Preparación de películas finas - PVD

Hasta ahora, los métodos físicos más utilizados han sido la evaporación y el sputtering. Ambos son métodos en fase gaseosa en los que el material fuente se transfiere al sustrato uno a uno in situ. A menudo se denominan deposición física en fase de vapor (PVD). El PVD suele llevarse a cabo en una cámara de alto vacío para minimizar las interferencias con las especies gaseosas del entorno.

Evaporación

Existen dos tipos principales de evaporación. Se diferencian en el método de suministro de energía a la fuente. En uno de los métodos, se coloca una fuente en forma de pastilla en un evaporador⾈ metálico y se calienta mediante una corriente muy alta del orden de 100 A. Esto se denomina evaporación por calentamiento resistivo. Una ventaja de esta técnica es su simplicidad, ya que sólo se necesita una fuente de corriente continua de alta corriente (bajo voltaje) para alimentar la fuente. Las desventajas son la falta de eficacia del calentamiento y la contaminación. Como todas las partes del circuito de calentamiento están más calientes que las partículas de la fuente, también se evaporarán en cierta medida, lo que puede provocar contaminación y desgasificación.

El segundo método es el calentamiento por haz de electrones. En esta técnica, los electrones emitidos por el filamento calentado se aceleran mediante un alto voltaje del orden de 10 kV y se concentran en un pequeño punto de la partícula fuente. Dado que este proceso se realiza en el vacío, los electrones pueden acelerarse y manipularse fácilmente mediante el campo magnético sin colisionar con los sustratos de gas. Este método es más eficaz porque la energía se transfiere con precisión a las partículas fuente con un calentamiento mínimo de los demás dispositivos estacionarios. Como resultado, la contaminación se reduce al mínimo. Una desventaja de este método es la complejidad de la fuente de alimentación. El diseño de una fuente de alimentación de alto voltaje es más complejo que el de una fuente de alimentación de bajo voltaje y alta corriente. Las características de seguridad son también una consideración importante, ya que 10 kV CC pueden ser letales. No obstante, la evaporación por haz de electrones sigue siendo uno de los métodos de evaporación más utilizados en el desarrollo de películas finas.

Debido a la trayectoria física del material evaporado y al entorno de alto vacío, las películas producidas por evaporación tienden a ser orientadas y no conformes. Esto puede suponer una ventaja en muchas aplicaciones, como la litografía de decapado. La naturaleza altamente direccional del flujo de evaporación también se utiliza en una clase especial de películas denominadas películas nanoestructuradas. Estas películas no contienen estructuras isotrópicas apiladas al azar, sino que contienen columnas nanométricas y estructuras manuales nanométricas que pueden utilizarse para diseñar las propiedades eléctricas y ópticas de estas películas. Un tipo de patrón denominado litografía de máscara de sombra también se basa en la deposición en línea de visión y la evaporación no es adecuada.

Pulverización catódica

La deposición por pulverización catódica utiliza isótropos de gas excitados eléctricamente en un sistema de vacío. Los iones del plasma se aceleran hacia el cátodo y los protones neutros son expulsados de la superficie del cátodo durante el bombardeo. Los protones expulsados se acumulan en todas las superficies, incluida la del sustrato. Por lo tanto, el cátodo debe estar compuesto del mismo material fuente que el material depositado. A diferencia de la evaporación, aquí el material fuente se mantiene a baja temperatura detrás del agua mediante refrigeración por flujo. La expulsión de los átomos de la fuente (denominada en este contexto destino) se produce por transferencia de momento y no por calor. Esta es la diferencia fundamental entre el sputtering y la evaporación. Debido al impulso del evento, la película resultante será más densa y compacta en comparación con la evaporación. Las bajas temperaturas del blanco también permiten la deposición de determinados compuestos, como óxidos y nitruros, que de otro modo podrían descomponerse a las altas temperaturas que se alcanzan durante la evaporación. Sin embargo, en el caso de compuestos complejos, la deposición por láser pulsado es la técnica preferida al sputtering.

La pulverización catódica es más versátil que la evaporación y se utiliza más en los procesos industriales porque los cátodos y los isótopos pueden construirse con una gran variedad de formas para adaptarse a diferentes configuraciones de revestimiento. Pueden ser redondos, rectangulares, cilíndricos u otras formas especiales para satisfacer necesidades específicas.

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