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Pulverización catódica

Un sistema comercial de pulverización catódica AJA Orion en las instalaciones de ciencia y tecnología a nanoescala de Cornell. Propulsor iónico que funciona con yodo (amarillo) ...

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Un sistema comercial de pulverización catódica AJA Orion en las instalaciones de ciencia y tecnología a nanoescala de Cornell.
Propulsor iónico que funciona con yodo (amarillo) utilizando un cátodo hueco de xenón (azul). Los iones de alta energía emitidos por los propulsores de plasma pulverizan el material de la cámara de prueba circundante, lo que causa problemas para las pruebas en tierra de propulsores de alta potencia. [ 1 ]

En física, la pulverización catódica es un fenómeno en el que partículas microscópicas de un material sólido son expulsadas de su superficie, después de que el material mismo es bombardeado por partículas energéticas de un plasma o gas . [ 2 ] Ocurre de forma natural en el espacio exterior y puede ser una fuente indeseable de desgaste en componentes de precisión. Sin embargo, el hecho de que pueda actuar sobre capas extremadamente finas de material se aprovecha en la ciencia y la industria; allí, se utiliza para realizar grabados precisos , llevar a cabo técnicas analíticas y depositar capas delgadas en la fabricación de recubrimientos ópticos , dispositivos semiconductores y productos nanotecnológicos . Es una técnica de deposición física de vapor . [ 3 ]

Física

Cuando iones energéticos chocan con átomos de un material objetivo, se produce un intercambio de momento entre ellos. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]

Pulverización catódica por cascada de colisión lineal. La línea gruesa ilustra la posición de la superficie, donde todo lo que se encuentra debajo son átomos dentro del material, y las líneas más finas representan las trayectorias balísticas de los átomos desde su inicio hasta que se detienen dentro del material. El círculo morado representa el ion incidente. Los círculos rojo, azul, verde y amarillo ilustran los retrocesos primario, secundario, terciario y cuaternario, respectivamente. Dos de los átomos se desplazan fuera de la muestra, es decir, son pulverizados.

Estos iones, conocidos como "iones incidentes", desencadenan cascadas de colisiones en el blanco. Dichas cascadas pueden seguir múltiples trayectorias; algunas retroceden hacia la superficie del blanco. Si una cascada de colisiones alcanza la superficie del blanco y su energía restante es mayor que la energía de enlace superficial del blanco , se expulsará un átomo. Este proceso se conoce como "pulverización catódica". Si el blanco es delgado (a escala atómica), la cascada de colisiones puede atravesarlo hasta su parte posterior; se dice que los átomos expulsados ​​de esta manera escapan de la energía de enlace superficial "por transmisión".

El número promedio de átomos expulsados ​​del blanco por cada ion incidente se denomina "rendimiento de pulverización catódica". Este rendimiento depende de varios factores: el ángulo de colisión de los iones con la superficie del material, la energía con la que impactan, sus masas, las masas de los átomos del blanco y la energía de enlace superficial del blanco. Si el blanco posee una estructura cristalina , la orientación de sus ejes con respecto a la superficie es un factor importante.

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

Un modelo para describir la pulverización catódica en el régimen de cascada para blancos planos amorfos es el modelo analítico de Thompson. [ 6 ] Un algoritmo que simula la pulverización catódica basado en un tratamiento mecánico cuántico que incluye el desprendimiento de electrones a alta energía está implementado en el programa TRIM . [ 7 ]

Otro mecanismo de pulverización física se denomina "pulverización por pico de calor". Esto puede ocurrir cuando el sólido es lo suficientemente denso y el ion incidente lo suficientemente pesado como para que las colisiones se produzcan muy cerca unas de otras. En este caso, la aproximación de colisión binaria deja de ser válida y el proceso colisional debe entenderse como un proceso de muchos cuerpos. Las colisiones densas inducen un pico de calor (también llamado pico térmico), que esencialmente funde una pequeña porción del cristal. Si esa porción está lo suficientemente cerca de su superficie, se pueden expulsar grandes cantidades de átomos debido al flujo de líquido hacia la superficie y/o a microexplosiones. [ 8 ] La pulverización por pico de calor es más importante para iones pesados ​​(por ejemplo, Xe o Au o iones de clúster) con energías en el rango de keV a MeV que bombardean metales densos pero blandos con un punto de fusión bajo (Ag, Au, Pb, etc.). La pulverización por pico de calor a menudo aumenta de forma no lineal con la energía y, para iones de clúster pequeños, puede conducir a rendimientos de pulverización drásticos por clúster del orden de 10 000. [ 9 ] Para ver animaciones de dicho proceso, consulte "Re: Cascada de desplazamiento 1" en la sección de enlaces externos .

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

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

La pulverización catódica preferencial puede ocurrir al inicio del bombardeo de un blanco sólido multicomponente, cuando no existe difusión en estado sólido. Si la transferencia de energía es más eficiente hacia uno de los componentes del blanco, o si este se encuentra menos unido al sólido, se pulverizará con mayor eficiencia 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 modo que la composición del material pulverizado finalmente vuelva a ser AB.

