La guía definitiva sobre la pulverización catódica reactiva
La pulverización catódica reactiva supera las limitaciones de la pulverización catódica tradicional. Se introduce gas reactivo en un entorno de gas inerte y, mediante reacciones químicas entre los átomos objetivo y el gas reactivo, se genera una película compuesta con una composición y estructura químicas específicas sobre la superficie del sustrato.
- Compuestos: TiN, TiC, ZrO₂, etc.
- Metales: oro, plata, cromo, titanio, aluminio, etc.
- Aleaciones: níquel-cromo, cobalto-cromo, titanio-aluminio, etc.
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Todo lo que debe saber sobre la pulverización catódica reactiva
La tecnología de pulverización catódica reactiva está presente en todas partes y proporciona un sólido soporte técnico para el desarrollo de numerosas industrias. Un conocimiento profundo de la tecnología de pulverización catódica reactiva no solo le ayudará a innovar en la investigación y el desarrollo de materiales, sino que también le proporcionará una sólida base teórica para optimizar la tecnología y mejorar la calidad de las películas. Este blog explorará de forma exhaustiva y en profundidad todos los aspectos de la pulverización catódica reactiva, incluyendo sus orígenes históricos, principios de funcionamiento, modos, materiales, ventajas y desventajas técnicas, y áreas de aplicación, con el objetivo de ofrecerle una visión completa y clara de toda la información sobre la pulverización catódica reactiva.
¿Qué es la pulverización reactiva?
La pulverización catódica reactiva es un tipo de tecnología de deposición física de vapor (PVD). En la pulverización catódica, además de utilizar gases inertes (como el argón Ar), también se introducen gases reactivos (como el oxígeno O₂, el nitrógeno N₂, el metano CH₄, etc.). En un entorno de plasma de alta energía, el gas reactivo reacciona químicamente con los átomos pulverizados del objetivo para generar compuestos, que se depositan sobre la superficie del sustrato para formar una película delgada.
La pulverización catódica tradicional consiste principalmente en pulverizar y depositar átomos diana directamente sobre el sustrato para formar una película delgada con la misma composición que el objetivo. La pulverización catódica reactiva modifica la composición química de la película depositada mediante reacciones químicas, convirtiéndola en una película compuesta, lo que amplía considerablemente los tipos y propiedades de los materiales de película delgada. Por ejemplo, utilizando un objetivo de titanio metálico, la pulverización catódica reactiva en una atmósfera mixta de argón y nitrógeno puede obtener una película de nitruro de titanio (TiN). La pulverización catódica reactiva en una atmósfera mixta de argón y oxígeno puede obtener una película de dióxido de titanio (TiO₂).
Principio de la pulverización reactiva
En la pulverización catódica reactiva, primero se genera plasma en una cámara de vacío. Generalmente, se utiliza un gas inerte (como el argón Ar) como gas de trabajo. A continuación, se aplica un campo eléctrico (como un campo eléctrico de CC, un campo eléctrico de radiofrecuencia o un campo eléctrico pulsado) para ionizar los átomos de argón. Bajo la acción del campo eléctrico, los electrones se aceleran y colisionan con los átomos de argón, desprendiendo los electrones de estos para formar iones de argón (Ar⁺) y electrones libres, que forman el plasma. Las partículas del plasma se encuentran en un estado de alta energía y presentan una alta actividad.
Pulverización catódica del objetivo
Los iones de argón generados bombardean la superficie del objetivo a alta velocidad bajo la aceleración del campo eléctrico. Debido a su alta energía cinética, al impactar los átomos del objetivo, la transferencia de momento permite que estos obtengan suficiente energía para escapar de la superficie. Este proceso se denomina pulverización catódica. Los átomos del objetivo pulverizados se encuentran en la cámara de vacío en estado gaseoso y se mueven en todas direcciones. Por ejemplo, cuando se utiliza un objetivo de cobre metálico, los iones de argón bombardean la superficie del objetivo de cobre y pulverizan átomos de cobre (Cu).
Reacción y deposición
Los gases de reacción (como oxígeno O₂, nitrógeno N₂, etc.) se introducen en la cámara de vacío. Los átomos objetivo pulverizados y las moléculas del gas de reacción se encuentran en la cámara de vacío y reaccionan químicamente. Por ejemplo, en la preparación de películas delgadas de óxido, si el material objetivo es titanio (Ti) y el gas de reacción es oxígeno (O₂), los átomos de titanio pulverizados reaccionan con moléculas de oxígeno para formar dióxido de titanio (TiO₂). Los compuestos generados por estas reacciones se depositan finalmente sobre la superficie del sustrato. La película de compuesto crece gradualmente. Durante la deposición, la velocidad de crecimiento, la composición química y la estructura de la película se ven afectadas por numerosos factores, como el flujo del gas de reacción, la potencia de pulverización, la temperatura del sustrato, el grado de vacío, etc.
Tipos de pulverización catódica reactiva
Los diferentes tipos de tecnología de pulverización catódica reactiva tienen sus propios principios, características de funcionamiento y áreas de aplicación. La pulverización catódica reactiva de CC ofrece las ventajas de una alta tasa de deposición y un equipo sencillo, pero es susceptible al envenenamiento del objetivo. La pulverización catódica reactiva de RF soluciona el problema de la pulverización catódica de objetivos aislantes, con una película de alta calidad, pero a bajo coste y con una tasa de deposición baja. La pulverización catódica reactiva por magnetrón combina las ventajas de una alta tasa de deposición y una película de alta calidad. La pulverización catódica reactiva por pulsos permite preparar películas de alta calidad y controlar la deposición con flexibilidad. La pulverización catódica reactiva de frecuencia media soluciona eficazmente el problema del envenenamiento del objetivo y presenta una alta rentabilidad.
