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Un sistema comercial de pulverización catódica AJA Orion en las instalaciones de ciencia y tecnología de Cornell NanoScale

En física, la pulverización catódica es un fenómeno en el que las partículas microscópicas de un material sólido son expulsadas de su superficie, después de que el propio material es bombardeado por partículas energéticas de un plasma o gas . [1] Ocurre de forma natural en el espacio exterior y puede ser una fuente de desgaste no deseada en los componentes de precisión. Sin embargo, el hecho de que pueda actuar sobre capas de material extremadamente finas se utiliza en la ciencia y la industria; allí, se utiliza para realizar un grabado preciso , realizar técnicas analíticas y depositar capas de película delgada en la fabricación de recubrimientos ópticos., dispositivos semiconductores y productos nanotecnológicos . Es una técnica de deposición física de vapor . [2]

Física [ editar ]

Cuando los iones energéticos chocan con los átomos de un material objetivo, se produce un intercambio de impulso entre ellos. [1] [3] [4]

Salpicaduras de una cascada de colisión lineal. La línea gruesa ilustra la posición de la superficie, con todo lo que está debajo de ella siendo átomos dentro del material, y las líneas más delgadas son las trayectorias de movimiento balístico de los átomos desde el principio hasta que se detienen en el material. El círculo violeta es el ion entrante. Los círculos rojos, azules, verdes y amarillos ilustran retrocesos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios, respectivamente. Dos de los átomos salen de la muestra, es decir, se bombardean.

Estos iones, conocidos como "iones incidentes", desencadenan cascadas de colisión en el objetivo. Tales cascadas pueden tomar muchos caminos; algunos retroceden hacia la superficie del objetivo. Si una cascada de colisión alcanza la superficie del objetivo y su energía restante es mayor que la energía de enlace de la superficie del objetivo , se expulsará un átomo. Este proceso se conoce como "pulverización catódica". Si el objetivo es delgado (en una escala atómica), la cascada de colisión puede llegar hasta su parte trasera; se dice que los átomos expulsados ​​de esta manera escapan de la energía de enlace superficial "en transmisión".

El número medio de átomos expulsados ​​del objetivo por ion incidente se denomina "rendimiento de pulverización catódica". El rendimiento de la pulverización catódica depende de varias cosas: el ángulo en el que los iones chocan con la superficie del material, la cantidad de energía con la que lo golpean, sus masas, las masas de los átomos objetivo y la energía de unión de la superficie del objetivo. Si el objetivo posee una estructura cristalina , la orientación de sus ejes con respecto a la superficie es un factor importante.

Los iones que causan la pulverización catódica provienen de una variedad de fuentes: pueden provenir del plasma , fuentes de iones especialmente construidas , aceleradores de partículas , el espacio exterior (por ejemplo, viento solar ) o materiales radiactivos (por ejemplo, radiación alfa ).

Un modelo para describir la pulverización catódica en el régimen de cascada para objetivos planos amorfos es el modelo analítico de Thompson. [5] En el programa TRIM se implementa un algoritmo que simula la pulverización catódica basado en un tratamiento mecánico cuántico que incluye la eliminación de electrones a alta energía . [6]

Otro mecanismo de pulverización catódica física se denomina "pulverización catódica por picos de calor". Esto puede ocurrir cuando el sólido es lo suficientemente denso y el ión entrante lo suficientemente pesado como para que las colisiones se produzcan muy cerca unas de otras. En este caso, la aproximación de colisión binaria ya no es válida y el proceso de colisión debe entenderse como un proceso de muchos cuerpos. Las densas colisiones inducen un pico de calor (también llamado pico térmico), que esencialmente derrite una pequeña porción del cristal. Si esa porción está lo suficientemente cerca de su superficie, se pueden expulsar grandes cantidades de átomos, debido al líquido que fluye hacia la superficie y / o microexplosiones. [7]La pulverización catódica con picos de calor es más importante para iones pesados ​​(por ejemplo, Xe o Au o iones de racimo) con energías en el rango keV-MeV que bombardean metales densos pero blandos con un punto de fusión bajo (Ag, Au, Pb, etc.). La pulverización catódica con picos de calor a menudo aumenta de forma no lineal con la energía, y para iones pequeños de racimo puede conducir a rendimientos dramáticos de pulverización catódica por grupo del orden de 10,000. [8] Para ver las animaciones de dicho proceso, consulte "Re: Desplazamiento en cascada 1" en la sección de enlaces externos .

