La deposición por pulverización catódica es un método de deposición física de vapor (PVD) de deposición de película delgada mediante el fenómeno de la pulverización catódica . Esto implica expulsar material de un "objetivo" que es una fuente hacia un "sustrato", como una oblea de silicio . La resputación es la reemisión del material depositado durante el proceso de deposición mediante bombardeo de iones o átomos. [1] [2] Los átomos pulverizados expulsados del objetivo tienen una amplia distribución de energía, normalmente hasta decenas de eV (100.000 K ). Los iones pulverizados (normalmente sólo una pequeña fracción de las partículas expulsadas están ionizadas , del orden del 1 por ciento) pueden volar balísticamente desde el objetivo en línea recta e impactar energéticamente sobre los sustratos o la cámara de vacío (provocando una nueva pulverización). Alternativamente, a presiones de gas más altas, los iones chocan con los átomos del gas que actúan como moderador y se mueven de manera difusa, alcanzando los sustratos o la pared de la cámara de vacío y condensándose después de sufrir un paseo aleatorio . Se puede acceder a toda la gama, desde el impacto balístico de alta energía hasta el movimiento termalizado de baja energía, cambiando la presión del gas de fondo. El gas de pulverización suele ser un gas inerte como el argón . Para una transferencia de impulso eficiente, el peso atómico del gas de pulverización debe estar cerca del peso atómico del objetivo, por lo que para la pulverización de elementos ligeros es preferible el neón , mientras que para los elementos pesados se utiliza criptón o xenón . [3] Los gases reactivos también se pueden utilizar para pulverizar compuestos. El compuesto se puede formar en la superficie objetivo, en vuelo o en el sustrato, dependiendo de los parámetros del proceso. La disponibilidad de muchos parámetros que controlan la deposición por pulverización catódica lo 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 sigue siendo una de sus aplicaciones más importantes, es la producción de discos duros de ordenador . 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 finas capas antirreflectantes 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 familiar de la pulverización catódica son los recubrimientos de baja emisividad sobre vidrio , utilizados en conjuntos de ventanas de doble panel. 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 para 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 de metal (por ejemplo, aluminio) durante la fabricación de CD y DVD.
Las superficies del disco duro utilizan CrOx pulverizado y otros materiales pulverizados. La pulverización catódica es uno de los principales procesos de fabricación de guías de ondas ópticas y es otra forma de fabricar células solares fotovoltaicas eficientes.
En 2022, los investigadores del IMEC construyeron qubits superconductores de laboratorio con tiempos de coherencia superiores a 100 µs y una fidelidad de puerta promedio de un solo qubit del 99,94 %, utilizando técnicas de fabricación compatibles con CMOS , como la deposición por pulverización catódica y el grabado sustractivo. [4]
El recubrimiento por pulverización catódica en microscopía electrónica de barrido es un proceso de deposición por pulverización catódica [ se necesita aclaración ] para cubrir una muestra con una capa delgada de material conductor, típicamente un metal, como una aleación de oro / paladio (Au/Pd). Se necesita un recubrimiento conductor para evitar la carga de una 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 secundarios de electrones), son de calidad inferior cuando se emplea espectroscopía de rayos X. Por este motivo, cuando se utiliza espectroscopía de rayos X se prefiere un recubrimiento de carbono. [5]
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 una celda Knudsen es problemática o imposible. Las películas depositadas por pulverización catódica tienen una composición cercana a la del material original. La diferencia se debe a que los diferentes elementos se propagan de manera diferente debido a su diferente masa (los elementos ligeros son desviados 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 objetivo contiene una gran cantidad de material y no requiere mantenimiento, lo que hace que la técnica sea adecuada para aplicaciones de vacío ultraalto. Las fuentes de pulverización catódica no contienen partes calientes (para evitar el calentamiento, normalmente 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 el proceso es más difícil de combinar con un despegue para estructurar la película. Esto se debe a que el transporte difuso, característico del chisporroteo, hace imposible una sombra completa. Por lo tanto, no se puede restringir completamente el destino de los átomos, lo que puede provocar problemas de contaminación. Además, el control activo del crecimiento capa por capa es difícil en comparación con la deposición por láser pulsado y se incorporan gases inertes de pulverización catódica en 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 rayo láser para la pulverización catódica. El papel de los iones pulverizados y resoplados y del gas de fondo se investiga a fondo durante el proceso de deposición con láser pulsado. [6] [7]
