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Chisporroteo

Un sistema de pulverización catódica comercial AJA Orion en las instalaciones de ciencia y tecnología a nanoescala de Cornell
Propulsor iónico que funciona con yodo (amarillo) y utiliza un cátodo hueco de xenón (azul). Los iones de alta energía emitidos por los propulsores de plasma expulsan material de la cámara de prueba circundante, lo que causa problemas para las pruebas en tierra de los propulsores de alta potencia. [1]

En física, la pulverización catódica es un fenómeno en el que partículas microscópicas de un material sólido son expulsadas de su superficie, después de que el material mismo sea bombardeado por partículas energéticas de un plasma o gas . [2] Ocurre de forma natural en el espacio exterior y puede ser una fuente no deseada de desgaste en componentes de precisión. Sin embargo, el hecho de que pueda actuar sobre capas extremadamente finas de material se utiliza en la ciencia y la industria: allí, se utiliza para realizar grabados precisos , llevar a cabo técnicas analíticas y depositar capas de película delgada en la fabricación de recubrimientos ópticos , dispositivos semiconductores y productos nanotecnológicos . Es una técnica de deposición física de vapor . [3]

Física

Cuando los iones energéticos chocan con los átomos de un material objetivo, se produce un intercambio de momento entre ellos. [2] [4] [5]

Pulverización catódica a partir de una cascada de colisiones lineales. La línea gruesa ilustra la posición de la superficie, donde todo lo que se encuentra debajo son átomos dentro del material, y las líneas más delgadas representan las trayectorias de movimiento balístico de los átomos desde el inicio hasta que se detienen en el material. El círculo violeta es el ion entrante. Los círculos rojo, azul, verde y amarillo ilustran los retrocesos primario, secundario, terciario y cuaternario, respectivamente. Dos de los átomos se mueven fuera de la muestra, es decir, son pulverizados catódicamente.

Estos iones, conocidos como "iones incidentes", desencadenan cascadas de colisiones en el objetivo. Estas cascadas pueden tomar muchos caminos; algunas retroceden hacia la superficie del objetivo. Si una cascada de colisiones alcanza la superficie del objetivo y su energía restante es mayor que la energía de enlace de la superficie del objetivo , se expulsará un átomo. Este proceso se conoce como "pulverización catódica". Si el objetivo es delgado (a escala atómica), la cascada de colisiones puede llegar hasta su parte posterior; se dice que los átomos expulsados ​​de esta manera escapan de la energía de enlace de la superficie "en transmisión".

El número promedio de átomos expulsados ​​del objetivo por cada ion incidente se denomina "rendimiento de pulverización catódica". El rendimiento de pulverización catódica depende de varios factores: el ángulo en el que los iones chocan con la superficie del material, la cantidad de energía con la que chocan, sus masas, las masas de los átomos del objetivo y la energía de enlace de la superficie del objetivo. Si el objetivo posee una estructura cristalina , la orientación de sus ejes con respecto a la superficie es un factor importante.

Los iones que causan la pulverización catódica provienen de una variedad de fuentes: pueden provenir de plasma , fuentes de iones especialmente construidas , aceleradores de partículas , espacio exterior (por ejemplo, viento solar ) o materiales radiactivos (por ejemplo, radiación alfa ).

Un modelo para describir la pulverización catódica en el régimen de cascada para blancos planos amorfos es el modelo analítico de Thompson. [6] Un algoritmo que simula la pulverización catódica basado en un tratamiento mecánico cuántico que incluye la extracción de electrones a alta energía se implementa en el programa TRIM . [7]

