Presentaci

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Técnicas de Depósito Químico
El depósito químico (CVD) se realiza 1.- a
partir de una especie gaseosa que libera el
material integrante de la capa, 2.- mediante
una reacción química que tiene lugar sobre ó
próxima a la superficie del sustrato, 3.- en
condiciones de temperatura y presión variables,
4.-obteniéndose un depósito adherente y donde
todas las especies, excepto el producto deseado,
son volátiles a la temperatura del proceso para
asegurar la pureza del mismo.
Los estudios sobre los procesos CVD han
demostrado la existencia de una capa gaseosa
estanca sobre la superficie en crecimiento. Dicha
capa, denominada capa límite, no se renueva por
la circulación general de los gases y presenta
diferentes espesores según las condiciones del
proceso. La transferencia de masas entre la fase
gaseosa y la capa en crecimiento se realiza por
difusión a través de la capa límite.
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Nucleación y primeros estadios del crecimiento de
la película delgada Los núcleos de crecimiento
pueden estar constituidos bien sea por átomos
individuales o bien por pequeñas agrupaciones de
átomos. Para unas condiciones dadas de
deposición (temperatura, ritmo de deposición,
presión de los gases en la cámara de vacío, etc.)
los factores mas importantes que controlan la
cinética de formación de los núcleos son la
naturaleza y el estado de la superficie y las
energías de adsorción a la superficie y de
cohesión o enlace entre ellos. De ahí que el
cálculo teórico del tamaño y de la densidad de
núcleos que se forman en la superficie del
sustrato sea extremadamente complejo.
Dependiendo del flujo de llegada de los átomos a
la superficie (Vinc) la relación de
supersaturación (definida por Vinc/Vdes siendo
Vdes los que se desorben) juega un papel
fundamental en el proceso de nucleación.
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En condiciones normales de supersaturación, los
átomos tienen tiempo de difundirse sobre la
superficie y alcanzar posiciones de mínima
energía potencial que permiten la formación de
núcleos estables. Existen tres modelos básicos
de nucleación según sean los valores relativos de
las energías de adsorción (Eads) y de enlace
(Eenl) entre los átomos que forman la capa
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Técnicas CVD
1.- Clasificación atendiendo a la temperatura del
proceso 1.1.- CVD a baja temperatura
LT-CVD 1.2.- CVD a alta temperatura HT-CVD
2.- Clasificación atendiendo a la presión del
proceso 2.1.- CVD a alta presión HP-CVD 2.2.-
CVD a baja presión LP-CVD 2.3.- CVD a presión
atmosférica AP-CVD
3.- Clasificación atendiendo al método de
comunicar la energía necesaria para el
cambio de fase 3.1.- Activación térmica
(calentamiento por resistencias, radio
frecuencia ó lámparas) CVD 3.2.-
Activación por plasma, generando una descarga en
forma de arco PECVD 3.3.-
CVD Fotoinducido PCVD 3.4.- CVD asistido por
láser LCVD
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(No Transcript)
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CVD activado Térmicamente
Según sea la temperatura de las paredes del
reactor, los reactores utilizados en las técnicas
de CVD pueden ser 1.- de pared fría o 2.- de
pared caliente. En los primeros, el
calentamiento de los substratos se realiza
directamente bien sea mediante un horno alojado
en el interior del reactor, o bien mediante un
sistema de calentamiento por inducción.
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La ventaja de los reactores de pared fría es que,
aparte de consumir menor energía, la reacción de
deposición tiene lugar preferentemente sobre los
substratos (disminuyendo además el consumo de
reactantes). Esto permite un mejor control de la
cinética de la reacción de deposición. En los
reactores de pared fría se evita además el
posible depósito no deseado sobre las paredes
que, con el tiempo, acaba desprendiéndose,
formando partículas que pueden alterar la
formación de capas en determinados zonas de los
substratos.
