
En la figura 4 se muestra un esquema que ilustra el aparato que interviene en el proceso de deposición de vapor. Se añaden componentes menores en función del proceso de deposición específico.
Transporte masivo
El material precursor ingresa a la cámara mediante un flujo de fuerza de fluido. El gas inerte sigue los flujos a lo largo de las líneas de corriente por difusión dentro de la cámara. Las reacciones de deposición son impulsadas por el gradiente de concentración dentro de la cámara de reacción. El material ionizado se difunde a través de las capas límite del sustrato y se forma la primera película. Después de que se produce la deposición inicial, se forman subproductos moleculares y se produce la desabsorción a medida que el exceso de material y los flujos de subproductos son succionados fuera de la cámara. [5]
Reacciones energéticas
En la deposición por pulverización electrostática (PVD), se utilizan métodos para reaccionar con el material precursor en la cámara de deposición, que luego reacciona con el sustrato. Se utilizan enormes cantidades de energía para romper físicamente los enlaces, distorsionar las redes e incrustar material vaporizado sobre y dentro del sustrato, lo que hace que se deposite una película a la fuerza. A menudo, los pulsos láser, la pulverización electrostática magnética y la evaporación por arco son ejemplos de cómo funciona este proceso. Los láseres se utilizan para romper los enlaces y forzar la expulsión del material. La pulverización electrostática magnética utiliza campos magnéticos para atraer el material precursor ionizado al precursor para expulsarlo y hacer que reaccione con el sustrato mediante fuerzas de alto impacto que incrustan la película en el sustrato. La evaporación por arco utiliza altos voltajes para fundir el material y crear columnas cargadas temporales en plasma cargado que atrae el material vaporizado, que luego se enfría rápidamente. [5]
Reacción química
Los gases reactivos ionizados se ven obligados a interactuar con el sustrato y depositar películas mediante reacciones químicas. El tipo de reacción depende del material elegido. El precursor entra en contacto con el sustrato y se produce la absorción del material en la superficie. El gas se difunde simultáneamente a través de la capa límite y se produce la descomposición de las moléculas precursoras y se convierte en una película sólida. [5]
Nucleación y crecimiento del recubrimiento
Las cuatro etapas del crecimiento del recubrimiento
- (1) Inicialmente se produce la nucleación de átomos individuales en la superficie.
- (2)Si el tiempo de migración de un átomo en la superficie es lo suficientemente grande como para encontrarse con otro átomo antes de evaporarse, estos átomos se unen para formar una isla.
- (3) Como la energía necesaria para evaporar un átomo del par es mayor que la necesaria para un átomo separado, comienzan a formarse islas estables (núcleos) en la superficie.
- (4)Las islas se fusionan hacia el oeste y se produce el crecimiento continuo de la película.
El siguiente enlace contiene un vídeo detallado del procesohttp://web.archive.org/web/20090609065617/http://www.pvd-coatings.co.uk:80/theory-of-pvd-coatings-nucleation-and-coating-growth.htm
Modelo de la zona de Thornton
Este modelo resume la relación entre la temperatura del sustrato, la energía cinética de los iones y la velocidad de deposición. Esto ilustra la relación entre la morfología del recubrimiento y la temperatura y presión de deposición.
Es importante saber que la temperatura del sustrato y la velocidad de deposición afectan la densidad del recubrimiento. Si el material se deposita con una temperatura de sustrato baja, los átomos condensados no tienen suficiente energía cinética (movilidad) para saltar a través de los sitios de la red y alcanzar posiciones de menor energía de Gibbs. También se observa un efecto similar cuando se utilizan velocidades de deposición altas.
Características del recubrimiento
En la práctica, cuando se realiza el recubrimiento, los parámetros que se buscan para aplicar el material con la mínima energía libre de Gibbs posible y hacer que el material sea ideal incluyen:
- De grano fino
- Impermeable
- Alta pureza
- Mejora las propiedades del material que recubre.
Métodos de deposición de vapor
Existen numerosos métodos para depositar películas delgadas sobre materiales de sustrato. Algunos de los más populares son:
Deposición láser de pulsos W
La deposición láser pulsada (PLD) es el uso de un láser de alta potencia que gira y se enfoca en un objetivo en una cámara de vacío. El material absorberá esta energía y se romperán los enlaces reticulares. Los átomos de la superficie se disocian y se expulsan en forma de {WP|ablación}{WP|pluma}. Las ciruelas en capas viajan a altas velocidades en esta cámara e inciden en la superficie de un sustrato giratorio. La pluma y el sustrato entran en contacto con altas energías de impacto; las partículas reaccionan en la superficie, se adhieren y se comprimen dejando un depósito de una película delgada en la superficie. Los pulsos láser continúan eliminando más producto y la película se espesa. Es importante señalar que durante este proceso pueden producirse implantaciones y pulverizaciones catódicas en un pequeño grado.