Otro mecanismo de pulverización catódica física se denomina "pulverización catódica por pico de calor". Esto puede ocurrir cuando el sólido es lo suficientemente denso y el ion entrante lo suficientemente pesado como para que las colisiones se produzcan muy cerca unas de otras. En este caso, la aproximación de colisión binaria ya no es válida y el proceso de colisión debe entenderse como un proceso de muchos cuerpos. Las colisiones densas inducen un pico de calor (también llamado pico térmico), que esencialmente funde una pequeña porción del cristal. Si esa porción está lo suficientemente cerca de su superficie, se pueden expulsar grandes cantidades de átomos, debido al líquido que fluye hacia la superficie y/o a microexplosiones. [8] La pulverización catódica por pico de calor es más importante para los iones pesados ​​(por ejemplo, Xe o Au o iones de cúmulo) con energías en el rango de keV-MeV que bombardean metales densos pero blandos con un punto de fusión bajo (Ag, Au, Pb, etc.). La pulverización catódica por pico de calor a menudo aumenta de forma no lineal con la energía y puede, para iones de cúmulo pequeños, conducir a rendimientos de pulverización catódica dramáticos por cúmulo del orden de 10 000. [9] Para ver animaciones de dicho proceso, consulte "Re: Cascada de desplazamiento 1" en la sección de enlaces externos.

La pulverización catódica física tiene un umbral de energía mínimo bien definido, igual o mayor que la energía iónica en la que la máxima transferencia de energía del ion a un átomo objetivo es igual a la energía de enlace de un átomo de la superficie. Es decir, solo puede ocurrir cuando un ion es capaz de transferir más energía al objetivo de la que se requiere para que un átomo se desprenda de su superficie.

Este umbral suele estar entre diez y cien eV .

La pulverización catódica preferencial puede ocurrir al principio cuando se bombardea un objetivo sólido de varios componentes y no hay difusión en estado sólido. Si la transferencia de energía es más eficiente hacia uno de los componentes del objetivo, o si está menos fuertemente ligado al sólido, la pulverización catódica será más eficiente que la del otro. Si en una aleación AB se pulveriza catódicamente el componente A de manera preferencial, la superficie del sólido, durante un bombardeo prolongado, se enriquecerá con el componente B, lo que aumenta la probabilidad de que B se purgue catódicamente de modo que la composición del material pulverizado finalmente regrese a AB.

Pulverización electrónica

El término "sputtering electrónico" puede significar tanto el sputtering inducido por electrones energéticos (por ejemplo, en un microscopio electrónico de transmisión), como el sputtering debido a iones pesados ​​de muy alta energía o altamente cargados que pierden energía en el sólido, principalmente por poder de frenado electrónico , donde las excitaciones electrónicas causan sputtering. [10] El sputtering electrónico produce altos rendimientos de sputtering a partir de aislantes , ya que las excitaciones electrónicas que causan sputtering no se extinguen inmediatamente, como lo harían en un conductor. Un ejemplo de esto es la luna cubierta de hielo de Júpiter , Europa , donde un ion de azufre MeV de la magnetosfera de Júpiter puede expulsar hasta 10.000 moléculas de H 2 O. [11]

Posible chisporroteo

Un sistema de pulverización catódica comercial

En el caso de iones de proyectiles con carga múltiple, puede producirse una forma particular de pulverización electrónica que se ha denominado pulverización potencial . [12] [13] En estos casos, la energía potencial almacenada en iones con carga múltiple (es decir, la energía necesaria para producir un ion de este estado de carga a partir de su átomo neutro) se libera cuando los iones se recombinan durante el impacto en una superficie sólida (formación de átomos huecos ). Este proceso de pulverización se caracteriza por una fuerte dependencia de los rendimientos de pulverización observados en el estado de carga del ion que impacta y ya puede producirse a energías de impacto de iones muy por debajo del umbral de pulverización física. La pulverización potencial solo se ha observado para ciertas especies objetivo [14] y requiere una energía potencial mínima. [15]

Grabado y pulverización química

La eliminación de átomos mediante pulverización catódica con un gas inerte se denomina molienda de iones o grabado de iones .

