supervisi´
on y control de una unidad
de acople de impedancias entre una
fuente RF y un plasma de descarga
para un proceso de Sputtering RF
Camilo Andres Fuentes Gamboa 20082005070
Dilan Gabriel Serrato Pinz´
on 20111005022
Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas Facultad de Ingenier´ıa
supervisi´
on y control de una unidad
de acople de impedancias entre una
fuente RF y un plasma de descarga
para un proceso de Sputtering RF
Camilo Andres Fuentes Gamboa
20082005070
Dilan Gabriel Serrato Pinz´
on
20111005022
Trabajo de grado presentado para optar al t´ıtulo de: Ingeniero Electr´onico
Director:
Ing. Gutavo Adolfo Puerto Leguizam´on Ph.D. L´ınea de Investigaci´on:
Radiaci´on Electromagn´etica y Comunicaciones ´Opticas Grupo de Investigaci´on:
Grupo de Radiaci´on Electromagn´etica y Comunicaciones ´Opticas - GRECO (LIMER), Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas
Grupo de pel´ıculas delgadas y nanofot´onica, Pontificia Universidad Javeriana
Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas Facultad de Ingenier´ıa
Agradecemos principalmente a nuestros docentes tutores y gu´ıas, el MSc. Luis Camilo Jime-nez Borrego y el Ing. Gustavo Adolfo Puerto Leguizam´on Ph.D que estuvieron brindando apoyo, acompa˜namiento y seguimiento al trabajo estipulado en este documento.
En segunda instancia queremos agradecer al grupo de investigaci´on Grupo de pel´ıculas del-gadas y nanofot´onica de la Pontificia Universidad Javeriana y a todos sus integrantes, por brindarnos el espacio, el acompa˜namiento, sugerencias y respuestas a nuestras inquietudes.
Agradecimientos ✈
2. Marco Te´orico y Estado del Arte 7 2.1. Deposici´on de materiales . . . 7
2.2. Proceso de deposici´on de materiales por pulverizaci´on cat´odica . . . 8
2.3. Concepto de Plasma y caracter´ısticas . . . 13
2.10.5. Red de adaptaci´on de impedancias usando un transformador de λ/4 . 31 2.11. Sintonizaci´on de impedancias en un sistema de Sputtering RF . . . 33
2.12. Supervisi´on de un proceso de Sputtering (Por medio de: LabView, VI, NI) . 33 3. Caracterizaci´on Sputtering RF 35 3.1. Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF . . . . 35
Contenido 1 4.1. Consideraciones generales para la implementaci´on del sputtering RF . . . 54
4.1.1. Calibraci´on f´ısica del sistema de acople de impedancias . . . 54
4.1.2. Presi´on interna dentro de la c´amara de vac´ıo . . . 63
4.1.3. Puesta a punto de tierra del sistema . . . 64
4.2. Elementos y dispositivos adicionales para la complementaci´on f´ısica del sistema 64 4.2.1. Adquisici´on de cable coaxial RG214 DE 50 Ω conectores tipo HN-macho 65 4.2.2. Adquisi´on y adecuaci´on de conectores tipo DB15 y DB25 . . . 65
4.2.3. Adquisici´on de adaptadores y mangueras para el sistema de refrigera-ci´on a base de aire comprimido . . . 66
5. Supervisi´on y control del proceso Sputtering RF 69 5.1. Tarjeta de adquisici´on de datos SC-2345 de NI . . . 69
5.2. Desarrollo en LabView 8.5 . . . 73
5.2.1. Interfaz de usuario . . . 73
5.2.2. L´ogica interna . . . 74
5.2.3. Programaci´on del microcontrolador PSoC 5 para establecer la cantidad de potencia enviada en el generador RF hacia la c´amara o carga. . . . 77
1.1.
Planteamiento del problema
En uno de los proyectos de investigaci´on que adelanta el Grupo de Pel´ıculas Delgadas y Nanofot´onica, de la Pontificia Universidad Javeriana, se est´an produciendo y caracterizando capas delgadas de titanio modificado, dedicadas al endurecimiento de superficies de metal, en especial de acero inoxidable y a sustratos para fotocat´alisis. Para lo anterior se requiere implementar una estaci´on de sputtering reactivo con alimentaci´on de potencia en RF.
Por tal raz´on, se tiene contemplado la implementaci´on, el montaje y puesta a punto de un sistema de crecimiento de pel´ıculas de Nitruro de Titanio modificado con Aluminio, por Sputtering reactivo RF. Para este caso de asistencia con RF, la estaci´on de vac´ıo deber´a contar con los dispositivos que permitan el acople electromagn´etico entre la fuente RF y el plasma del Sputtering reactivo. Para esto se adquiri´o un generador RF (RF VII, inc. RF6XIII ) de 600W a 13.56 MHz que, en conjunto con una red de auto sintonizaci´on (RF VII, inc.ATN5/10/15) y un controlador (RF VII, inc.PTIICE), deben acoplarse a la actual c´amara de Sputtering. La fuente RF (Radio Frecuencia) est´a parametrizada a 13.56MHz, est´andar designado tanto para aplicaciones industriales como cient´ıficas. La alimentaci´on de Sputtering por medio de la fuente RF requiere de una red de acople entre la misma y la carga (plasma o c´amara de vacio), ya que esta ´ultima varia din´amicamente su impedancia caracter´ıstica cuando se somete a inyecci´on de energ´ıa en RF, teor´ıcamente.
Este proyecto est´a orientado primordialmente a la supervisi´on y control del sistema Sput-tering RF con el fin de permitir la formaci´on de las pel´ıculas de TixN1-x y Alz-TixNy. Lo anterior se debe realizar utilizando una forma de comunicaci´on remota entre la herramienta software LabView 5.0 con el generador de energ´ıa RF y la red de acople electromagn´etico, dise˜nando para ello una interfaz gr´afica en LabView que pueda manipular el usuario final.
condi-1.1 Planteamiento del problema 3
1.2.
Justificaci´
on
El problema general es determinar cu´ales son las condiciones de producci´on de pel´ıculas de nitruro de Titanio (TixNy) que permiten, a trav´es de dopado con aluminio (Alz-TixNy), variar controladamente sus propiedades mec´anicas de superficie para aumentar la dureza y la resistencia a la corrosi´on de la superficie probeta de acero inoxidable austen´ıtico. El TixNy es un material metal cer´amico extremadamente duro, aproximadamente 24.5 Giga-pascales (Gpa) , que tiene excelentes propiedades de reflectividad infrarroja, reflexi´on en un espectro similar al oro (Au), lo que le da un color amarillento. Esto permite tratamiento de superficies de acero inoxidable para aumentar la dureza y la resistencia a la corrosi´on [1–4].
Para el desarrollo de este tratamiento se propone el m´etodo de sputtering RF. Por lo tanto, se buscan cu´ales son las condiciones que se requieren con Sputtering RF para el crecimiento de Tix-Ny, como el control del proceso de doping con aluminio. Posterior a la obtenci´on de pel´ıculas de Alz-TixNy se requiere estudiar c´omo var´ıan las propiedades mec´anicas de dureza y de elasticidad de los sustratos recubiertos, (para su posible utilizaci´on en ambientes corrosivos de alta temperatura), cuando var´ıan las propiedades electroqu´ımicas y microes-tructurales bajo presencia de dopado de aluminio y viceversa. Adem´as se pretende establecer cu´ales son las condiciones de crecimiento por Sputtering Magnetr´on DC y RF reactivo que permiten producir pel´ıculas de Alz-TixNy y cu´al es la correlaci´on entre los par´ametros de crecimiento y las constantes mec´anicas como propiedades anticorrosivas de las pel´ıculas obte-nidas. Finalmente, se quiere encontrar la diferencia de la resistencia al desgaste entre brocas de acero inoxidable recubiertas con TixNy con las recubiertas con Alz-TixNy.
Para los grupos Pel´ıculas Delgadas y Nanofot´onica P.U.J. (GPD PUJ) y ZENTECH (Zen-tech PUJ), hay objetivos de gran inter´es como son: (a) obtener recubrimientos que permitan el mejoramiento de la dureza y la elasticidad de los materiales, (b) las pel´ıculas para re-cubrimientos anticorrosivos, (c) el adecuado manejo y uso de los recursos en materiales de aplicaci´on tecnol´ogica en la instrumentaci´on, (d) la optimizaci´on de herramientas de aplica-ci´on tecnol´ogica para el adecuado uso de la energ´ıa. [1–6].
1.3 Objetivos 5
Con la elaboraci´on de pel´ıculas delgadas de TixN1-x como Alz-TixNy, se busca modificar las propiedades tribol´ogicas y de dureza de un material en forma superficial, las cuales por Sput-tering DC y SputSput-tering magnetr´on RF, tienen mejor adherencia y un grado de menor tama˜no en el sustrato, facilitando la caracterizaci´on estructural y morfol´ogica del cubrimiento [7–17].