La pulverización catódica física tiene un umbral de energía mínimo bien definido, igual o mayor que la energía iónica en la que la máxima transferencia de energía del ión a un átomo objetivo es igual a la energía de enlace de un átomo de superficie. Es decir, solo puede suceder cuando un ion es capaz de transferir más energía al objetivo de la necesaria para que un átomo se libere de su superficie.

Este umbral suele estar en el rango de diez a cien eV .

La pulverización catódica preferencial puede ocurrir al principio cuando se bombardea un objetivo sólido multicomponente y no hay difusión de estado sólido. Si la transferencia de energía es más eficiente a uno de los componentes objetivo, o está menos ligada al sólido, chisporroteará más eficientemente que el otro. Si en una aleación AB el componente A se pulveriza preferentemente, la superficie del sólido, durante un bombardeo prolongado, se enriquecerá en el componente B, aumentando así la probabilidad de que B se pulverice de manera que la composición del material pulverizado finalmente vuelva a ser AB.

Sputtering electrónico [ editar ]

El término bombardeo electrónico puede significar bombardeo inducido por electrones energéticos (por ejemplo, en un microscopio electrónico de transmisión), o bombardeo debido a iones pesados ​​de muy alta energía o muy cargados que pierden energía en el sólido, principalmente por potencia de frenado electrónico , donde el Las excitaciones electrónicas provocan chisporroteo. [9] La pulverización catódica electrónica produce altos rendimientos de pulverización catódica de los aislantes , ya que las excitaciones electrónicas que provocan la pulverización catódica no se apagan inmediatamente, como ocurriría en un conductor. Un ejemplo de esto es de Júpiter cubierta de hielo luna Europa , donde un ion azufre MeV de la magnetosfera de Júpiter puede expulsar hasta 10.000 H 2 O moléculas. [10]

Posible chisporroteo [ editar ]

Un sistema comercial de pulverización catódica

En el caso de múltiples iones de proyectiles cargados, puede tener lugar una forma particular de bombardeo electrónico que se ha denominado bombardeo potencial . [11] [12] En estos casos, la energía potencial almacenada en iones con carga múltiple (es decir, la energía necesaria para producir un ión de este estado de carga a partir de su átomo neutro) se libera cuando los iones se recombinan durante el impacto sobre una superficie sólida (formación de átomos huecos ). Este proceso de pulverización catódica se caracteriza por una fuerte dependencia de los rendimientos de pulverización catódica observados del estado de carga del ión impactante y ya puede tener lugar a energías de impacto iónico muy por debajo del umbral de pulverización catódica física. Solo se ha observado una posible pulverización catódica en determinadas especies de destino [13].y requiere una energía potencial mínima. [14]

Aguafuerte y pulverización química [ editar ]

La eliminación de átomos mediante pulverización catódica con un gas inerte se denomina molienda iónica o grabado iónico .