La pulverización catódica también puede desempeñar un papel en el grabado con iones reactivos (RIE), un proceso de plasma que se lleva a cabo con iones y radicales químicamente activos, para el cual el rendimiento de la pulverización catódica puede mejorarse significativamente en comparación con la pulverización catódica física pura. Los iones reactivos se utilizan con frecuencia en equipos de espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para mejorar las velocidades de pulverización catódica. Los mecanismos que provocan la mejora de la pulverización catódica no siempre se comprenden bien, aunque el caso del grabado con flúor del Si se ha modelado bien teóricamente. [16]

La pulverización catódica que se observa por debajo del umbral de energía de la pulverización catódica física también se suele denominar pulverización catódica química. [2] [5] Los mecanismos detrás de dicha pulverización catódica no siempre se comprenden bien y pueden ser difíciles de distinguir del grabado químico . A temperaturas elevadas, se puede entender que la pulverización catódica química del carbono se debe a que los iones entrantes debilitan los enlaces en la muestra, que luego se desorben por activación térmica. [17] La ​​pulverización catódica inducida por hidrógeno de materiales a base de carbono observada a bajas temperaturas se ha explicado por los iones H que entran entre los enlaces CC y, por lo tanto, los rompen, un mecanismo denominado pulverización catódica química rápida . [18]

Aplicaciones y fenómenos

La pulverización catódica solo se produce cuando la energía cinética de las partículas entrantes es mucho mayor que las energías térmicas convencionales ( ≫ 1 eV ). Cuando se realiza con corriente continua (pulverización catódica en CC), se utilizan voltajes de 3-5 kV. Cuando se realiza con corriente alterna ( pulverización catódica en RF ), las frecuencias rondan los 14 MHz.

Limpieza por pulverización catódica

Las superficies de los sólidos se pueden limpiar de contaminantes mediante pulverización catódica física en vacío . La limpieza por pulverización catódica se utiliza a menudo en la ciencia de superficies , la deposición al vacío y el recubrimiento iónico . En 1955, Farnsworth, Schlier, George y Burger informaron sobre el uso de la limpieza por pulverización catódica en un sistema de ultra alto vacío para preparar superficies ultralimpias para estudios de difracción de electrones de baja energía (LEED). [19] [20] [21] La limpieza por pulverización catódica se convirtió en una parte integral del proceso de recubrimiento iónico . Cuando las superficies a limpiar son grandes, se puede utilizar una técnica similar, la limpieza con plasma . La limpieza por pulverización catódica tiene algunos problemas potenciales, como el sobrecalentamiento, la incorporación de gas en la región de la superficie, el daño por bombardeo (radiación) en la región de la superficie y el engrosamiento de la superficie, especialmente si se hace demasiado. Es importante tener un plasma limpio para no volver a contaminar continuamente la superficie durante la limpieza por pulverización catódica. La redeposición del material pulverizado sobre el sustrato también puede generar problemas, especialmente a altas presiones de pulverización. La pulverización de la superficie de un compuesto o material de aleación puede provocar que se modifique la composición de la superficie. A menudo, la especie con menor masa o mayor presión de vapor es la que se pulveriza preferentemente desde la superficie.

Deposición de película

La deposición por pulverización catódica es un método de deposición de películas delgadas mediante pulverización catódica que implica la erosión de material de una fuente "objetivo" sobre un "sustrato", por ejemplo, una oblea de silicio , una célula solar, un componente óptico o muchas otras posibilidades. [22] La repulsión catódica , por el contrario, implica la reemisión del material depositado, por ejemplo, SiO 2 durante la deposición también mediante bombardeo de iones.

Los átomos pulverizados se expulsan a la fase gaseosa, pero no se encuentran en su estado de equilibrio termodinámico y tienden a depositarse en todas las superficies de la cámara de vacío. Un sustrato (como una oblea) colocado en la cámara se recubre con una película fina. La deposición por pulverización catódica suele utilizar un plasma de argón , ya que el argón, un gas noble, no reacciona con el material de destino.