Pulverización magnética W
El magnetrón W Sputtering es un método de procesamiento que se utiliza para recubrir prácticamente cualquier material de cualquier forma y orientación. El sputtering es la eliminación de material atomizado de un sólido debido al bombardeo energético de sus capas superficiales por partículas ionizadas o neutras a altas velocidades de impacto. El sputtering magnético se realiza en condiciones ambientales cercanas al vacío. Durante este bombardeo de partículas, se introduce un flujo controlado de gas inerte para aumentar la presión y permitir que el magnetrón W funcione. Se aplica una fuente de alto voltaje negativo al material del sustrato que atrae iones positivos a altas velocidades. La energía de impacto, si es mayor que la energía de enlace del sitio de la red, crea una oscilación dentro del plano del cristal y causa efectos de retroceso; lo que resulta en un efecto de sputtering de los átomos de la superficie. El campo magnético dentro del sistema atrapa electrones secundarios. Los electrones fluyen en una trayectoria helicoidal alrededor de una línea magnética y, por lo tanto, se produce una mayor colisión ionizante con el gas inerte en el sistema.
Evaporación por arco W
El procesamiento por evaporación con arco W utiliza electricidad para depositar material precursor. Un arco de bajo voltaje y alta corriente se conecta a un cátodo microscópico. Esta fuente de corriente en cortocircuito es un área emisora altamente energética conocida como punto catódico. Esta temperatura concentrada, generalmente extremadamente alta, da como resultado una alta velocidad (10 km/s) de material catódico vaporizado que se retira de su ubicación creando microesferas fundidas en la superficie. Se libera un plasma con iones ionizados y partículas neutras. Se introduce un gas reactivo y se producirá la evaporación. Este gas llenará los puntos defectuosos de las esferas que dejó el cátodo y se depositará una película.
CVD mejorado con plasma
La deposición química en fase de vapor mejorada con plasma se utiliza principalmente para la deposición de películas dieléctricas y películas de pasivación como óxido de silicio o nitruro a baja temperatura. Este tipo de proceso se impulsa mediante el calentamiento de un gas o plasma en lugar del material secuestrado. Este proceso es ideal cuando los dopantes son relativamente bajos.
Los plasmas W se forman mediante un generador de radiofrecuencia. Estos iones reactivos se subdividen en variedades "térmicas" y "frías".
- Térmica: Energía suficientemente alta en las partículas para separar los electrones de los átomos.
- Frío - Temperaturas inferiores a las energías ionizadas
Los plasmas fríos son más eficaces por debajo de la presión atmosférica y son más prácticos en tecnologías de vacío. Los plasmas se adhieren a los sustratos de manera eficiente y tienen altas tasas de crecimiento.
Los iones reaccionan continuamente con el material de la película ya expuesto al plasma, existiendo una nueva carga positiva en la película del sustrato.
Otros métodos populares
- Deposición química de vapor a presión atmosférica
- Deposición fotoquímica de vapor
- Infiltración de vapor químico
- Epitaxia por haz químico
Aplicaciones
Actual
- Fibra óptica y telecomunicaciones
- Semiconductores (uso principal)
- Aeroespacial
- Automotor
- Quirúrgico/médico
- Matrices y moldes para todo tipo de procesamiento de materiales.
- Herramientas de corte [3]
Futuro
- Nano y biotecnología
- Equipo de exploración espacial
- Inmunología [3]
Mejoras actuales de procesos y materiales
Mejoras en la aplicación física
Existen daños por bombardeo de partículas. El daño se limita a la capa superior del material debido a la aplicación de las películas. Las películas cubren estas imperfecciones, pero su aplicación puede tener una gran influencia en las propiedades mecánicas del material. [5]
Los rayos de fotones también pueden dañar los materiales si se aplican con energías superiores a 10 eV en la banda de conducción.
Contaminación
La contaminación por subproductos dentro de la cámara de deposición es consecuencia de una ventilación interna deficiente. El material de subproductos queda atrapado en las válvulas y se cristaliza alrededor de ellas y otras piezas móviles, lo que genera un mayor mantenimiento de la máquina y un mayor tiempo de inactividad. El material también se cristaliza después de recubrir estas piezas móviles y luego vuelve a entrar en el lugar donde el material precursor se está convirtiendo en una película y contamina el proceso, lo que conduce a una menor eficiencia. Es necesario abordar los subproductos cristalinos que se depositan dentro de todo el sistema de vacío. [6]
- Reduce la conductancia de la línea de bombeo de vacío, lo que ralentiza el proceso y reduce el rendimiento del sistema. [6]
- Puede provocar desviaciones en los medidores de vacío del proceso, lo que a su vez hace que el proceso se degrade respecto de su rendimiento original. [6]
- Puede convertirse en una fuente de generación de partículas a partir del reflujo del material depositado hacia la cámara de proceso. [6]
A continuación se presentan algunas sugerencias para mejorar dichos retardantes.