La pulverización también puede desempeñar un papel en el grabado con iones reactivos (RIE), un proceso de plasma que se lleva a cabo con iones y radicales químicamente activos, para el cual el rendimiento de la pulverización catódica puede mejorarse significativamente en comparación con la pulverización física pura. Los iones reactivos se utilizan con frecuencia en equipos de espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para mejorar las tasas de pulverización catódica. Los mecanismos que causan la mejora de la pulverización catódica no siempre se comprenden bien, aunque el caso del grabado con flúor de Si se ha modelado bien teóricamente. [15]

La pulverización que se observa que ocurre por debajo del umbral de energía de la pulverización física también se denomina a menudo pulverización química. [1] [4] Los mecanismos detrás de tal pulverización catódica no siempre se comprenden bien y pueden ser difíciles de distinguir del grabado químico . A temperaturas elevadas, se puede entender que la pulverización química del carbono se debe a que los iones entrantes debilitan los enlaces en la muestra, que luego se desorben por activación térmica. [16] La pulverización catódica inducida por hidrógeno de materiales a base de carbono observada a bajas temperaturas se ha explicado por la entrada de iones H entre los enlaces CC y, por tanto, su ruptura, un mecanismo denominado pulverización química rápida . [17]

Aplicaciones y fenómenos [ editar ]

La pulverización solo ocurre cuando la energía cinética de las partículas entrantes es mucho mayor que las energías térmicas convencionales ( ≫ 1 eV ). Cuando se hace con corriente continua (pulverización catódica de CC), se utilizan voltajes de 3-5 kV. Cuando se hace con corriente alterna ( sputtering RF ), las frecuencias están alrededor del rango de 14MHz.

Limpieza de pulverizadores [ editar ]

Las superficies de sólidos se pueden limpiar de contaminantes mediante el uso de pulverización física al vacío . La limpieza por pulverización se utiliza a menudo en la ciencia de superficies , deposición al vacío y enchapado iónico . En 1955, Farnsworth, Schlier, George y Burger informaron sobre el uso de la limpieza por pulverización catódica en un sistema de vacío ultra alto para preparar superficies ultralimpias para estudios de difracción de electrones de baja energía (LEED). [18] [19] [20] La limpieza con vaporizador se convirtió en una parte integral del proceso de recubrimiento iónico . Cuando las superficies a limpiar son grandes, una técnica similar, limpieza con plasma, puede ser usado. La limpieza con pulverizador tiene algunos problemas potenciales como el sobrecalentamiento, la incorporación de gas en la región de la superficie, el daño por bombardeo (radiación) en la región de la superficie y la rugosidad de la superficie, particularmente si se hace demasiado. Es importante tener un plasma limpio para no volver a contaminar continuamente la superficie durante la limpieza por pulverización catódica. La redeposición del material pulverizado sobre el sustrato también puede generar problemas, especialmente a altas presiones de pulverización catódica. La pulverización de la superficie de un compuesto o material de aleación puede provocar que se cambie la composición de la superficie. A menudo, la especie con la menor masa o la mayor presión de vapor es la que se pulveriza preferentemente desde la superficie.

Deposición de película [ editar ]

Artículo principal: deposición de Sputter

La deposición por pulverización es un método para depositar películas delgadas mediante pulverización catódica que implica erosionar el material de una fuente "objetivo" sobre un "sustrato", por ejemplo, una oblea de silicio , una célula solar, un componente óptico o muchas otras posibilidades. [21] La reesputación , por el contrario, implica la reemisión del material depositado, por ejemplo, SiO 2 durante la deposición, también por bombardeo iónico.

Los átomos pulverizados se expulsan a la fase gaseosa pero no están en su estado de equilibrio termodinámico y tienden a depositarse en todas las superficies de la cámara de vacío. Un sustrato (como una oblea) colocado en la cámara se recubrirá con una película delgada. La deposición por pulverización generalmente usa un plasma de argón porque el argón, un gas noble, no reacciona con el material objetivo.

Aguafuerte [ editar ]

En la industria de los semiconductores, la pulverización catódica se utiliza para grabar el objetivo. El grabado con pulverizador se elige en los casos en los que se necesita un alto grado de anisotropía de grabado y la selectividad no es una preocupación. Un gran inconveniente de esta técnica es el daño de las obleas y el uso de alto voltaje.