Daños por chisporroteo

El daño por pulverización catódica suele definirse durante la deposición de electrodos transparentes en dispositivos optoelectrónicos, que suele originarse por el bombardeo del sustrato por especies altamente energéticas. Las principales especies involucradas en el proceso y las energías representativas se pueden enumerar como (valores tomados de [23] ):

Como se ve en la lista anterior, los iones negativos (por ejemplo, O − e In − para la pulverización catódica de ITO) formados en la superficie del objetivo y acelerados hacia el sustrato adquieren la mayor energía, que está determinada por el potencial entre los potenciales del objetivo y del plasma. Aunque el flujo de partículas energéticas es un parámetro importante, los iones negativos O − de alta energía son además las especies más abundantes en el plasma en caso de deposición reactiva de óxidos. Sin embargo, las energías de otros iones/átomos (por ejemplo, Ar + , Ar 0 o In 0 ) en la descarga pueden ser ya suficientes para disociar los enlaces superficiales o grabar capas blandas en ciertas tecnologías de dispositivos. Además, la transferencia de momento de partículas de alta energía del plasma (Ar, iones de oxígeno) o pulverizadas desde el objetivo podría incidir o incluso aumentar la temperatura del sustrato lo suficiente como para desencadenar la degradación física (por ejemplo, grabado) o térmica de capas de sustrato sensibles (por ejemplo, perovskitas de haluro metálico de película delgada).

Esto puede afectar las propiedades funcionales de las capas de pasivación y transporte de carga subyacentes y de los absorbedores o emisores fotoactivos, erosionando el rendimiento del dispositivo. Por ejemplo, debido al daño por pulverización catódica, puede haber consecuencias interfaciales inevitables, como la fijación del nivel de Fermi, causada por estados de brecha de interfaz relacionados con el daño, lo que resulta en la formación de una barrera Schottky que impide el transporte de portadores. El daño por pulverización catódica también puede perjudicar la eficiencia de dopaje de los materiales y la vida útil de los portadores de carga en exceso en materiales fotoactivos; en algunos casos, dependiendo de su extensión, dicho daño puede incluso conducir a una resistencia de derivación reducida. [23]

Aguafuerte

En la industria de semiconductores, se utiliza el grabado por pulverización catódica para grabar el objetivo. El grabado por pulverización catódica se elige en casos en los que se necesita un alto grado de anisotropía de grabado y la selectividad no es un problema. Una desventaja importante de esta técnica es el daño a las obleas y el uso de alto voltaje.

Para análisis

Otra aplicación de la pulverización catódica es la eliminación del material objetivo. Un ejemplo de ello se da en la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), en la que la muestra objetivo se pulveriza a una velocidad constante. A medida que se pulveriza el objetivo, se miden la concentración y la identidad de los átomos pulverizados mediante espectrometría de masas . De esta manera, se puede determinar la composición del material objetivo e incluso detectar concentraciones extremadamente bajas (20 μg/kg) de impurezas. Además, debido a que la pulverización catódica graba continuamente más profundamente en la muestra, se pueden medir los perfiles de concentración en función de la profundidad.

En el espacio

La pulverización catódica es una de las formas de erosión espacial, un proceso que cambia las propiedades físicas y químicas de los cuerpos sin aire, como los asteroides y la Luna . En las lunas heladas, especialmente Europa , la pulverización catódica del agua fotolizada de la superficie conduce a una pérdida neta de hidrógeno y a la acumulación de materiales ricos en oxígeno que pueden ser importantes para la vida. La pulverización catódica es también una de las posibles formas en que Marte ha perdido la mayor parte de su atmósfera y que Mercurio repone continuamente su tenue exosfera limitada por la superficie .

Óptica

Debido a su adaptabilidad con una amplia gama de materiales, la pulverización catódica se utiliza para crear varios tipos de recubrimientos que mejoran el rendimiento de los componentes ópticos. [24] Los recubrimientos antirreflectantes se aplican a lentes e instrumentos ópticos para minimizar la reflexión de la luz y aumentar la transmisión de la luz, lo que mejora la claridad y reduce el deslumbramiento. [25] La pulverización catódica también se utiliza para depositar recubrimientos reflectantes en espejos, lo que garantiza una alta reflectividad y durabilidad para aplicaciones como telescopios , cámaras y sistemas láser. [26]

Referencias

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