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En los reactores de pared caliente, el
calentamiento se efectúa generalmente mediante un
horno que rodea el reactor, que está formado por
un tubo de cuarzo situado en su interior. Aun
cuando presentan los inconvenientes asociados a
la formación de depósitos no deseados en las
paredes, sin embargo se utilizan muy a menudo en
la formación de capas delgadas debido a la
facilidad de diseño. La homogeneidad de la
temperatura en una amplia zona del reactor
facilita la deposición sobre un gran número de
muestras.
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CVD activado por plasma (PACVD y MWCVD)
La presencia de una descarga eléctrica (en forma
de plasma) en el interior del reactor hace que
las moléculas de los gases pasen a estados de
energía elevada favoreciendo la velocidad de
reacción. Generalmente, estas descargas se hacen
con fuentes de corriente alterna de alta
frecuencia, con objeto de aumentar la eficiencia
del proceso de deposición.
Por lo general estos equipos permiten trabajar a
diferentes frecuencias, en el rango de la
radiofrecuencia y en el de las microondas
1.- Técnica de CVD asistida por plasma de
radiofrecuencia (Rf plasma-assisted CVD ó
PACVD) 2.-Técnica de CVD asistida por plasma de
microondas (Microwave assisted CVD ó MWCVD)
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CVD asistida por plasma de radiofrecuencia
Una descarga de arco a baja presión, generada a
una radio frecuencia fija (450 kHz o 13.56 MHz)
se utiliza para generar un plasma bien
capacitivamente dentro de la cámara de reacción
(caso de sistemas con electrodos paralelos) o
bien inductivamente desde el exterior del reactor.
Recordemos que un plasma es materia gaseosa
fuertemente ionizada, con igual número de cargas
libres positivas y negativas. También se entiende
como un gas ionizado que contiene el mismo número
de electrones que de iones positivos y, por
consiguiente es buen conductor de la electricidad.
Un caso típico de depósito por Plasma-CVD es el
del silicio amorfo hidrogenado
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Esta técnica es muy utilizada para depositar
capas de Si3N4 empleadas como máscaras de
difusión en microelectrónica y para aislamiento
entre diferentes niveles de metalización.
También se utiliza para depositar silicio amorfo
con aplicaciones en células solares.
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CVD Fotoinducido PCVD
Los mecanismos de depósito que se siguen en
foto-CVD son básicamente de dos tipos
1º.- Fotólisis mediante vapores de Hg excitados
consiste en irradiar vapor de Hg con radiación
ultravioleta (UV) de longitud de onda de 2537 A y
activar las especies gaseosas por transferencia
de energía mediante choques
2º.- Fotólisis directa consiste en irradiar el
gas situado sobre el sustrato caliente con luz
ultravioleta de una determinada longitud de onda,
las especies gaseosas absorben la energía pasando
a estados excitados y llegando a romper la
molécula, produciéndose el depósito.
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Láser CVD (LCVD)
La utilización del láser para iniciar el depósito
se basa en tres mecanismos básicos
1º.- Pirólisis el láser calienta el sustrato
localmente de forma que los gases próximos a ese
punto sufren una descomposición térmica.
2º.- Evaporación el mecanismo es similar al de
la pulverización catódica. Sobre un blanco
situado próximo al sustrato se hace incidir un
haz láser que arranca el material y este se
deposita en el sustrato (ver técnicas de depósito
físicas ablación láser).
3º.- Fotólisis es el más empleado en los
procesos CVD inducidos por láser. Las especies
gaseosas absorben la radiación del láser, pasando
a estados excitados e incluso fragmentando la
molécula en radicales altamente reactivos
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Fotólisis de reactantes GeH4 , Si2H6 , C2H4 o
mezcla de gases
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Irradiación del sustrato (calentamiento local)
Fotólisis de reactantes GeH4 , Si2H6 , C2H4 o
mezcla de gases
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Oxidación Térmica
Entre los métodos químicos de preparación de
películas delgadas encontramos la oxidación de
materiales activada térmicamente. Así, mediante
este procedimiento es posible conseguir películas
de óxido del material que sirvan para una función
específica.