Adem´as, este proyecto deber´a contribuir a nuestro proceso de formaci´on como Ingenieros Electr´onicos obteniendo nuevos conocimientos y aplicarlos a una soluci´on a este problema, y este a su vez complementar´a los requisitos para optar a una titulaci´on formal de pregrado.
1.3.
Objetivos
1.3.1.
Objetivo General
Implementar y caracterizar un sistema de acople de impedancias entre un generador RF parametrizado a 13.56MHz y un plasma como carga, para un proceso de Sputtering RF. Ga-rantizando la m´axima transferencia de potencia en el tiempo entre el generador y el plasma.
1.3.2.
Objetivos Espec´ıficos
Establecer cu´ales son las condiciones y especificaciones t´ecnicas de los dispositivos a disposici´on que permiten una aproximaci´on a la m´axima transferencia de potencia en el tiempo, entre una fuente RF y un plasma de una c´amara de sputtering RF
Determinar cu´ales son los valores nominales de los elementos que permiten construir un sistema de acople que proporcione el mejor acercamiento a la m´axima transferencia de potencia entre una fuente RF y un plasma de una c´amara de sputtering RF.
Establecer y describir la acci´on de control din´amica adecuada sobre los dispositivos que permita garantizar m´axima transferencia de potencia en el tiempo, entre el generador RF y el plasma dentro de la c´amara de sputtering RF.
Elaborar un esquema de interfaz de usuario en LabView que permita, mediante el control remoto de los dispositivos, poner en marcha el proceso de Sputtering RF y adem´as, ejercer control y la supervisi´on del mismo.
1.4.
Alcances y Limitaciones
1.4.1.
Alcances
Es esencia, se espera garantizar un acople electromagn´etico entre el generador RF y el plasma dentro de una c´amara de Sputtering RF y as´ı permitir una m´axima transfe-rencia de potencia en el tiempo desde el generador hacia el plasma.
Se esperan realizar una cantidad adecuada de pruebas de procesos de Sputtring RF en funci´on de la disponibilidad de tiempo, recursos y tasa de tiempo de formacic´on de las pel´ıculas con el fin de probar el ´optimo funcionamiento del sistema implementado.
Incentivar y permitir la investigaci´on de propiedades en materiales, en particular del TixNy y del Alz-TixNy, utilizando como base la t´ecnica de elaboraci´on de pel´ıculas con Sputtering RF.
1.4.2.
Limitaciones
El tiempo que se describe en el cronograma de actividades es apenas una aproximaci´on al que puede tomar la realizaci´on del trabajo.
2 Marco Te´
orico y Estado del Arte
Esta secci´on es una copilaci´on de la teor´ıa y el estado del arte que comprenden todas las caracter´ısticas de desposici´on o pulverizaci´on de materiales y en particular, el Sputering RF.
2.1.
Deposici´
on de materiales
Los materiales poseen intr´ınsecamente propiedades caracter´ısticas; f´ısicas (densidad), t´ermi-cas (conductividad t´ermica, expansi´on t´ermica), el´ectrit´ermi-cas y magn´etit´ermi-cas (resistividad, per-meabilidad magn´etica), interacci´on con el entorno (desgaste, oxidaci´on, corrosi´on), mec´anicas (dureza, l´ımite el´astico, amortiguamiento de las vibraciones), entre otras [18].
Un proceso de deposic´on de materiales consiste bien sea en un fen´omeno f´ısico, qu´ımico o f´ısicoqu´ımico [19] el cual tiene como fin alterar parcial o totalmente algunas de estas carac-ter´ısticas, espec´ıficamente en materiales cuyos compuestos moleculares son solubles.
Dicho proceso, consiste en la preparaci´on de capas finas del material depositadas sobre un sustrato u otras capas depositadas previamente. Estas capas pueden poseer propiedades con-troladas, en relaci´on a sus caracter´ısticas propias y/o a los procesos mismos de deposici´on. Algunos de estos son: Inmersi´on en caliente, soldadura de esmaltes y cer´amicas, deposici´on en fase vapor, implantaci´on i´onica, pulverizaci´on cat´odica, entre otros [20].
En esencia, en la aplicaci´on de estos procesos de deposici´on, las propiedades caracter´ısticas referidas a “unidades de volumen” cambian en cuanto la relaci´on superficie/volumen del ma-terial aumenta considerablemente, es decir, se prepara una l´amina o pel´ıcula delgada. Estos cambios pueden deberse tanto a la naturaleza del enlace del material, como a la microes-tructura y morfolog´ıa de las capas delgadas, derivadas del proceso de construcci´on [20].
2.2.
Proceso de deposici´
on de materiales por
pulverizaci´
on cat´
odica
La deposici´on de materiales por pulverizaci´on cat´odica (Sputtering) es un proceso f´ısico asis-tido por un gas inerte y energ´ıa el´ectrica . Esta deposici´on, como se ha mencionado, tiene como fin la preparaci´on de l´aminas delgadas (pel´ıculas, capas finas, o sin´onimos) de un ma-terial en espec´ıfico, mediante la aplicaci´on de un campo el´ectrico al gas inerte en donde, este ´ultimo, debe estar contenido en una c´amara de vac´ıo, junto con el material del cual se desea preparar dicha l´amina y un sustrato en donde ´esta quedar´a reposada. Dicho campo el´ectrico al ser aplicado al gas inerte hace que las part´ıculas de este ´ultimo adquieran energ´ıa transform´andose en iones cargados positiva o negativamente, seg´un el tipo de energ´ıa apli-cada,dando lugar al plasma [19–21].
Dichos iones en consecuencia, se aceleran contra el material a pulverizar como peque˜nos pro-yectiles (por el efecto de cargas contrarias), provocando una colisi´on entre ellos y la superficie del material. Colisi´on que, en consecuencia , genera que se desprendan ´atomos del material (por medio del intercambio de momento cin´etico) y estos ´ultimos se sit´uen sobre el sustrato, obteniendo as´ı l´aminas delgadas del respectivo material [19–22].
Se puede describir este proceso como una c´amara que contiene un par de electrodos, c´atodo y ´anodo, sobre los cuales est´an soportados el material a pulverizar y el sustrato, respecti-vamente. En el interior de la c´amara, por medio de un sistema de bombeo, se garantiza un vac´ıo con un respectivo valor de presi´on y en secuencia, por otro sistema de bombeo, se introduce el gas a ionizar. Adicionalmente se aplica un potencial el´ectrico en los electrodos (c´atodoterminal negativo; ´anodoterminal positivo), el cual ser´a indispensable para que se produzca el fen´omeno de colisi´on de los ´atomos del plasma generado y el material [19,20,23]. El proceso mencionado parece no tener complejidad de entendimiento, no obstante, cabe mencionar ciertas aclaraciones que ayudan a comprenderlo de mejor manera.
-¿Por qu´e los iones del plasma se aceleran contra el material a pulverizar?
2.2 Proceso de deposici´on de materiales por pulverizaci´on cat´odica 9
- ¿Qu´e tipo de estructura tiene la l´amina resultante, y de qu´e par´ametros de-pende?
La l´amina resultante tiene una estructura columnar, y su morfolog´ıa depende de la relaci´on entre la temperatura del sustrato (T) y la temperatura de fusi´on del material (Tf), y en menor medida de la presi´on del gas.
Figura 2-1: Morfolog´ıas de l´amina resultante. [24].
En la Figura 2-1 se muestran las diferentes morfolog´ıas obtenidas, divididas en zonas co-rrespondientes a las diferentes relaciones de temperatura, zona I (0<T/Tf<0,1) estructura porosa, zona T (0,1<T/Tf<0,3) zona de transici´on , zona II (0,3<T/Tf<0,5) estructura co-lumnar, zona III (0,5<T/Tf<1) recristalizaci´on de los granos [19, 24].
- ¿El material a procesar sufre calentamiento en el proceso?
-¿Qu´e caracter´ısticas pueden o deben tener los sustratos aplicados a este proce-so?
Los sustratos deben poseer la capacidad de conservar sus propiedades f´ısicas al ser sometidos al vac´ıo y al aumentar su temperatura hasta 60◦C, pueden ser conductores o diel´ectricos.
Aunque generalmente los sustratos de destino de las capas son s´olidos, en ocasiones particu-lares los polvos y l´ıquidos se utilizan [19, 25].
- ¿Por qu´e se desprenden ´atomos de la superficie del material ante la coli-si´on?,¿Qu´e direcci´on toman dichos ´atomos?
Los iones positivamente cargados del plasma se aceleran hacia el c´atodo, bombardeando as´ı la superficie del material. Cuando la energ´ıa de los iones incidentes es suficiente para superar la energ´ıa local de enlace, la interacci´on con la superficie del material hace que los ´atomos de este sean arrancados para pasar a fase de vapor a trav´es del intercambio del momento cin´etico [20].
Figura 2-2: Proceso de colisi´on de part´ıculas. [24].