Pulverización catódica electrónica

El término pulverización electrónica puede referirse tanto a la pulverización inducida por electrones energéticos (por ejemplo, en un microscopio electrónico de transmisión) como a la pulverización debida a iones pesados ​​de muy alta energía o altamente cargados que pierden energía hacia el sólido, principalmente por el poder de frenado electrónico , donde las excitaciones electrónicas causan la pulverización. [ 10 ] La pulverización electrónica produce altos rendimientos de pulverización en aislantes , ya que las excitaciones electrónicas que la causan no se extinguen inmediatamente, como ocurriría en un conductor. Un ejemplo de esto es Europa , la luna de Júpiter cubierta de hielo , donde un ion de azufre de MeV de la magnetosfera de Júpiter puede expulsar hasta 10 000 moléculas de H₂O . [ 11 ]

Pulverización catódica potencial

Un sistema de pulverización catódica comercial

En el caso de iones proyectiles con carga múltiple, puede tener lugar una forma particular de pulverización electrónica denominada pulverización potencial . [ 12 ] [ 13 ] En estos casos, la energía potencial almacenada en iones con carga múltiple (es decir, la energía necesaria para producir un ion 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 se caracteriza por una fuerte dependencia de los rendimientos de pulverización observados con respecto al estado de carga del ion incidente y puede tener lugar incluso con energías de impacto iónico muy por debajo del umbral físico de pulverización. La pulverización potencial solo se ha observado para ciertas especies objetivo [ 14 ] y requiere una energía potencial mínima. [ 15 ]

Grabado y pulverización química

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

La pulverización catódica también puede desempeñar un papel en el grabado iónico reactivo (RIE), un proceso de plasma llevado a cabo con iones y radicales químicamente activos, en el que el rendimiento de pulverización puede incrementarse significativamente en comparación con la pulverización física pura. Los iones reactivos se utilizan frecuentemente en equipos de espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para aumentar las tasas de pulverización. Los mecanismos que causan este aumento de la pulverización no siempre se comprenden bien, aunque el caso del grabado con flúor del silicio se ha modelado bien teóricamente. [ 16 ]

La pulverización catódica que se observa por debajo de la energía umbral de la pulverización catódica física también se denomina a menudo pulverización catódica química. [ 2 ] [ 5 ] Los mecanismos que subyacen a dicha pulverización catódica no siempre se comprenden bien y pueden ser difíciles de distinguir del grabado químico . A temperaturas elevadas, la pulverización catódica química del carbono puede entenderse como debida a que los iones incidentes debilitan los enlaces en la muestra, que luego se desorben por activación térmica. [ 17 ] 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 C-C y, por lo tanto, su ruptura, un mecanismo denominado pulverización catódica química rápida . [ 18 ]

Aplicaciones y fenómenos

La pulverización catódica solo se produce cuando la energía cinética de las partículas incidentes es mucho mayor que la energía térmica convencional ( ≫ 1 eV ). Cuando se realiza con corriente continua (pulverización catódica CC), se utilizan voltajes de 3 a 5 kV. Cuando se realiza con corriente alterna ( pulverización catódica RF ), las frecuencias rondan los 14 MHz . 

Limpieza por chorro

Las superficies de los sólidos pueden limpiarse de contaminantes mediante la pulverización catódica física en vacío . La limpieza por pulverización catódica se utiliza a menudo en la ciencia de superficies , la deposición al vacío y el recubrimiento iónico . En 1955, Farnsworth, Schlier, George y Burger informaron sobre el uso de la limpieza por pulverización catódica en un sistema de ultra alto vacío para preparar superficies ultralimpias para estudios de difracción de electrones de baja energía (LEED). [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] La limpieza por pulverización catódica se convirtió en una parte integral del proceso de recubrimiento iónico . Cuando las superficies a limpiar son grandes, se puede utilizar una técnica similar, la limpieza por plasma . La limpieza por pulverización catódica tiene algunos problemas potenciales, como el sobrecalentamiento, la incorporación de gas en la región superficial, el daño por bombardeo (radiación) en la región superficial y el rugosamiento de la superficie, particularmente si se realiza en exceso. Es importante tener un plasma limpio para no recontaminar 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. La pulverización de la superficie de un compuesto o aleación puede alterar su composición. A menudo, la especie con menor masa o mayor presión de vapor es la que se pulveriza preferentemente de la superficie.

Deposición de película

La deposición por pulverización catódica es un método para depositar películas delgadas mediante pulverización catódica que implica la erosión de material desde una fuente "objetivo" sobre un "sustrato", por ejemplo, una oblea de silicio , una célula solar, un componente óptico o muchas otras posibilidades. [ 22 ] La repulverización , en cambio, implica la reemisión del material depositado, por ejemplo, SiO 2 durante la deposición, también mediante bombardeo iónico.

