III. MATERIAL Y MÉTODOS
3.4 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
3.4.1 Análisis de Difracción de Rayos X (XRD)
Para determinar la estructura cristalina, a las películas se les hizo pruebas de rayos X con un difractómetro, marca Rigaku, modelo Miniflex II con una sensibilidad del 1% y una radiación de Cu-Kα de longitud de onda 0.1540562 Å, cuya velocidad de escaneo es de
0.0204 grados/s, voltaje generador de rayos X de 45 KV y corriente de 40 mA. A cargo del grupo de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Nacional de Trujillo.
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Figura 22: Difractómetro de Rayos X Rigaku, modelo Miniflex II de la UNT
Además, se analizó el sustrato de Si (111), así como una película de Tántalo puro. Cabe indicar que para las películas de nitruro de tántalo se identificaron los picos de difracción y las fases presentes, así como información pertinente para el cálculo del parámetro de red y tamaño de grano. Todas las fases de las películas fueron identificadas con los patrones de difracción contenidas en JCPDS. (P. Alén 2005).
3.4.2 Análisis del Espesor (𝒕)
El centro de nanociencias y nanotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), cuenta con un Elipsómetro espectroscópico automático uvisel de Jobin-yvon, iluminado con un láser de 632.8nm y un ángulo de incidencia ajustable (70°,
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50°, 30°) el cual sirvió para esta etapa de medición del espesor de las películas. En coordinación con el Dr. Roberto Machorro Mejía, investigador de la UNAM.
La toma de datos y el cálculo de espesores e índices de refracción se realizó mediante un software de la misma marca. La obtención del espesor en películas delgadas es con una precisión y exactitud bastante aceptable. Se realizaron mediciones a tres muestras de nitruro de tántalo sobre sustrato de silicio. Se obtuvieron con precisión los valores de espesor consistiendo en una serie de parámetros matemáticos y ajuste, haciendo uso de simulación mediante un programa informático basado en el método matricial. Las mediciones se realizaron en la parte más uniforme de las muestras.
Figura 23: Elipsómetro de la UNAM
Además de la técnica de Elipsometría, se coordinó con el Mg. Iván Choque de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) para poder medir el espesor de las muestras fabricadas, teniendo en cuenta su trabajo de maestría, donde sustenta que el espesor de una película delgada se determina mediante la diferencia entre dos planos ubicados convenientemente sobre un gráfico tridimensional, tal que: Un plano (𝑥, 𝑦, 𝑧𝑝) está
conformado por el promedio de alturas correspondiente a una zona representativa de superficie de película delgada y otro plano (𝑥, 𝑦, 𝑧𝑠) está conformado por el promedio de
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alturas correspondientes a una zona representativa de la superficie del sustrato como se muestra en la figura 24a, donde t representa el espesor de la película delgada y los sub índices p y s hacen referencia a las topografías de película delgada y sustrato respectivamente teniendo en cuenta la topografía 3D y el uso del MATLAB.
Figura 24: (a) Espesor de la película con relieve superficial no uniforme, (b) Microscopio Interferencial tipo Michelson implementado en el Laboratorio de Óptica PUCP. (Choque J.
2016)
3.4.3 Análisis de la resistividad (ρ)
En esta investigación, la caracterización eléctrica consistió en la medición de las propiedades de transporte electrónico utilizando el método de las cuatro puntas colineales y usando un dispositivo elaborado especialmente para mediciones de resistencia eléctrica a bajas temperaturas considerando baquelitas de 5 x 5 cm, estobóles, resortes y un conector RJ 45 hembra. El nombre de esta técnica se debe al número de contactos eléctricos requeridos entre la muestra y las conexiones de los aparatos de medición. Por las dos puntas o sondas externas se aplicó una corriente eléctrica con una fuente de corriente programable
a
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de alta precisión DC Keithley 6220 y por las otras puntas internas se midió la diferencia de potencial resultante con un Nanovoltimetro Keithley 2182a. Para establecer los contactos, se conectaron los terminales eléctricos a la muestra utilizando diminutos "puntos" de pintura de plata (Ag) conductora.