Las fuentes de pulverización a menudo emplean magnetrones que utilizan fuertes campos eléctricos y magnéticos para confinar partículas de plasma cargadas cerca de la superficie del objetivo de pulverización. En un campo magnético, los electrones siguen trayectorias helicoidales alrededor de las líneas del campo magnético, sufriendo más colisiones ionizantes con gases neutros cerca de la superficie del objetivo que las que ocurrirían de otra manera. (A medida que el material objetivo se agota, puede aparecer un perfil de erosión en forma de "pista de carreras" en la superficie del objetivo). El gas de pulverización es típicamente un gas inerte como el argón. Los iones de argón adicionales creados como resultado de estas colisiones conducen a una mayor tasa de deposición. De esta manera 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 objetivos aislantes se puede evitar con el uso de pulverización catódica de RF , donde el signo de la polarización ánodo-cátodo varía a una velocidad alta (comúnmente 13,56 MHz ). [8] La pulverización catódica de RF funciona bien para producir películas de óxido altamente aislantes, pero con el gasto adicional de fuentes de alimentación de RF y redes de adaptación de impedancia . Los campos magnéticos perdidos que se escapan de objetivos ferromagnéticos también perturban el proceso de pulverización. Como compensación, a menudo se deben utilizar pistolas de pulverización especialmente diseñadas con imanes permanentes inusualmente fuertes.
La pulverización catódica por haz de iones (IBS) es un método en el que el objetivo es externo a la fuente de iones . Una fuente puede funcionar sin ningún campo magnético como en un medidor de ionización de filamento caliente . En una fuente Kaufman , los iones se generan por colisiones con electrones que están confinados por un campo magnético como en un magnetrón. Luego son acelerados por el campo eléctrico que emana de una rejilla hacia un objetivo. Cuando los iones abandonan la fuente, son neutralizados por electrones de un segundo filamento externo. El IBS tiene la ventaja de que la energía y el flujo de iones se pueden controlar de forma independiente. Dado que el flujo que incide sobre el objetivo está compuesto de átomos neutros, se pueden pulverizar objetivos tanto aislantes como conductores. IBS ha encontrado aplicación en la fabricación de cabezales de película fina 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 disparándola a través de un tubo hacia la cámara de muestra. Esto ahorra gas y reduce la contaminación en aplicaciones UHV . El principal inconveniente del IBS es la gran cantidad de mantenimiento necesario para mantener operativa la fuente de iones. [9]
En la pulverización catódica reactiva, las partículas pulverizadas de un material objetivo sufren una reacción química con el objetivo de depositar una película con diferente composición sobre un determinado sustrato. La reacción química que sufren las partículas es con un gas reactivo introducido en la cámara de pulverización, como oxígeno o nitrógeno, permitiendo la producción de películas de óxido y nitruro, respectivamente. [10] La introducción de un elemento adicional al proceso, es decir, el gas reactivo, tiene una influencia significativa en las deposiciones deseadas, dificultando la búsqueda de puntos ideales de trabajo. Así, la gran mayoría de los procesos de pulverización catódica basados en reactivos se caracterizan por un comportamiento similar a la histéresis, por lo que necesitan un control adecuado de los parámetros involucrados, por ejemplo, la presión parcial de los gases de trabajo (o inertes) y reactivos, para socavarlo. [11] Berg et al. propusieron un modelo significativo, es decir, el modelo de Berg, para estimar el impacto de la adición del gas reactivo en los procesos de pulverización catódica. Generalmente, la influencia de la presión relativa y el flujo del gas reactivo se estimaron de acuerdo con la erosión del objetivo y la tasa de deposición de la película sobre el sustrato deseado. [12] La composición de la película se puede controlar variando las presiones relativas de los gases inerte y reactivo. La estequiometría de la película es un parámetro importante para optimizar propiedades funcionales como la tensión en SiN x y el índice de refracción de SiO x .