2.2 Proceso de deposici´on de materiales por pulverizaci´on cat´odica 11
Suponiendo que la masa del i´on es mayor que la masa de las part´ıculas del material, en un proceso de colisi´on ideal de tipo el´astica, el i´on incidente reducir´a su velocidad despu´es del choque, la cual estar´a determinada por la diferencia entre la masa del ion y la part´ıcula del material. Esta ´ultima, inicialmente en reposo sufre un empuje proporcional a la masa del i´on [20, 22].
En el caso real este empuje produce una secuencia de colisiones m´ultiples entre los ´atomos del material, el proceso de la eyecci´on de los ´atomos se puede deber a dos fen´omenos, una interacci´on directa de baja energ´ıa, en la que la part´ıcula incidente golpea dos ´atomos o lo hace con determinada inclinaci´on, ejerciendo as´ı un efecto tipo “pala” o bien una interacci´on de mayor energ´ıa en la que una colisi´on en cascada en el interior del material, generan la salida de ´atomos como consecuencia de un efecto de reflexi´on de un ´atomo del interior. El intercambio de momentos es m´aximo cuando ambas part´ıculas tienen la misma masa, es por esto que es necesario usar un gas con masa elevada como el arg´on y que est´e dentro de un rango de masa at´omica mayor a un gran n´umero de materiales [20, 22].
- ¿Qu´e caracter´ısticas y/o condiciones debe tener la c´amara de vac´ıo?
Los sistemas de vac´ıo, para construir l´aminas delgadas, se encuentran en la regi´on de ultra alto vac´ıo para sistemas experimentales y alto vac´ıo para sistemas industriales. Esto para poder lograr un recorrido libre medio mayor al de las dimensiones de la c´amara de vac´ıo, permitiendo que el desplazamiento de los ´atomos del material sea m´as direccional [24].
La clasificaci´on de los sistemas de vac´ıo depende de la presi´on alcanzada, del recorrido libre medio y la concentraci´on molecular, como lo muestra la Figura 2-3.
Un sistema de vac´ıo para la construcci´on de l´aminas delgadas est´a compuesto primordial-mente por tres partes generales:
C´amara donde se lleva a cabo la preparaci´on de la l´amina.
Equipo de bombeo que produce el vac´ıo en la c´amara.
L´ınea de entrada de gas o de liberaci´on de la c´amara de vac´ıo.
EL sistema de vac´ıo debe mantener la presi´on requerida y al mismo tiempo bombear el gas requerido para el proceso de sputtering y los gases producidos en la c´amara [20].
-¿Qu´e limitaciones y ventajas posee la deposici´on por pulverizaci´on cat´odica con respecto a otros procesos?
Entre las ventajas que posee la deposici´on por pulverizaci´on cat´odica , caben destacar [20,25]:
C´amara donde se lleva a cabo la preparaci´on de la l´aminaDeposici´on realizada a baja temperatura , ya que no es necesario calentar el material.
Posibilidad de evaporar amplia variedad de materiales con diferente naturaleza (metales conductores, aislantes de tipo cer´amico, semiconductores, etc) y de alto punto de fusi´on.
L´ınea de entrada de gas o de liberaci´on de la c´amara de vac´ıo.Permite la deposici´on de mezclas y aleaciones manteniendo la composici´on del blanco.
Se logra buena adherencia de la pel´ıcula ya depositada, debido a que la energ´ıa de los ´atomos pulverizados al llegar al sustrato es de varias unidades de eV.
La velocidad de erosi´on del blanco, y por ende la velocidad de formaci´on de la pel´ıcula, se puede controlar a trav´es de la potencia aplicada.
Los problemas de direccionalidad de los ´atomos desprendidos y de homogeneidad en el sustrato son menores que en el proceso de evaporaci´on t´ermica.
Algunas de las limitaciones, o desventajas m´as relevantes del proceso de pulverizaci´on cat´odi-ca, ser´ıan las siguientes [20, 25]:
Existe la posibilidad de que el gas inerte contamine la l´amina depositada en el sustrato, al quedar parte de este atrapado en el interior de la l´amina durante el proceso de deposici´on.
2.3 Concepto de Plasma y caracter´ısticas 13
El capital invertido en un equipo de sputtering es m´as alto que la mayor´ıa de los otros procesos de revestimiento
Algunos materiales son incompatibles con este proceso, debido a que al ser sometidos al vac´ıo parcial y al aumento de la temperatura, son incapaces de soportar el bombardeo de iones
2.3.
Concepto de Plasma y caracter´ısticas
El plasma es un estado fundamental, de algunos materiales gaseosos, el cual es esencial para llevar a cabo una deposici´on por pulverizaci´on cat´odica. Este estado corresponde a un gas
cuyos ´atomos est´an ´ıonizados, lo que le da propiedades de fluido y de conducci´on como la de los metales [26]. No obstante, para llevar a cabo el proceso en menci´on (Sputtering), este gas debe cumplir algunas de las siguientes caracter´ısticas particulares, como lo son: Ser inerte y/o luminiscente y tener masa elevada (esto con fin de aumentar el momento cin´etico de los ´atomos del plasma a los del material) [19, 20].
Por las caracter´ısticas mencionadas, y adem´as debido a los costos, el gas com´unmente utiliza-do para el proceso de deposici´on por pulverizaci´on cat´odica es el arg´on (Cuya masa at´omica es 40g/mol) [20].
2.4.
Sputtering DC
La pulverizaci´on cat´odica DC, refiere a un proceso de deposici´on de materiales, donde el cam-po el´ectrico aplicado al plasma es generado cam-por medio de una fuente ticam-po DC la cual induce un potencial (del orden de los kV) en los electrodos [25]. Los sucesos f´ısicos, consecuentes a este campo aplicado, no difieren en la descripci´on general de deposici´on por pulverizaci´on cat´odica.
Ocasionalmente se ha estudiado el proceso de Pulverizaci´on reactiva pulsada DC, es decir energ´ıa DC aplicada por instantes de tiempo, similar a un tren de pulsos. Este ´ultimo con-tribuye a generar una densidad m´as alta en el plasma, aunque, en t´erminos matem´aticos y cumpliendo (unas denominadas) condiciones de estado estacionario, se puede considerar como un proceso tipo DC, sin embargo, este proceso a´un no es suficiente para pulverizar materiales diel´ectricos [28].
2.5.
Sputtering Magnetr´
on (Balanceado, No Balanceado)
Debido a la necesidad de la aplicaci´on de altas tensiones en el Sputtering DC (o diodo DC), las cuales generan defectos y otros da˜nos en las pel´ıculas delgadas a depositar, se refleja la utilidad de agregar al proceso un campo magn´etico, lo que da como resultado un proceso de Sputtering Magnetr´on.
Dicho campo altera la trayectoria de las part´ıculas del plasma en direcci´on de las l´ıneas de campo magn´etico, lo que repercute en un aumento en la eficacia de ionizaci´on, una mayor corriente en el plasma y velocidades de deposici´on m´as altas lo que a su vez repercute en obtenci´on de espesores (del orden de micras) en tiempos de proceso razonables [20].
No obstante, la pulverizaci´on con magnetr´on a˜nade m´as ventajas tales como:
Reducci´on del potencial aplicado al plasma, en un factor de 600V a 800V, para que la ´o del plasma sea igual al pasar de Sputtering DC a Magnetr´on Sputtering DC [20].
Posibilidad de trabajar a presiones m´as bajas (Orden de losmT orr, presi´on que permite a los ´atomos pulverizados tener una trayectoria m´as direccional y que lleguen con m´as energ´ıa a la superficie del sustrato) [20].
Posibilidad de confinar el plasma en una regi´on cercana al c´atodo (Lo que reduce efectos de radiaci´on del plasma) [20].
Al anterior proceso se le denomina sputtering magnetr´on balanceado.
2.5 Sputtering Magnetr´on (Balanceado, No Balanceado) 15
En referencia al Sputtering magnetr´on balanceado, basta con aplicar un peque˜no potencial negativo (bias) a los sustratos, lo que genera que una fracci´on de los iones positivos sea desviada hacia ellos produciendo un aumento de la corriente i´onica [20].
Un proceso Sputtering magnetr´on no Balanceado logra producir pel´ıculas densas y de es-tructuras m´as adecuadas, esto debido a que genera m´as intensidad de iones de choque y estos tienen una energ´ıa menor a 100eV. Este proceso se basa en la descomposici´on de los polos del campo magn´etico aplicado, haciendo que la intensidad del campo sea mayor en el polo norte que en el polo sur, de esta forma una fracci´on de los electrones del plasma es for-zada a seguir las l´ıneas de campo describiendo trayectorias helicoidales y produciendo en su recorrido las respectivas ionizaciones. En este proceso el plasma tiene libertad de extenderse por la c´amara pero, con una baja intensidad en la zona de los sustratos [20].
2.6.