Para análisis [ editar ]

Otra aplicación de la pulverización catódica es grabar el material objetivo. Un ejemplo de este tipo ocurre en la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), donde la muestra objetivo se pulveriza a una velocidad constante. A medida que se pulveriza el objetivo, la concentración y la identidad de los átomos pulverizados se miden mediante espectrometría de masas . De esta manera se puede determinar la composición del material objetivo e incluso detectar concentraciones extremadamente bajas (20 µg / kg) de impurezas. Además, debido a que la pulverización catódica se graba más profundamente en la muestra, se pueden medir los perfiles de concentración en función de la profundidad.

En el espacio [ editar ]

La pulverización es una de las formas de meteorización espacial, un proceso que cambia las propiedades físicas y químicas de los cuerpos sin aire, como los asteroides y la Luna . En las lunas heladas, especialmente en Europa , la pulverización de agua fotolizada de la superficie conduce a una pérdida neta de hidrógeno y a la acumulación de materiales ricos en oxígeno que pueden ser importantes para la vida. La pulverización es también una de las posibles formas en que Marte ha perdido la mayor parte de su atmósfera y que Mercurio repone continuamente su tenue exosfera delimitada por la superficie .


Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b c R. Behrisch (ed.) (1981). Sputtering por bombardeo de partículas . Springer, Berlín. ISBN 978-3-540-10521-3.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
  2. ^ http://www.semicore.com/news/94-what-is-dc-sputtering
  3. ↑ P. Sigmund, Nucl. Instrum. Métodos Phys. Res. B (1987). "Mecanismos y teoría del sputtering físico por impacto de partículas". Instrumentos y métodos nucleares en Física de Investigación Sección B . 27 (1): 1–20. Código bibliográfico : 1987NIMPB..27 .... 1S . doi : 10.1016 / 0168-583X (87) 90004-8 .
  4. ^ a b R. Behrisch y W. Eckstein (eds.) (2007). Proyección por bombardeo de partículas: experimentos y cálculos informáticos desde el umbral hasta las energías Mev . Springer, Berlín.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
  5. ^ MW Thompson (1962). "Espectro de energía de los átomos expulsados ​​durante la pulverización catódica de oro de alta energía". Phil. Mag . 18 (152): 377. Bibcode : 1968PMag ... 18..377T . doi : 10.1080 / 14786436808227358 .
  6. ^ JF Ziegler, J. P, Biersack, U. Littmark (1984). Detención y rango de iones en sólidos ", vol. 1 de la serie Detención y rango de iones en la materia . Pergamon Press, Nueva York. ISBN 978-0-08-021603-4.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  7. ^ Mai Ghaly y RS Averback (1994). "Efecto del flujo viscoso sobre el daño iónico cerca de superficies sólidas". Cartas de revisión física . 72 (3): 364–367. Código Bibliográfico : 1994PhRvL..72..364G . doi : 10.1103 / PhysRevLett.72.364 . PMID 10056412 . 
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  21. ^ "Objetivos de pulverización | Películas finas" . ADMAT Inc . Consultado el 28 de agosto de 2018 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Guía de evaporación de película fina
  • ¿Qué es la pulverización? - una introducción con animaciones
  • Conceptos básicos de pulverización: película animada de un proceso de pulverización
  • Programa de simulación de dinámica molecular libre (Kalypso) capaz de modelar sputtering
  • Cursos cortos de la American Vacuum Society sobre la deposición de películas delgadas
  • HR Kaufman, JJ Cuomo y JME Harper (1982). "Tecnología y aplicaciones de fuentes de iones de haz ancho utilizadas en la pulverización catódica. Parte I. Tecnología de fuentes de iones". Revista de ciencia y tecnología del vacío . 21 (3): 725–736. Código Bibliográfico : 1982JVST ... 21..725K . doi : 10.1116 / 1.571819 .(El artículo original sobre las fuentes de chisporroteo de Kaufman).
  • Re: Desplazamiento en cascada 1 . Youtube. 2008.