Crecimiento de películas en un proceso PVD

Las etapas de crecimiento de una película en un proceso PVD pueden ser definidas así [14]:

ƒ Condensación y nucleación de los adatomos sobre la superficie ƒ Crecimiento de los núcleos

ƒ Formación de la interfase

ƒ Crecimiento de la película – nucleación y reacción con material depositado previamente

2.1.7.1 Condensación y nucleación

Los átomos que inciden sobre una superficie en un medio vacío son ya sea reflejados inmediatamente, re-evaporados después de un tiempo de residencia o condensados sobre la superficie (figura 4). Si los átomos no reaccionan inmediatamente con la superficie, ellos tendrán cierto grado de mobilidad superficial antes de que ellos condensen. Los átomos móviles sobre la superficie son llamados adatomos. La re-evaporación es una función de la energía de enlace entre el adatomo y la superficie, la temperatura superficial y el flujo de adatomos móviles [14].

Movilidad superficial:

La movilidad de un átomo sobre una superficie dependerá de la energía del átomo, de las interacciones átomo-superficie (enlace químico) y la temperatura de la superficie. La movilidad en una superficie puede variar debido a cambios en la química o cristalografía. Los diferentes planos cristalográficos de una superficie tienen diferentes energías libres superficiales que afectan la difusión superficial. Esto significa que diversos planos cristalográficos crecerán en diferentes proporciones durante la condensación de los adatomos.

Nucleación:

Los átomos condensan sobre una superficie por pérdida de energía y enlace con otros átomos. Ellos pierden energía por reacción química con los átomos de la superficie del sustrato, encontrando sitios de nucleación preferencial (por ejemplo, defectos de red, escalones atómicos, impurezas), la colisión con otros átomos superficiales que difunden y la colisión con especies superficiales por adsorción. Los átomos que condensan reaccionan con la superficie para formar enlaces

químicos átomo- a – átomo. Los enlaces químicos pueden ser por enlace metálico, enlace electrostática, o por atracción electrostática. Si la interacción átomo-átomo es fuerte, la movilidad superficial es baja y cada átomo superficial puede actuar como un sitio de nucleación. Si el enlace químico resultante entre el átomo condensado y la superficie es fuerte, se dice que el átomo es “quimiabsorbido” [14].

Si la interacción adatomo-superficie es débil, el adatomo tendrá una alta movilidad superficial y condensará en sitios de nucleación preferencial donde hay enlaces más fuertes ya sea debido a un cambio en la química (elemental o electrónica) o un incremento en el número de coordinación. Los sitios de nucleación preferencial pueden ser: discontinuidades morfológicas superficiales, defectos de red en la superficie tales como defectos puntuales o límites de grano, otro tipo de átomos incorporados en la superficie, sitios de carga en superficies aislantes, o áreas superficiales que tienen diferente química u orientación cristalográfica [14].

2.1.7.2 Crecimiento de núcleos

Los núcleos crecen coleccionando adatomos, estos inciden sobre el núcleo directamente o migran en la superficie hacia los núcleos. Tres tipos diferentes de mecanismos de nucleación han sido identificados dependiendo de la naturaleza de la interacción entre los átomos depositados y el material del sustrato [15-16-17]: (a) el mecanismo van der Merwe conduce a un crecimiento monocapa por monocapa. (b) el mecanismo Volmer-Weber caracterizado por una nucleación y crecimiento tridimensional. (c) el mecanismo Stranski-Krastanov (S-K) donde se forma una capa superficial alterada por reacción del material depositado, generando una estructura deformada o pseudomórfica, seguido por la nucleación de cluster sobre esta capa alterada. Las condiciones para estos tipos de crecimiento son generalmente descritas en términos de consideraciones termodinámicas y energía superficial [18-19].

2.1.7.3 Formación de la interfase

El material en la región “interfasial”. El material en la región interfacial ha sido llamado el “material interfase”y sus propiedades son importantes para la adherencia, propiedades eléctricas y electrónicas de sistemas película-sustrato. El tipo y grado de la región que compone la interfase puede cambiar con los procesos de deposición o ser modificada por tratamientos post-deposición. Estas regiones se categorizan como [20]: abrupta, difusión, compuesta (también requiere difusión), pseudodifusión, reactivamente calificado, combinación de las anteriores.

Interfase de difusión:

La interfase por difusión está caracterizada por un cambio gradual o gradación en composición sin formación de compuesto. La interfase de difusión se forma cuando hay solubilidad sólida mutua entre la película y el material del sustrato y el tiempo y la temperatura son suficientes para permitir que la difusión ocurra. Si hay contaminación presente en la superficie, la difusión puede no ocurrir. El grado de difusión en la interfase depende del tiempo y la temperatura. Las diferentes tasas de difusión de los materiales de la película y el sustrato pueden crear porosidad en el material interfase (porosidad Kirkendall). Esta porosidad puede debilitar el material de la interfase facilitando la fractura y fallas por adherencia. La interfase de difusión conduce generalmente a la buena adherencia, pero si la región de reacción es demasiado gruesa, el desarrollo de porosidad puede conducir a la pobre adherencia. La composición de la interfase, la estructura y el espesor pueden ser modificados por: (a) limpieza superficial del sustrato y preparación de la superficie, (b) cambio en la temperatura del sustrato y el tiempo de deposición, (c) energía en la región superficial durante la deposición.

2.1.7.4 Crecimiento de la película

Las películas crecen por nucleación continuada de átomos que se depositan sobre material depositado previamente [21] y la superficie va siendo continuamente cubierta por nuevo material depositado. El crecimiento de la película, así como el modo de nucleación determinan muchas propiedades de la película tales como densidad de la película, área superficial, morfología superficial y tamaño de grano. Los aspectos más importantes en el crecimiento de la película son: (a) rugosidad superficial y temperatura superficial del sustrato [22] –inicialmente y durante la formación de la película, (b) movilidad superficial adatomica [23], (c) efectos geométricos – efectos del ángulo de incidencia, (d) reacción y transporte de masa durante la deposición (por ejemplo efectos de segregación) [24]. Generalmente a medida que la película crece, la rugosidad superficial incrementa debido a que algunos planos cristalográficos crecen más rápidamente que otros.

2.2 SISTEMA DE DEPOSICIÓN POR ARCO PULSADO UTILIZANDO LA