Sputtering Reactivo y No-Reactivo
Existen dos clasificaciones de los procesos de sputtering, dependiendo de los gases con los que se realizan. La primera es el Sputtering no-reactivo, en el cual el gas de trabajo no reacciona qu´ımicamente con el material a pulverizar es decir, el gas es de tipo inerte y la segunda es el Sputtering Reactivo que se realiza en presencia ya sea de un gas no inerte o una mezcla entre dichos gases. En lo que difiere esta clasificaci´on es que, los reactivos pueden definir el tipo de estequiometr´ıa y cristalograf´ıa de la pel´ıcula y, en consecuencia, las propiedades mec´onicas, ´opticas y magn´eticas, entre otras [24].
2.7.
Pulverizaci´
on cat´
odica RF
Una de las principales complicaciones de los m´etodos anteriormente descritos, yace en la dificultad de pulverizar materiales aislantes (o diel´ectricos), lo cual es debido, entre algunos otros factores, a la acumulaci´on de carga positiva en el c´atodo.
Dicho fen´omeno puede ser solucionado aplicando tensi´on alterna al Sputtering, de esta ma-nera al existir cambio en la polaridad en los electrodos, se dispersan los iones del plasma que se sit´uan cerca al material a pulverizar, es decir, cuando la polarizaci´on del material es negativa, este ´ultimo atrae los iones positivos del plasma que lo pulverizan y lo cargan positivamente, luego, cuando la polarizaci´on es positiva, el material atrae los electrones que lo descargan, de esta forma no se presenta acumulaci´on ni de electrones ni de iones [19,20,29].
Por tal raz´on, surge el Sputtering RF, en el cual el campo el´ectrico aplicado al plasma pro-viene de una fuente de energ´ıa alterna tipo RF, en donde, al existir un cambio de polaridad de la tensi´on aplicada a los electrodos, se generan cambios de direcci´on tanto de los iones como de los electrones del plasma, por tanto, no se produce acumulaci´on de carga [20] y en consecuencia se pueden realizar una amplia gama de deposiciones de pel´ıculas de distintos materiales, principalmente los diel´ectricos y aislantes [30].
2.8 Radiofrecuencia 17
Ahora bien, este proceso debe realizarse con frecuencia fija de 13.56MHz. La explicaci´on a esto es simple, sin dejar de ser importante. Y es, debido a la asignaci´on de la UIT (uni´on in-ternacional de telecomunicaciones) de esta frecuencia para irradiar cierta cantidad de energ´ıa sin intervenir con las comunicaciones, no obstante en el sputtering se generan muchos arm´oni-cos de esta frecuencia y algunos,como el sexto, s´eptimo y el octavo, podr´ıan intervenir en bandas como radiodifusi´on y comunicaci´on de aviones [25].
Existen beneficios e inconvenientes al utilizar este proceso. Por un lado, se obtiene un gran beneficio en la magnitud de la tensi´on de ionizaci´on del plasma, por ejemplo: A un nivel de presi´on dada, en un proceso Sputtering DC, f´acilmente se puede llegar a necesitar 1000V, mientras que en un proceso de Sputtering RF solo bastar´ıa con aplicar 100V, lo mismo su-cede con la presi´on, es decir, a una tensi´on dada, el nivel de presi´on m´ınima en Sputtering DC es m´as alto que el que se necesitar´ıa en Sputtering RF [19].
No obstante el gran beneficio notable es la posibilidad de realizar pulverizaciones de casi todo tipo de materiales, sean conductores, aislantes, diel´ectricos, etc. y su configuraci´on mec´anica es muy similar a la de Sputtering DC.
Sin embargo, existen diversos inconvenientes de los que este proceso no est´a exento, como: Complejidad de operaci´on de corrientes alternas elevadas y de alta frecuencia, elevado costo de la fuente de energ´ıa RF y el m´as relevante e importante inconveniente, del cual se centra este trabajo, es la necesidad de implementaci´on de un sistema de acople que garantice m´axima transferencia de potencia de la fuente hacia el plasma en todo instante de tiempo, esto debido a la din´amica variaci´on de impedancia que presenta el plasma ante una excitaci´on de tipo alterna y de alta frecuencia [19, 20, 31].
2.8.
Radiofrecuencia
Se considera Radiofrecuencia (RF) a una porci´on del Espectro Electromagn´etico, el cual has-ta la fecha, ha sido observado y estudiado desde 0Hz hasta 1024Hz, ubicada en los rangos de menor energ´ıa y mayor longitud de onda. Y, por normalizaci´on de la UIT, la Radiofrecuencia es una banda comprendida entre 30KHz y 300GHz, por tanto si una se´nal, en este rango de frecuencias, se propaga de un transmisor a un receptor se considera transmitida en RF [32].
Figura 2-5: Sub-rangos y aplicaciones de la radiofrecuencia. [33].
Como se mencion´o anteriormente la frecuencia de trabajo del Sputtering RF es 13,56M Hz
situada en aplicaciones de radiodifusi´on de onda corta y comunicaciones, sin embargo en este trabajo se utiliza para transmisi´on de potencia a alta frecuencia por un medio f´ısico [25].
2.9.
Transmisi´
on de energ´ıa RF por un medio f´ısico
-Cable coaxial
Figura 2-6: Elementos fundamentales de un sistema de comunicaci´on. [34].
2.9 Transmisi´on de energ´ıa RF por un medio f´ısico - Cable coaxial 19
Cada tipo de transmisor mencionado posee sus ventajas y desventajas, no obstante, en este apartado se va a tratar el transmisor cable coaxial, ya que, es ´este el utilizado en un proceso de sputtering.
Hay varias razones por las cuales se hace uso de un cable coaxial para dicho proceso, dentro de las cuales destacan: Su flexibilidad, se evita que la se˜nal RF sea radiada a la atm´osfera o que esta sea afectada por se˜nales externas y no presenta p´erdidas de potencia (debido a la confinaci´on de las ondas electromagn´eticas que rebotan en la estructura del cable) [35]. Siendo la ´ultima raz´on la m´as importante en un proceso de Sputtering ya que, se busca entregar toda la potencia de la fuente a el plasma.
El cable coaxial es descrito como una l´ınea de transmisi´on por algunos autores y, al poder transmitir informaci´on, sus caracter´ısticas, sus bondades y aplicaciones pueden analizarse matem´aticamente por las ecuaciones diferenciales de Maxwell.
El coaxial est´a compuesto por 4 materiales: Conductor central, Diel´ectrico, Pantalla y recu-brimiento, como se muestra en la Figura 2-7.
Figura 2-7: Composici´on de un cable coaxial. [35].
Figura 2-8: Vista frontal de un cable coaxial. [34].
Figura 2-9: Flujo de l´ıneas de campo el´ectricoE y campo magn´eticoH en un cable coaxial. Tomada de [34].
Ahora bien, como toda l´ınea de transmisi´on, el cable coaxial posee caracter´ısticas propias (resistividadR, inductanciaL, capacitanciaC y conductanciaσ) que pueden ser modeladas bien sea resolviendo las ecuaciones de Maxwell, usando teora general de circuitos o con la de electromagn´etica b´asica [34, 35].
Seg´un la teor´ıa electromagn´etica, dichos cuatro par´ametros se pueden calcular conociendo las dimensiones del cable y la frecuencia de trabajo, donde se define la inductanciaL como el flujo concatenadoψ producido por unidad de corriente, la capacitanciaCcomo el cociente entre la cargaQpor unidad de potencial, la resistenciaRdepende de la resistividad (inverso de la conductancia) del material del cable, de su geometr´ıa y de la distribuci´on de corriente (que es funci´on de la frecuencia y la profundidad de penetraci´on ς) y en cuanto a la con-ductividad σ est´a dada en funci´on de la frecuencia de operaci´on y de las propiedades del material aislante, ya que ´este posee una conductividad que crece en funci´on de la frecuencia de la corriente alterna.
2.9 Transmisi´on de energ´ıa RF por un medio f´ısico - Cable coaxial 21
En las tablas 2-1 y 2-2 se muestran valores de conductancias para algunos principales conductores, dadas en unidades S/m (siemens/metro) y algunos valores de constantes de permitividad relativa en algunos principales diel´ectricos respectivamente.
Diel´ectrico Constante diel´ectrica o permitividad relativa ε
Aire 1,0005
Tabla 2-1: Constante de permitividad relativa de algunos materiales diel´ectricos. [36].
Conductor Conductividad σc(S/m) Grafeno 9,6x107
Las expresiones, deducidas en la teor´ıa electromagn´etica, para los valores de R,L,C y σ, por unidad de longitud (metro), se pueden aproximar as´ı:
Bajas frecuencias [34]:
a es el radio del hilo conductor central del cable, v´ease Figura 2-8.
b es el radio desde el punto centro del cable hasta el borde del material diel´ectrico, v´ease Figura2-8.
ces el radio del cable, v´ease Figura 2-8.
σc es la conductividad del conductor central.
σd es la conductividad del material diel´ectrico.
µ es la permeabilidad del medio, donde µ = µrµo y, a menos que se especifique otra cosa, µr = 1 de modo que µ=µo = 4π10−7H/m.