Figura 25: Dispositivo para medir resistencia eléctrica de películas delgadas mediante la técnica de cuatro puntas colineales.
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Figura 26: Montaje del dispositivo para medir resistencia por técnica de 4 puntas
Una vez establecidos los contactos eléctricos, se puso la Termocupla para medir la variación de temperatura de las muestras para lo cual se usó un kit básico Fluke CNX- T3000 que consiste en un multímetro digital y un termómetro digital ambos inalámbricos, luego se puso el portamuestras en un sistema para controlar la temperatura de la muestra que permiten barrer temperaturas desde 77 K hasta temperatura ambiente 300 K y viceversa, y que consistió en tres vasos de precipitados Pyrex: El vaso 1 fue de 500 mL y contenía al nitrógeno líquido, el vaso 2 era de 150 mL para el intercambio de calor entre la muestra y el baño de nitrógeno líquido, el vaso 3 era de 10 mL y sirvió de soporte para la muestra y el sistema adaptado para medir la resistencia eléctrica, así como para evitar cualquier contacto entre la muestra y el nitrógeno líquido, que pueda deteriorar la misma (León L. 1997).
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Figura 27: Arreglo experimental para medir resistencia eléctrica en función de la temperatura.
La toma de datos se hizo de forma automática y permitió visualizar en el monitor el proceso de medición en tiempo real, registrándose tres medidas en simultáneo; la corriente eléctrica en microamperios (μA), el voltaje en milivoltios (mV), y la temperatura en grados centígrados (°C); para el cálculo de la resistencia eléctrica se convirtió todos los datos al sistema internacional y se usó la ley de Ohm (Ec. 5) para cada dato experimental.
Antes de utilizar el Nitrógeno Líquido y bajar la temperatura, se midió la resistencia eléctrica a temperatura ambiente (23 °C) de ambos; las películas de TaN y el silicio solo (sustrato), utilizando para esto la medición de resistencia eléctrica de cuatro puntas colineales con el Nanovoltimetro y la fuente de corriente de precisión Keithley antes mencionados.
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Figura 28: Instrumentos usados en la toma de datos. Computadora y software, Nanovoltimetro Keithley 2182a, fuente de corriente programable de alta precisión DC
Keithley 6220 y termómetro digital CNX T3000 Fluke
Después de haber tomado datos a temperatura ambiente para las películas de TaN y el silicio (sustrato), se procedió a medir la evolución de la resistencia eléctrica en función de la temperatura de las películas de nitruro de tántalo (TaN , en los rangos 77K – 300 K y viceversa); para esto se montó el arreglo experimental (figura 26 ) con los tres vasos Pyrex, el termómetro, la fuente de corriente y el Nanovoltimetro, luego se vertió el nitrógeno líquido dentro del vaso 1, hasta cubrir la altura del vaso 2, cuando el nitrógeno líquido ingresó al vaso 2, parte de este se evaporó generando una sobrepresión que limitó la cantidad de líquido en este vaso, así como también favoreció al intercambio de calor entre la muestra y las paredes del vaso 2, como ya mencionamos anteriormente el vaso 3 sirvió para evitar el contacto térmico entre la muestra y el nitrógeno líquido depositado en el fondo del vaso 1. La baja conductividad térmica del vidrio Pyrex aseguró pequeños cambios en la temperatura de la muestra, favoreciendo así la toma de datos. Gracias a este arreglo experimental se evita la formación de hielo en la muestra a analizar, mas no en los exteriores del vaso 1.
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Figura 29: Arreglo experimental completo y en plena toma de datos.
Finalmente, obtenidos los datos de la resistencia eléctrica (R), se procedió a calcular la resistividad (ρ), usando la ecuación 9 que toma en cuenta la resistencia eléctrica (R), un factor de corrección y el espesor de la película delgada (t). así como también el coeficiente de temperatura de la resistencia (TCR) usando la ecuación 7 y se calculó la conductividad que es como ya mencionamos la inversa de la resistividad.