Los átomos pulverizados se expulsan a la fase gaseosa, pero no se encuentran 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 catódica generalmente utiliza un plasma de argón , ya que el argón, un gas noble , no reacciona con el material objetivo.

Daños por salpicaduras

El daño por pulverización catódica se define generalmente durante la deposición de electrodos transparentes en dispositivos optoelectrónicos, y suele originarse por el bombardeo del sustrato con especies de alta energía. Las principales especies involucradas en el proceso y sus energías representativas se pueden enumerar como (valores tomados de [ 23 ] ):

  • Átomos (iones) pulverizados desde la superficie del objetivo (~10 eV), cuya formación depende principalmente de la energía de enlace del material del objetivo;
  • En el plasma se forman iones negativos (procedentes del gas portador) (~5–15 eV), cuya formación depende principalmente del potencial del plasma;
  • Se forman iones negativos en la superficie del objetivo (hasta 400 eV), cuya formación depende principalmente del voltaje del objetivo;
  • Iones positivos formados en el plasma (~15 eV), cuya formación depende principalmente de la caída de potencial frente a un sustrato a potencial flotante;
  • Átomos reflejados e iones neutralizados de la superficie del objetivo (20–50 eV), cuya formación depende principalmente del gas de fondo y de la masa del elemento pulverizado.

Como se observa en la lista anterior, los iones negativos (p. ej., O⁻ e In⁻ para la pulverización catódica de ITO) formados en la superficie del objetivo y acelerados hacia el sustrato adquieren la mayor energía, la cual está determinada por el potencial entre el objetivo y el plasma. Si bien el flujo de partículas energéticas es un parámetro importante, los iones O⁻ negativos de alta energía son , además, las especies más abundantes en el plasma en el caso de la deposición reactiva de óxidos. Sin embargo, las energías de otros iones/átomos (p. ej., Ar⁺ , Ar⁰ o In⁰ ) en la descarga pueden ser suficientes para disociar enlaces superficiales o grabar capas blandas en ciertas tecnologías de dispositivos. Además, la transferencia de momento de partículas de alta energía del plasma (Ar, iones de oxígeno) o pulverizadas desde el objetivo podría impactar o incluso aumentar la temperatura del sustrato lo suficiente como para desencadenar la degradación física (p. ej., grabado) o térmica de capas sensibles del sustrato (p. ej., perovskitas de haluro metálico de película delgada).

Esto puede afectar las propiedades funcionales de las capas subyacentes de transporte de carga y pasivación, así como de los absorbentes o emisores fotoactivos, lo que reduce el rendimiento del dispositivo. Por ejemplo, debido al daño por pulverización catódica, pueden producirse consecuencias interfaciales inevitables, como la fijación del nivel de Fermi, causada por estados de brecha interfacial relacionados con el daño, lo que da lugar a la formación de una barrera Schottky que impide el transporte de portadores. El daño por pulverización catódica también puede afectar la eficiencia de dopaje de los materiales y la vida útil de los portadores de carga en exceso en los materiales fotoactivos; en algunos casos, dependiendo de su extensión, dicho daño puede incluso provocar una reducción de la resistencia de derivación. [ 23 ]

Aguafuerte

En la industria de los semiconductores, la pulverización catódica se utiliza para grabar el material objetivo. Este método se elige cuando se requiere un alto grado de anisotropía y la selectividad no es un factor crítico. Una desventaja importante de esta técnica es el daño a la oblea y el uso de alto voltaje.

Para análisis

Otra aplicación de la pulverización catódica es el grabado del material objetivo. Un ejemplo de ello se da en la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), donde la muestra objetivo se pulveriza a una velocidad constante. A medida que se pulveriza la muestra, se mide la concentración y la identidad de los átomos pulverizados mediante espectrometría de masas . De esta forma, se puede determinar la composición del material objetivo e incluso  detectar concentraciones extremadamente bajas (20 μg/kg) de impurezas. Además, dado que la pulverización penetra cada vez más en la muestra, se pueden medir perfiles de concentración en función de la profundidad.

En el espacio

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

Óptica

Debido a su adaptabilidad a una amplia gama de materiales, la pulverización catódica se utiliza para crear diversos tipos de recubrimientos que mejoran el rendimiento de los componentes ópticos. [ 24 ] Los recubrimientos antirreflectantes se aplican a lentes e instrumentos ópticos para minimizar la reflexión de la luz y aumentar su transmisión, lo que mejora la claridad y reduce el deslumbramiento. [ 25 ] La pulverización catódica también se utiliza para depositar recubrimientos reflectantes en espejos, asegurando una alta reflectividad y durabilidad para aplicaciones como telescopios , cámaras y sistemas láser. [ 26 ]

Véase también

Referencias

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  • Re: Cascada de desplazamiento 1. YouTube. 2008. Archivado del original el 11/12/2021.
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