εes la constante diel´ectrica o permitividad relativa (se pueden observar valores comunes para diel´ectricos en la tabla2-1).
2.9 Transmisi´on de energ´ıa RF por un medio f´ısico - Cable coaxial 23
Para la frecuencia de trabajo del sputtering RF se consideran las ecuaciones de alta fre-cuencia. El proceso paso a paso de la obtenci´on de cada expresi´on puede revisarse con detenimiento en el libro de referencia [34] cap´ıtulo 2.
As´ı, el cable coaxial puede representarse como se muestra en la Figura 2-10, como una sucesi´on de n ´esimas unidades de longitud, lo cual depende de lo largo que sea el cable.
Figura 2-10: Circuito equivalente para analizar una l´ınea de transmisi´on con par´ametros distribuidos. [34].
Considerando una peque˜na porci´on del circuito equivalente de la l´ınea, se puede desarrollar un proceso matem´atico (v´ease en el libro de referencia [35]) con fin de obtener la expresi´on de la constante de propagaci´on, la atenuaci´on, la rapidez del cambio de fase de la onda que se propaga por el cable, la impedancia caracter´ıstica del mismo, el coeficiente de reflexi´on, el
Voltage Standing-Wave Ratio VSWR (O en espa˜nol Relaci´on de Onda Estacionaria ROE) y la eficiencia η de la l´ınea en funci´on del mismo.
Se obtiene la expresi´on para la constante de propagaci´on as´ıγ = p
(R+jωL)(G+jωC) (Donde ω= 2πf y f = 13,56M Hz para Sputtering RF), la cual se puede entender como la ra´ız del producto entre la componente serie de la l´ınea por la componente paralelo, por lo que se puede escribir de la forma: γ =√ZY.
Se expresa el coeficiente de reflexi´on en cualquier parte de l´ınea as´ı ρv(z) = ρ(0) exp2γZ donde Z corresponde a la secci´on de la l´ınea en donde se requiera calcular el coeficiente, estableciendo que Z = 0 cuando se requiere el coeficiente en la localizaci´on de la carga y
Z =−lcuando se requiere el coeficiente en la localizaci´on del generador, siendo l la longitud de la l´ınea y ρ(0) es el coeficiente de reflexi´on de la l´ınea cuando Z = 0, en otras palabras
ρ(0) corresponde al coeficiente en el caso de una l´ınea de transmisi´on ideal, el cual se expresa
ρ(0) = (ZL−Zo)/(ZL+Zo) , lo que es un n´umero complejo de la formaρ(0) =|ρL|expjθ. En definitiva el coeficiente de reflexi´on en una l´ınea real queda en funci´on de la impedancia caracter´ıstica de la l´ınea, impedancia de la carga y distancia entre el generador y el punto donde se requiere conocerlo.
Ahora bien, el V SW R se expresa as´ıV SW R = 1+|ργ|
1−|ργ|, para el caso de una l´ınea de
trans-misi´on ideal, en cambio, para una no ideal, es decir considerando su atenuaci´on al flujo de se˜nal, elV SW R queda expresadoV SW R= (1 +|ρL|exp2αZ)/(1− |ρL|exp2αZ). La eficiencia de la l´ınea expresada en funci´on del ´ultimo es η= 1−(V SW R−1
V SW R+1) 2
.
As´ı, con cada una de las relaciones mostradas se puede realizar un estudio te´orico-experimental para la caracterizaci´on, en particular, de los cables coaxiales.
2.10.
Redes de adaptaci´
on de impedancias en sistemas
RF
Los acoples de impedancia son necesarios en el dise˜no de circuitos RF para poder propor-cionar la m´axima transferencia de potencia entre la fuente y la carga, puede disminuir la relaci´on se˜nal a ruido, reduce errores de amplitud y fase posibilitando as´ı, ser m´as eficientes en el proceso que se debe realizar, ya sea llevar alta potencia hacia una carga o en el caso m´as com´un, llevar peque˜nas se˜nales hacia un receptor [37, 38].
2.10 Redes de adaptaci´on de impedancias en sistemas RF 25
2.10.1.
Red de adaptaci´
on de impedancias en tipo L
Probablemente la red m´as simple y extensamente usada en m´ultiples aplicaciones sea la red de acople tipo L, este dise˜no recibe su nombre por la forma en la que se distribuyen los componentes del acople.
La funci´on del componente en paralelo es reducir una impedancia alta en una muy peque˜na con parte real igual al valor al que se desea realizar el acople, el componente en serie cancela cualquier elemento reactivo presente, mostrando as´ı a la fuente una impedancia de carga real aparentemente igual, para as´ı lograr la m´axima transferencia de potencia [39].
El dise˜no de este acople se muestra en la Figura2-11, y se dise˜na con base en las siguientes expresiones matem´aticas:
Figura 2-11: Esquema del dise˜no de una red de acople tipo L. [38]. Donde:
QS es el Q del componente serie del acople.
QP es el Qdel componente paralelo del acople.
RP es la resistencia en paralelo.
XS es la reactancia en serie.
XP es la reactancia en paralelo.
La configuraci´on paralelo-serie o serie-paralelo del acople, depende del valor real de las im-pedancias de la fuente y de la carga, colocando la porci´on en paralelo del acople hacia la que presente mayor valor.
2.10.2.
Redes de adaptaci´
on de impedancias de tres elementos
El factor de calidad Q llega a ser de gran importancia en la implementaci´on de muchos circuitos y como se puede apreciar en el dise˜no del acople tipo L, el Q de este circuito se ve determinado por los valores de RS y RP, valores que en muchos casos no pueden ser cambiados, entonces, en el caso en el que se necesite un Q espec´ıfico, como el caso de una aplicaci´on en la que se requiera un ancho de banda determinado, puede que realizar un aco-ple tipo L no sea lo m´as adecuado ya que este determinar´a un ancho de banda arbitrario [33].
Es por esto que se recurre a construir acoples de 3 elementos, con los que se puede seleccionar casi cualquier valor de Q, no menor al Q obtenido al construir un acople tipo L en con las mismas condiciones.
2.10.2.1. Red de adaptaci´on de impedancias en tipo Pi
2.10 Redes de adaptaci´on de impedancias en sistemas RF 27
La red de acople de 3 elementos tipo Pi, recibe su nombre de la configuraci´on en la que se disponen los elementos, ya que es similar a la forma de la letra griega. Este acople se puede describir como dos redes tipo L, ambas configuradas para adaptarse a una resistencia virtual situado entre la uni´on de las dos redes como se indica en la Figura 2-13, el signo menos (-) de XS1 y XS2 se usa para indicar que los valores de estas reactancias son opuestos a los de XP1 y XP2 respectivamente, de tal forma que si XS es un condensador XP debe ser un inductor y viceversa [39].
Figura 2-13: Acople tipo Pi visto como dos acoples tipo L. [38].
El dise˜no de cada secci´on del acople tipo red Pi se realiza de forma igual a como se realiza el acople tipo L, El valor la resistencia virtual puede ser cualquiera pero debe ser menor que
RS y RL, pero conviene que este valor sea determinado por el que se desea obtener, as´ı:
Q=
r
RH
R −1 (2-5)
2.10.2.2. Red de adaptaci´on de impedancias en tipo T
Figura 2-14: Red de acople de impedancias tipo T. [38].
Esta red de adaptaci´on dispone los elementos del acople en forma de T, de forma similar al acople tipo Pi, esta red tambi´en est´a compuesta de dos redes tipo L, pero esta vez la impedancia tanto de la fuente como de la carga se acoplaron a una resistencia virtual mayor aRg y a RL, y se configura como se muestra en la Figura 2-15.
Figura 2-15: Acople tipo T visto como dos acoples tipo L. [38].
2.10 Redes de adaptaci´on de impedancias en sistemas RF 29
El Q del circuito se determinar´a as´ı:
Q=
r
R Rmenor −
1 (2-6)
dondeR es la resistencia virtual y Rmenores la resistencia de menor valor entreRS y RL [38].
2.10.3.
Red de adaptaci´
on de impedancias usando un STUB
Esta t´ecnica de adaptaci´on de impedancias utiliza simples secciones de la misma l´ınea de transmisi´on (STUB) en circuito abierto o cortocircuito, conectando estas secciones en serie o en paralelo en la l´ınea de transmisi´on, a cierta longitud de la carga, como se muestra en la Figura 2-16.
Esta t´ecnica de acople en muchos casos es muy conveniente pues no requiere de otro tipo de elementos adicionales a la l´ınea de transmisi´on ya que, el STUB se puede fabricar como parte de esta.
Figura 2-16: Adaptaci´on de impedancias usando (a) STUB en paralelo (b) stub en serie. [37].
En l´ıneas de transmisi´on microstrip y stripline se usan STUBS en circuito abierto ya que no ser´ıa necesario atravesar el sustrato para llegar a la tierra, en cambio en l´ıneas de transmisi´on con cables coaxiales se prefiere usar STUBS en cortocircuito ya que en circuito abierto se puede presentar radiaci´on [37].