- Instalar componentes de ventilación para evitar la retroalimentación negativa del material entre la cámara de deposición y la entrada [6]
- Instalar válvulas de estrangulamiento para igualar la velocidad y aumentar la presión para evitar la retroalimentación negativa. [6]
- Instalar algún tipo de dispositivo de calentamiento para evitar que el material se cristalice y contamine las películas. [6]
Perfil aerodinámico y cañón de haz de electrones/láser para proceso PVD
Se puede mejorar la eficiencia al aplicar una película delgada como revestimiento sobre un sustrato en el que la conductividad térmica del material cerámico se reduce o disminuye hasta en un 10%. Estos revestimientos de barrera térmica tienen características de rendimiento mejoradas. Se aplican con la ayuda de un haz de electrones o láser.
En el interior del aparato se encuentran dos o más cañones de haz de electrones. Hay una fuente de alta energía disponible para fundir y vaporizar el precursor a través de una serie de lentes. Un perfil aerodinámico se coloca a una distancia crítica 'c' del perfil aerodinámico. Cuando el material precursor entra en la cámara de deposición, sufre un flujo más laminar que se dispersa, redirige las fuerzas internas dentro de la cámara y acelera el proceso de aplicación. Los cañones de haz de iones/láseres obligan rápidamente al precursor a reaccionar a esta presión estable y enfriarse rápidamente. Este proceso se repite para permitir que se deposite una cantidad mínima de material sobre el sustrato con una pérdida mínima de energía térmica. Este proceso ocurre muy rápidamente. El sistema de deposición de vapor puede permanecer más o menos igual con pocos complementos al aparato, lo que hace que el proceso sea factible para que las empresas lo utilicen en su proceso de fabricación.
No es necesario cambiar el material precursor porque los láseres permiten cierto crecimiento del material depositado. El tamaño al que crecen los granos es controlable. La siguiente teoría lo explica.
k es la conductividad térmica p es la densidad c es la difusividad térmica Cp es el calor específico
(1) k = p*c*cp
Además, la ecuación de estado estable es: j es el flujo de calor (2) j = k*(dTemp/espesor) iguala 1 y 2
Por lo tanto: k1/t1 = k2/t2; basado en la relación entre el espesor y la densidad del material.
De esta manera, se puede aumentar la densidad del material mediante el láser y reducir su espesor, lo que demuestra que se necesita menos material por capa de película y por unidad de producción. [7]
Escudo para eficiencia de pulverización catódica
Para mejorar el proceso de pulverización catódica, tanto en la ablación láser como en la pulverización catódica magnética, se diseñó e instaló un escudo para evitar que el material se depositara en las paredes de la cámara. Se instaló en el sistema un metal curvado cóncavo con una carga. El material cargado tiene como objetivo repeler el material precursor ionizado destinado al objetivo y evitar que se convierta en desecho en las paredes de la cámara. La forma cóncava tenía como objetivo cambiar las líneas de campo magnético para que no se intersequen entre sí, manipulándolas para que se intersequen y mejorar la direccionalidad vertical del material pulverizado para que se dirija hacia el sustrato, lo que hace que el sistema sea más eficiente. Esta placa cóncava se coloca en la dirección ortogonal a las líneas de campo magnético y eléctrico. La parte curva del escudo se dobla hacia adentro para proteger la deposición contra la pared inferior. . [8]
Referencias
- ↑ Saltar a:1.0 1.1 1.2 1.3 Recubrimientos PVD. "Una teoría de los recubrimientos PVD", http://www.pvd-coatings.co.uk/theory.htm,(2) ,
- ↑ Mark Allendorf, "De Bunsen a VLSI: 150 años de crecimiento en la tecnología de deposición química en fase de vapor", The electrochemical society IF3-98 (1), 36-39
- ↑ Saltar a:3.0 3.1 3.2 3.3 Azom - Materiales "Deposición física de vapor (PVD) una introducción", http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=1558(4) ,
- ↑ Saltar a:4.0 4.1 TimeDomain CVD, Inc. "El proceso CVD en su totalidad", http://www.timedomaincvd.com/CVD_Fundamentals/Fundamentals_of_CVD.html (6),
- ↑ Saltar a:5.0 5.1 5.2 5.3 Mattox. D,M. 1998 William Publishing." Manual de procesamiento de deposición física de vapor (PVD) ",. http://www.knovel.com.proxy.queensu.ca/web/portal/basic_search/display?_EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=63(5) ,
- ↑ Saltar a:6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Tecnología de estado sólido. "Mejoras en los procesos de grabado y de deposición química de vapor". http://web.archive.org/web/20090420203519/http://www.solid-state.com:80/display_article/87675/5/none/none/Feat/-Etch-and-CVD-process-improvements-via-heated-vacuum-throttle-valve (7),
- ↑ Joseph D. Rigney, David J. Wortman, "Propiedades físicas de los revestimientos de barrera térmica mediante el uso de rayos de electrones" Google Patents #6620465(9), 36-39
- ↑ Tanaka, Yoichiro. "Escudo para deposición física de vapor" Patente n.° 5, 824, 197(3), 36-39