En la deposición asistida por iones (IAD), el sustrato se expone a un haz de iones secundario que funciona a una potencia menor que la pistola de pulverización. Normalmente una fuente Kaufman, como la que se utiliza en el SII, suministra el haz secundario. El IAD se puede utilizar para depositar carbono en forma similar a un diamante sobre un sustrato. Cualquier átomo de carbono que aterrice en el sustrato y que no se una correctamente en 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 las palas de las turbinas en la década de 1980. IAD se utiliza en otras aplicaciones industriales importantes, como la creación de recubrimientos de superficie de carbono amorfo tetraédrico en platos de disco duro y recubrimientos duros de nitruro de metales de transición en implantes médicos.
La pulverización catódica también puede realizarse mediante generación remota de un plasma de alta densidad. El plasma se genera en una cámara lateral que se abre hacia la cámara de proceso principal, que contiene el objetivo y el sustrato a recubrir. Como el plasma se genera de forma remota, y no desde el objetivo en sí (como en la pulverización catódica convencional ), la corriente iónica que llega al objetivo es independiente del voltaje aplicado al objetivo.
HiPIMS es un método para la deposición física de vapor de películas delgadas que se basa en la deposición por pulverización catódica con magnetrón. HiPIMS utiliza densidades de potencia extremadamente altas del orden de kW/cm 2 en pulsos cortos (impulsos) de decenas de microsegundos con un ciclo de trabajo bajo de < 10%.
La pulverización catódica con flujo de gas utiliza el efecto de cátodo hueco , el mismo efecto mediante el cual funcionan las lámparas de cátodo hueco . En la pulverización catódica con flujo de gas, un gas de trabajo como el argón se conduce a través de una abertura en un metal sometido a un potencial eléctrico negativo. [13] [14] Se producen densidades de plasma mejoradas en el cátodo hueco, si la presión en la cámara p y una dimensión característica L del cátodo hueco obedecen la ley de Paschen 0,5 Pa·m < p · L < 5 Pa·m. Esto provoca un alto flujo de iones en las superficies circundantes y un gran efecto chisporroteo. Por lo tanto, la pulverización catódica con flujo de gas basada en cátodo hueco puede asociarse con velocidades de deposición elevadas, hasta valores de unos pocos µm/min. [15]
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 mediante pulverización catódica con CC, [16] amplió el concepto de zona estructural introducido inicialmente por Movchan y Demchishin para películas evaporadas . [17] 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 ampliación fue enfatizar la presión p como parámetro decisivo del proceso. En particular, si se utilizan técnicas hipertérmicas como la pulverización catódica, etc., para la sublimación de los 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. Por lo tanto, al considerar un proceso de deposición , además de la temperatura de deposición T d, siempre se debe indicar la presión de la cámara o el recorrido libre medio.
Dado que la deposición por pulverización pertenece al grupo de los procesos asistidos por plasma, además de los átomos neutros, también especies cargadas (como los iones de argón) golpean la superficie de la película en crecimiento, y este componente puede ejercer un gran efecto. Al designar los flujos de los iones y átomos que llegan con Ji y Ja , resultó que la magnitud de la relación Ji /Ja juega un papel decisivo en la microestructura y morfología obtenida en la película. [18] El efecto del bombardeo iónico puede derivarse cuantitativamente de parámetros estructurales como la orientación preferida de los cristalitos o la textura y del estado de tensión residual . Recientemente se ha demostrado [19] 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 mediante granallado .