2.10.4.
Red de adaptaci´
on de impedancias usando dos STUBS
2.10 Redes de adaptaci´on de impedancias en sistemas RF 31
Aun as´ı, el uso de los dos STUB no permite acoplar todas las impedancias de carga.
Figura 2-17: Adaptaci´on de doble STUB, (a) Circuito con carga a una distancia arbitraria desde el primer STUB, (b) Circuito equivalente con carga transformada al primer STUB. [37].
EL circuito de acople de impedancias usando dos STUBS se muestra en la Figura 2-17, el primer STUB se puede colocar a cualquier distancia de la caja como se ve en la Figura
2-17-a, pero es mucho m´as pr´actico si se coloca en la carga como en la Figura 2-17-b, donde la carga YL′ se ha visto reflejada a la posici´on del primer STUB [37].
2.10.5.
Red de adaptaci´
on de impedancias usando un transformador
de
λ
/4
El transformador de λ/4 es un circuito ´util y pr´actico para adaptar impedancias y adem´as proporciona un circuito de l´ınea de transmisi´on que, ilustra claramente las propiedades de las ondas estacionarias en una l´ınea de transmisi´on acoplada.
Figura 2-18: Transformador de λ/4. [37].
Se desea igualar la impedancia de la carga a la impedanciaZo de la l´ınea, usando una secci´on deλ/4 y haciendo Γ = 0, visto en la secci´on de λ/4 la impedancia de entrada es :
Que es la media geom´etrica entre la impedancia de la carga y la impedancia de la fuente, evitando as´ı ondas estacionarias en la l´ınea de alimentaci´on, aunque habr´a ondas estacio-narias en la secci´en de λ/4, estas condiciones se aplican siempre y cuando la longitud de la secci´en de acople esλ/4 o un m´ultiplo impar del mismo, de modo que se puede lograr acople a una determinada frecuencia y total desadaptaci´on en otras.
2.11 Sintonizaci´on de impedancias en un sistema de Sputtering RF 33
De acuerdo a el comportamiento que adquiere el coeficiente de reflexi´on en los sistemas de adaptaci´on de impedancias multiseccionales con respecto a los cambios en frecuencia, pueden ser dise˜nados transformadores de impedancia de tipo multiseccional, binomial, de Chebyshev, exponencial, triangular y de Klopfenstein [37].
2.11.
Sintonizaci´
on de impedancias en un sistema de
Sputtering RF
Para la sintonizaci´on de impedancias en sputtering RF, en la industria y en la academia se suele utilizar el acople tipo L, ya que este resulta ser el m´as simple al momento de su implementaci´on [25, 40, 41].
Figura 2-19: Esquema del acople RF tipo L para un proceso de sputtering RF. [25]. El esquema de este acople se puede apreciar en la Figura 2-19 y como se puede observar la funci´on del condensador en serie es variar el valor de la reactancia de la bobina, ya que resulta menos pr´actico usar bobinas variables [25, 40, 41].
2.12.
Supervisi´
on de un proceso de Sputtering (Por
medio de: LabView, VI, NI)
LabVIEW es una herramienta fabricada y desarrollada por la empresa National Instruments, es un lenguaje y a la vez un entorno gr´afico de programaci´on y su acr´onimo, representa
No obstante, esto no se realiza con cualquier equipo, solo se puede realizar con aquellos que dispongan de un modo de funcionamiento remoto, es decir, aquellos a los que se les pue-da supervisar y controlar sus funcionalipue-dades (como: Voltajes de salipue-da, corriente, potencia, posiciones mec´anicas de elementos, etc) por medio de niveles de tensi´on o aquellos cuyas funcionalidades ya sean dependientes de los mismos [42].
La herramienta hardware se puede describir como una etapa de acondicionamiento de se˜nal, la cual, recibe los niveles de tensi´on (de alg´un puerto del PC donde se est´e usando el softwa-re LabVIEW) y los adecua a los rangos establecidos de tensi´on en los equipos, adem´as de, brindarles unas salidas manejables para las conexiones a los mismos.
Dentro de estas herramientas se destacan, por su compatibilidad, las tarjetas de adquisici´on de datos hechas por el mismo National Instruments, ya que, al ser del mismo fabricante los protocolos de comunicaci´on de LabVIEW con la tarjeta ya est´an preestablecidos y solo basta con realizar la conexi´on del PC a la tarjeta.
3 Caracterizaci´
on Sputtering RF
En este cap´ıtulo se realiza una descripci´on detallada de las caracter´ısticas, componentes y funcionamiento de cada uno de los dispositivos principales que se tienen a disposici´on, en principio, para llevar a cabo la deposici´on por pulverizaci´on cat´odica RF.
3.1.
Listado de dispositivos principales que intervienen en
el sputtering RF
Para llevar a cabo un proceso de pulverizaci´on cat´odica RF se deben tener a disposici´on, como m´ınimo, los siguientes dispositivos: Generador de energ´ıa RF, red de acople electro-magn´etico, c´amara de vac´ıo, bomba de vac´ıo y evidentemente el medio y las adaptaciones f´ısicas necesarias para transportar la energ´ıa del generador hasta la c´amara de vac´ıo.
A continuaci´on se describen a detalle, teniendo en cuenta funcionalidades caracter´ısticas de manejo disponibles. ,los dispositivos de los que disponemos en principio para la pulverizaci´on cat´odica RF, los cuales fueron proporcionados por el grupo de pel´ıculas delgadas y nano-fot´onica como base principal para la investigaci´on del proceso.
Lo anterior como resultado de las pr´acticas de: 1. Adquisici´on de habilidades y conocimientos de uso de los equipos, 2. Reconocimiento de par´ametros y caracter´ısticas de los equipos, descritas en el cronograma del anteproyecto.
3.1.1.
Generador RF VII
Figura 3-1: Parte frontal del generador RF.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 37
El generador posee tres tipos de funcionamiento los cuales son: Modo remoto, manual y
esclavo.
Momo manual - Desde el modo de funcionamiento manual el generador permite acciones como; Encendido/apagado, variaci´on y habilitaci´on de la potencia de salida y visualizaci´on de potencia incidente y potencia reflejada.
Modo remoto - Desde el modo de funcionamiento remoto, se pueden realizar acciones de: Lectura de potencia reflejada e incidente (en unidades de tensi´on), variaci´on y habilitaci´on de potencia de salida, habilitaci´on del mismo mando remoto (haciendo posible el intercambio de modo manual a remoto y viceversa), ajuste de una tensi´on BIAS (la cual permite mejor control de la tensi´on BIAS que puede presentarse en la c´amara de vac´ıo y evitar que ´esta se devuelva hacia el generador RF) y habilitaci´on de la entrada de un excitador com´un (para entrar en modo esclavo).
Modo esclavo - Desde el modo de funcionamiento esclavo (si es activado desde el modo de funcionamiento remoto), se pueden realizar pr´acticamente las mismas funciones que com-prende el mando remoto. Lo que difiere en este modo de funcionamiento es que ´este permite tener dos salidas de RF para una dual operaci´on de plasma usando dos fuentes RF (los modos anteriores s´olo permiten una mono operaci´on de plasma). Una salida RF est´a en dependencia del funcionamiento de la red (salida de conector tipo HN) y la otra del funcionamiento de un excitador externo (salida de conector tipo BNC).
Cabe agregar que este modo, para este proyecto, no se va a utilizar ya que en primera ins-tancia, estimamos que el uso de una fuente externa diferente a la red misma puede afectar la frecuencia de salida de la fuente (13,56M Hz) y por ende todo el trabajo de ah´ı en adelante y en segunda instancia, no se requieren modos de operaci´on dual de plasma en esta actividad.
N´umero Funcionalidad
1 Interruptor secundario de encendido/apagado del generador RF.
2 Potenci´ometro o variador de potencia en la salida del generador (0W -600W).
3 Indicador luminoso de la cantidad de potencia reflejada.
4 Indicador de potencia total enviada (si set est´o oprimido) o de potencia incidente en la c´amara de Sputtering y/o carga (si set no est´a oprimido).
5 (SET)
Pulsador NO enclavado que permite la visualizaci´on bien sea de potencia total enviada por el generador o potencia incidente en la c´amara de
Sputtering o carga. 6
(INTLK)
Indicador luminoso que se enciende cuando las conexiones externas (para modos remoto y esclavo) no est´an completas o satisfechas.
7 (TEMP)
Indicador luminoso que se enciende cuando la temperatura del disipador de calor interno supera los l´ımites de seguridad.
8 (RE-MOTE)
Indicador luminoso que se enciende cuando el modo de operaci´on remoto es activado.
9 (CEX)
Indicador luminoso que se enciende cuando el modo esclavo es activado, activando la entrada de un excitador externo.