La mayoría de los metales por el simple contacto
con el oxígeno del aire forman una capa de óxido
en su superficie. A la temperatura ambiente esta
capa de óxido, denominada natural es de un
espesor muy pequeño, generalmente de decenas de
angstrom. Esto es debido a la elevada afinidad
del oxígeno por la mayoría de los metales, que
hace que reacciones con ellos expontaneamente
Cuando se aumenta la temperatura aumenta la
velocidad de reacción alcanzándose películas de
óxido relativamente gruesas.
En un gran número de casos, estas películas se
desprenden en algunos puntos de la superficie
dando lugar a la formación de poros y grietas y
eventualmente a la formación de nuevas capas de
óxido.
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En otros casos, como el del óxido de Silicio, las
películas tienen una gran estabilidad y presentan
unas excelentes propiedades aislantes por lo que
su uso en dispositivos de microelectrónica esta
muy extendido. Estas películas no sólo se
utilizan para aislar eléctricamente dispositivos
de microelectrónica muy próximos entre si, sino
también, dentro de un determinado dispositivo,
para aislar las diferentes capas conductoras que
se superponen sobre la superficie del
dispositivo. La oxidación térmica del SILICIO se
suele realizar en un reactor tubular de cuarzo
que se calienta mediante un horno externo hasta
unos 1200ºC. La oxidación se realiza haciendo
pasar oxígeno puro o vapor de agua a través del
reactor durante un cierto tiempo, a la
temperatura deseada.
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Esquema del sistema experimental
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Cinética de crecimiento
La formación de dióxido de silicio ( SiO2 ), en
la superficie del silicio tiene lugar por acción
del oxígeno o del agua que reaccionan de manera
suficientemente rápida a temperaturas elevadas
(700ºC- 1250ºC) de acuerdo con las ecuaciones
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Aplicaciones generales de las técnicas
Compound Semiconductor devices are used for the
solar panels and the RF transmitters and
receivers in communications satelites.
(pictured is a DirecTV satelite by Hughes
Electronics).
Microwave Plasma Deposition
Planta industrial
Micrografia de una capa de Diamante
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(No Transcript)
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Aplicaciones térmicas de las capas de CVD
diamante Due to the combination of excellent
thermal conductivity and high electrical
resistivity CVD diamond is getting more and more
attractive for various thermal management
applications, including i. diamond
heat-spreaders for the cooling of high-power
electronic devices(laser diodes), ii. diamond
submounts for flip-chip bonding of semiconductor
circuits, andiii. direct deposition of thin
diamond films on integrated circuits.
Optical Windows for high-power CO2 lasers The
broad-band optical transparency, high thermal
conductivity and hardness make diamond an ideal
choice for highly demanding window applications
such as high-power IR laser windows, high-power
microwave windows and durable windows for
aggressive environments
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A thick diamond coating on a large diameter
tungsten wire core
In order to make devices, displays, sensors, etc.
The following SEM photos show examples of a
patterned diamond film produced by selective
nucleation. The Si wafer was first coated on
oxide, and then patterned using standard
photolithography and dry etching techniques to
expose areas of Si. The wafer was then abraded,
and the oxide mask stripped off in HF. Subsequent
CVD produced diamond growth on the abraded areas
preferentially over the unabraded areas. The
resolution of this method appears to be around
2-5 µm.
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Micromecanizado por ablación láser en material
polímero (unidad de escala 10 mm)
Microsismómetro desarrollado para su utilización
en Marte.
Higrómetro para una microestación meteorologica
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Audífono (izda) y marcapasos (dcha)
cabezales de lectura/escritura en disco duro
Cabezal de impresión de chorro de tinta