10 Pulsador NO enclavado que habilita o deshabilita la salida de la energ´ıa RF dl generador.
11 Punto de salida de la energ´ıa RF a 13,56M Hz, es un conector tipo HN de chasis hembra.
12 Interruptor primario que habilita como tal al generador RF, si ´este se encuentra en OFF el generador est´a inhabilitado.
13 Punto de tierra del sistema, ´este debe estar conectado a un punto de tierra adecuado para evitar cualquier eventualidad.
14 Conector tipo BNC de chasis hembra, para la entrada de un excitador externo si el generador se encuentra en modo esclavo.
15
Interfaz an´aloga o conector tipo DB15 de chasis hembra, para la comunicaci´on con la tarjeta de adquisici´on de datos y permitir los modos de
funcionamiento remoto y esclavo.
16 Conector tipo BNC de chasis hembra, para la salida de un segundo generador RF, si se trabaja en modo esclavo.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 39
Dentro del manual de operaci´on del generador, se incluye un diagrama de bloques que des-cribe su estructura interna de una forma adecuada y sencilla [43]. La Figura 3-3 muestra dicho diagrama de bloques.
Figura 3-3: Diagrama de bloques de estructura interna del generador RF. [43] Como se puede ver en la Figura3-3, la forma en la que trabaja el generador RF es tomando la energ´ıa de la red para producir una fuente de poder de 48V en DC, utiliza ´esta ´ultima como alimentadora de un controlador excitador y un amplificador de potencia RF. As´ı, se genera la salida del sistema a 13,56M Hz (por medio del controlador excitador) y con una potencia variable entre 0W y 600W (por medio del amplificador de potencia).
Se observa un bloque tabla de control RF, en donde se realiza el tratamiento de informaci´on e interacci´on entre el control remoto del panel posterior, consola de pantalla del panel frontal y un acoplador direccional para la lectura de potencias (Incidente, reflejada, enviada).Todo esto con una gesti´on interna manejada en tensiones de 12V y 5V DC. Es decir, dicho bloque interact´ua con los dem´as mencionados manejando tensiones DC de hasta 12V.
En el manual de operaci´on se describe la tabla 3-2 que representa la interfaz de operaci´on remota del generador. En otras palabras, se describe la correcta conexi´on y la acci´on asociada a cada uno de los pines del cable tipo DB15 que se debe utilizar en dicho modo.
Pin Descripci´on Entrada/Salida Activaci´on
1 Interconexi´on externa (IPR) ENTRADA Alto (5V dc) = No satisfecha ; Bajo (0V dc) = Satisfecha
Alto (5V dc) = CEX deshabilitado ; Bajo (0V) = CEX habilitado 6 Habilitar CEX (excitador
com´un) ENTRADA
Alto (5V dc) = CEX deshabilitado ; Bajo (0V) = CEX habilitado
12 Voltaje BIAS ENTRADA 0V a 1V dcaproximadamente
13 Voltaje BIAS ENTRADA Tierra / VTL opcional
14 Habilitaci´on de RF (estado)
Para pre-ajustes del ATN-5 SALIDA
Abierto = RF ON ; Cerrado = RF OFF
15 Manual/remoto selecci´on (IPR) ENTRADA Alto (5V dc) = Manual ; Bajo (0V) = Remoto
IPR*(Resistencia interna de Pull-up) = deber´ıa tener una transici´on en voltaje al activarse. ENTRADA/SALIDA* = Describe la funcionalidad del PIN ya sea como una
entrada o como una salida.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 41
3.1.2.
Sintonizador ATN-5
El sintonizador ATN-5 puede considerarse como el dispositivo que realiza la acci´on de sin-tonizaci´on entre la red de acople tipo L y la c´amara de Sputtering (plasma) o de un modo m´as t´ecnico, como la unidad de control de la red de acople.
Este dispositivo tiene un papel intermedio entre la red de acople L y el plasma en donde, b´asicamente, es el encargado de la acci´on de movimiento din´amica de los elementos dentro de la red de acople (capacitancia e inductancia) en funci´on de unos par´ametros de sintonizaci´on (fase y magnitud). Las figuras3-4y3-5muestran la parte frontal y posterior del sintonizador respectivamente.
Figura 3-4: Parte frontal del sintonizador ATN-5.
El funcionamiento de esta unidad de control se basa principalmente en el uso de dos senso-res, uno de fase y uno de magnitud. Dichos sensores brindan una salida en tensi´on que es dependiente de la relaci´on entre fases y entre magnitudes de lo que el generador RF entrega y lo que a la c´amara est´a llegando, en todo instante de tiempo.
As´ı pues, en funci´on de los valores que arrojen los sensores de fase y magnitud, se da la alteraci´on de valores de capacitancia e inductancia de la red de acople con el fin de lograr una sintonizaci´on y la mejor transferencia de potencia posible, dependiendo del modo en que se utilice el sintonizador pues ´este tiene tres modos de funcionamiento, los cuales son:Modo manual,modo remoto y modo autom´atico.
Modo manual - Desde el modo manual, el sintonizador s´olo funciona como intermediario en la acci´on de movimiento de los servomotores que a su vez alteran el valor de capacitancia e inductancia en la red de acople tipo L. En otras palabras, en el modo manual es el mismo usuario quien le da el movimiento o establece el valor de capacitancia e inductancia de la red de acople, por medio de interruptores (los cuales se describen en la tabla 3-3). Este modo evidentemente no es pr´actico en la implementaci´on ya que la impedancia caracter´ıstica del plasma es variable durante el proceso de pulverizaci´on lo que conlleva a que el sistema no pueda acoplarse eficientemente en todo instante de tiempo de forma manual.
Modo remoto - Desde el modo de funcionamiento remoto, el sintonizador basa su fun-cionamiento por medio de un conector tipo DB25. Este modo de funfun-cionamiento se utiliza para manejo y control del sintonizador desde una fuente externa (RS232, PC, comunicaci´on paralela, etc), en este caso, como se ha mencionado, se utiliza este modo para su mane-jo remoto y supervisi´on haciendo uso de LabView y una tarjeta de adquisici´on de datos de NI. En otras palabras, la acci´on din´amica de variaci´on de inductancia y capacitancia se realiza desde la interfaz LabView (implementando una l´ogica y algoritmos adecuados), pasando por la tarjeta de adquisici´on de datos y actuando finalmente sobre los servomotores.
Todo lo anterior en pro de conseguir en todo instante de tiempo un acople entre el generador y la c´amara, teniendo como base principal los resultados o valores arrojados por los sensores de fase y magnitud.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 43
De los modos de funcionamiento mencionados, se va a hacer uso del modo de funcionamiento remoto ya que, la manipulaci´on y control de las m´aquinas haciendo uso del software Lab-View es uno de los requisitos planteados con anterioridad. Adem´as se requieren comprender a fondo todas las caracter´ısticas que comprenden un acople din´amico para un Sputtering RF y los modos manual y autom´atico no son aprovechables en ese sentido.
N´umero Funcionalidad
1 Interruptor principal de encendido/apagado del sintonizador. 2 Potenci´ometros de ajuste de posiciones internas de programaci´on.
3 Conmutador que permite seleccionar el modo de operaci´on para el condensador en paralelo de la red de acople.
4 Conmutador que permite seleccionar el modo de operaci´on para la inductancia en serie de la red de acople.
5 Conmutador de permite alterar el valor de inductancia en el acople (si ´esta se encuentra en modo manual).
6 Conmutador de permite alterar el valor de capacitancia en el acople (si ´esta se encuentra en modo manual).
7 Indicador de la posici´on de la inductancia en todo instante de tiempo, independientemente de su modo de operaci´on, dentro de un rango establecido.
8 Indicador de la posici´on de la capacitancia en todo instante de tiempo, independientemente de su modo de operaci´on, dentro de un rango establecido.
9 Indicador luminoso que indica cuando el valor de la capacitancia llega a su m´aximo o m´ınimo valor de dise˜no.
10 Indicador luminoso que indica cuando el valor de la inductancia llega a su m´aximo o m´ınimo valor de dise˜no.
11
Interfaz an´aloga o conector tipo DB25 de chasis hembra, para la comunicaci´on con la tarjeta de adquisici´on de datos y permitir la manipulaci´on de las posiciones de inductancia y capacitancia del acople
cuando ´estas se encuentran en modo remoto.
12 Puntos (o potenci´ometros) de ajuste de sensibilidad de la ganancia de los sensores de fase y magnitud (requieren calibraci´on).
13
Conector tipo DB15 de chasis hembra, por el cual se hace el env´ıo y recepci´on de se˜nales de control hacia el controlador, valga la redundancia, de
la red de acople tipo L.
14 Conector tipo BNC hembra, para una se˜nal externa de fase o puede ser utilizado como un monitor de punto de prueba para la misma.
15 Conector tipo BNC hembra, para una se˜nal externa de magnitud o puede ser utilizado como un monitor de punto de prueba para la misma.
Tabla 3-3: Botones, conexiones y dem´as fuentes de interacci´on f´ısica del sintonizador ATN-5. [44].
Ahora bien, como se mencionado anteriormente, es importante tener en cuenta las instruc-ciones del manual de operaci´on del sintonizador ATN-5 para su modo de funcionamiento remoto ya que, es el que se va a utilizar en este proyecto.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 45
Pin Descripci´on Entrada/Salida Activaci´on
1 Sensor de Magnitud ENTRADA Este pin recibe el valor en tensi´on arrojado por el sensor de magnitud de la red de acople L.
2 Sensor de Fase ENTRADA Este pin recibe el valor en tensi´on arrojado por el sensor de fase de la red de acople L.
3
Accionamiento del motor del capacitor
en paralelo
SALIDA
Este pin env´ıa la se˜nal de control que act´ua sobre el motor que altera el valor de la capacitancia en paralelo de la red de acople L.
4
Accionamiento del motor del capacitor
en serie
SALIDA
Este pin env´ıa la se˜nal de control que act´ua sobre el motor que altera el valor de la capacitancia en serie de la red de acople L.
5 Posici´on del capacitor
en serie ENTRADA
Este pin recibe el valor en tensi´on correspondiente a la posici´on del capacitor en
serie de la red de acople L.
6 Posici´on del capacitor
en paralelo ENTRADA
Este pin recibe el valor en tensi´on correspondiente a la posici´on del capacitor en
paralelo de la red de acople L.
7 +5,2V dc SALIDA Tensi´on DC fija para manejo del controlador interno en la red de acople L.
8 +0,15V dc SALIDA Tensi´on DC fija para manejo del controlador interno en la red de acople L.
9 Tierra – –
13 Motor del ventilador SALIDA Esta se˜nal de control activa o desactiva a los ventiladores de la red de acople L.
14 NO CONEXI ´ON – –
15 NO CONEXI ´ON – –
Pin Descripci´on Entrada/Salida Activaci´on
1 NO CONEXI ´ON – –
2 Control remoto del
capacitor en paralelo ENTRADA
Debe conectarse al pin 14 del DB15 del generador RF para permitir el control remoto del capacitor en paralelo
de la red de acople L.
Por medio de este pin se activa el manejo remoto del capacitor en serie de la red de acople (Debe conectarse al
pin 14 del DB15 del generador RF).
4
Habilitaci´on del control remoto del capacitor en paralelo
SALIDA
Por medio de este pin se activa el manejo remoto del capacitor en paralelo de la red de acople (Debe conectarse
al pin 14 del DB15 del generador RF).
5 Control remoto del
capacitor en serie ENTRADA
Debe conectarse al pin 14 del DB15 del generador Rf para permitir el control remoto del capacitor en serie de la red
de acople L.
6 L´ımite negativo del
capacitor en serie SALIDA
Es un valor en tensi´on que indica el l´ımite negativo que se puede poner en el pin 12 (−5V dc).
7 L´ımite positivo del
capacitor en serie SALIDA
Es un valor en tensi´on que indica el l´ımite negativo que se puede poner en el pin 12 (5V dc).
8 Falla SALIDA
Es una salida que debe estar en tensi´on alta (5V dc) indicando que todas las conexiones est´an de forma correcta. En caso de ser 0V, existe alg´un error en las
conexiones.
9 L´ımite negativo del
capacitor en paralelo SALIDA
Es un valor en tensi´on que indica el l´ımite negativo que se puede poner en el pin 13 (−5V dc).
10 L´ımite positivo del
capacitor en paralelo SALIDA
Es un valor en tensi´on que indica el l´ımite negativo que se puede poner en el pin 13 (5V dc).
11 Posici´on actual del
capacitor en paralelo SALIDA
Es una salida en tensi´on que indica la posici´on en la que se encuentra el capacitor en paralelo.
12 Punto de ajuste del
capacitor en serie ENTRADA
Es el pin por medio del cual se maneja el valor de capacitancia en serie de la red de acople.
13 Punto de ajuste del
capacitor en paralelo ENTRADA
Es el pin por medio del cual se maneja el valor de capacitancia en paralelo de la red de acople.
14 NO CONEXI ´ON – –
15 +15V – Tensi´on fija para el manejo interno en el controlador. 16 −15V dc – Tensi´on fija para el manejo interno en el controlador.
17 NO CONEXI ´ON – –
Es una salida en tensi´on que indica la posici´on en la que se encuentra el capacitor en serie.
24 Tierra – –
25 Tierra – –
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 47
3.1.3.
Red de acople electromagn´
etico tipo L
La red de acople tipo L es el dispositivo esencial para el proceso de pulverizaci´en RF puesto que, en ella se encuentran f´ısicamente los elementos que permitir´an brindar acople elec-tromagn´etico entre el generador RF y la c´amara de Sputtering (o plasma), los cuales son: capacitancia en paralelo, inductancia en serie (que a su vez est´a en serie con una capacitan-cia variable, lo que facilita la manipulaci´on o variaci´on de la inductancapacitan-cia equivalente), los servomotores que mueven las capacitancias, ventiladores para asegurar en primera instancia control de temperatura en los elementos que componen el acople y un controlador interno que interact´ua con el sintonizador ATN-5 por medio de un conector externo tipo DB15.
Las Figuras3-6,3-7y3-8muestran de forma externa las partes frontal, posterior y superior de la red respectivamente y las Figuras3-9y 3-10en cambio muestran la estructura interna de la red de acople electromagn´etica tipo L.
Figura 3-7: Parte posterior de la red electromagn´etica tipo L.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 49
Figura 3-9: Parte interna de la red de acople electromagn´etico tipo L, controlador resaltado.
Figura 3-10: Parte interna de la red de acople electromagn´etico tipo L, inductancia y ca-pacitancias resaltadas.
As´ı pues, las se˜nales externas llegan al controlador por medio del conector tipo DB15 y es el controlador interno quien hace que los servomotores se posicionen seg´un se requiera alte-rando los valores equivalentes de los componentes de la red.
En la tabla 3-6 se describen cada uno de los elementos de la red de acople que han sido resaltados en las Figuras 3-6, 3-7,3-8, 3-9 y 3-10.
3.1 Listado de dispositivos principales que intervienen en el sputtering RF 51
N´umero Descripci´on
1 Servomotor que ejerce el movimiento o alteraci´on en el valor de la capacitancia en paralelo de la red de acople.
2 Servomotor que ejerce el movimiento o alteraci´on en el valor de la capacitancia en paralelo de la red de acople.
3 Bus de conectores tipo DB9 para el env´ıo de las se˜nales de control para los servomotores y los ventiladores de la parte superior de la red.
4 Conector tipo HN de chasis hembra, para la salida de la energ´ıa RF hacia la c´amara de Sputtering.
5 Espacio disponible para poder adaptar una salida, para la energ´ıa RF, con un diferente conector (es decir NO tipo HN), por ejemplo tipo N.
6
Interfaz an´aloga o conector tipo DB15 de chasis hembra, para el env´ıo y recepci´on de se˜nales de control hacia el sintonizador ATN-5 (este conector
funciona adecuadamente si el ATN-5 est´a en modo remoto).
7
Espacio disponible para poder adaptar un conector tipo DB9, para el env´ıo y recepci´on de se˜nales de control hacia el sintonizador ATN-5 (en su modo de
funcionamiento remoto).
8 Conector tipo N de chasis hembra, para la entrada de energ´ıa proveniente del generador RF.
9 Adaptaciones para la entrada y salida de un sistema de refrigeraci´on, que puede ser de agua o de aire. En este proyecto se estima utilizar aire comprimido. 10 Ventiladores que ayudan a disminuir la temperatura dentro de la red.
11
Controlador interno de la red de acople, al cual llegan las se˜nales externas del sintonizador ATN-5 y en consecuencia se realizan las acciones o env´ıo de se˜nales
de acci´on en los elementos dentro de la red.
12 Bobina o inductancia de un valor fijo, la cual est´a en serie en la red tipo L.
13 Capacitancia o condensador de placas paralelas variable, el cual est´a en paralelo en la red tipo L.
14 Capacitancia o condensador variable, el cual est´a en serie con la bobina y permite alterar el valor equivalente de inductancia resultante.
3.2.
Elementos adicionales
Los siguientes elementos a describir ven´ıan incluidos en la compra de los dispositivos men-cionados anteriormente, la existencia y buen funcionamiento de los siguientes es clave y vital para el buen funcionamiento del sistema en forma global.
3.2.1.
Cable coaxial RG-213
Este cable coaxial permite la transferencia de la energ´ıa emitida por el generador RF hacia la red de acople de impedancias tipo L. Por su referencia RG-213, se deduce que es un cable con ´optimo funcionamiento a la frecuencia y potencia de trabajo de este proyecto. La Figura
3-11 ilustra el cable en menci´on.
Figura 3-11: Cable coaxial RG-213, para la transmisi´on de energ´ıa entre el generador RF y la red de acople tipo L.
3.2.2.
Conector tipo DB15
3.2 Elementos adicionales 53