Pulverización reactiva de CC
La pulverización catódica reactiva de CC es un tipo relativamente básico de tecnología de pulverización catódica reactiva. En un sistema de pulverización catódica reactiva de CC, el objetivo actúa como cátodo y se introducen en el sistema, en un entorno de vacío, gases inertes (como argón Ar) y reactivos (como oxígeno O₂, nitrógeno N₂, etc.). Al aplicar una tensión de CC entre el objetivo y el ánodo, los átomos del gas inerte se ionizan y los iones de argón (Ar⁺) generados bombardean la superficie del objetivo a alta velocidad bajo la aceleración del campo eléctrico. Una vez que los átomos del objetivo alcanzan la energía suficiente, se pulverizan desde la superficie del objetivo y pasan a la fase gaseosa. Los átomos pulverizados reaccionan químicamente con el gas reactivo para formar compuestos, que finalmente se depositan sobre el sustrato para formar una película.
Pulverización reactiva por radiofrecuencia
La pulverización catódica reactiva por radiofrecuencia (RF) utiliza una fuente de alimentación de RF (generalmente a una frecuencia de 13.56 MHz) para generar plasma. Los electrones e iones del plasma se aceleran alternativamente para desplazarse hacia el objetivo. En el semiciclo positivo, los electrones son atraídos hacia la proximidad del material objetivo, neutralizando la carga positiva y cargando negativamente el material objetivo; en el semiciclo negativo, las partículas del gas de trabajo son atraídas por la carga negativa del material objetivo y se desplazan hacia él, produciéndose la pulverización catódica y el recubrimiento. La pulverización catódica eficaz de objetivos aislantes, como óxidos y nitruros, soluciona el problema de que la pulverización catódica reactiva de CC no pueda procesar objetivos aislantes.
Pulverización reactiva con magnetrón
La pulverización catódica reactiva con magnetrón consiste en la preparación de películas delgadas compuestas mediante la introducción de gases reactivos. Los átomos objetivo pulverizados reaccionan químicamente con los gases reactivos introducidos para depositar una película delgada compuesta sobre el sustrato. Gracias al confinamiento del campo magnético en los electrones, la densidad del plasma aumenta considerablemente, la ionización del gas es más adecuada y la velocidad de pulverización de los átomos objetivo aumenta significativamente. La alta densidad del plasma y el entorno de pulverización uniforme mejoran la uniformidad, la adhesión y la densidad de la película depositada, y su estructura es más estable.
Pulverización reactiva por pulsos
La pulverización catódica reactiva por pulsos utiliza una fuente de alimentación de pulsos para el recubrimiento por pulverización catódica y controla la velocidad de deposición y el espesor de la película mediante el ajuste de parámetros como el ancho de pulso, la frecuencia y el ciclo de trabajo. En la etapa de alta potencia del pulso, se genera un plasma de alta densidad de corta duración, lo que provoca la pulverización catódica de una gran cantidad de átomos del objetivo; en la etapa de baja potencia, el gas de reacción reacciona químicamente con los átomos pulverizados y se deposita en el sustrato. Esto reduce eficazmente los defectos y la tensión en la película. Las características de la fuente de alimentación de pulsos controlan eficazmente la acumulación de carga en la superficie del objetivo, reduciendo la aparición de envenenamiento y arcos eléctricos.
Pulverización reactiva de frecuencia media
La pulverización catódica reactiva de media frecuencia utiliza una fuente de alimentación de media frecuencia (generalmente entre 1 y 200 kHz) y soluciona los problemas de envenenamiento del objetivo y arcos eléctricos en la pulverización catódica reactiva de CC mediante el uso alternativo de dos objetivos como cátodos y ánodos. En un ciclo, cuando un objetivo se pulveriza como cátodo, el otro se utiliza como ánodo para recolectar electrones y neutralizar la carga positiva acumulada en su superficie, de modo que el proceso de pulverización pueda continuar de forma estable. Esto evita eficazmente el fenómeno de envenenamiento del objetivo causado por la acumulación de compuestos en su superficie durante la pulverización catódica reactiva de CC.
Ejemplos de materiales pulverizados reactivamente
| Tipo compuesto | Reactivos iniciales | Ejemplos compuestos |
| Óxido | Objetivo metálico (por ejemplo, Al, Ti, Zn, Sn, In, etc.) + Oxígeno (O₂) | Óxido de aluminio (Al₂O₃), dióxido de titanio (TiO₂), óxido de zinc (ZnO), óxido de estaño (SnO₂), óxido de indio (In₂O₃) |
| Óxido | Objetivo de aleación (por ejemplo, aleación de ITO, aleación de Zn-Al, etc.) + Oxígeno (O₂) | Óxido de indio y estaño (ITO, In₂O₃:Sn), óxido de zinc y aluminio (ZnO:Al) |
| Nitruro | Objetivo metálico (p. ej., Ti, Cr, Zr, Ta, etc.) + Nitrógeno (N₂) | Nitruro de titanio (TiN), nitruro de cromo (CrN), nitruro de circonio (ZrN), nitruro de tantalio (TaN) |
| Nitruro | Objetivo semiconductor (p. ej., Si, Ge, etc.) + Nitrógeno (N₂) | Nitruro de silicio (Si₃N₄), nitruro de germanio (Ge₃N₄) |
| Carburo | Objetivo metálico (por ejemplo, Ti, Cr, W, etc.) + gas hidrocarburo (por ejemplo, metano CH₄, acetileno C₂H₂, etc.) | Carburo de titanio (TiC), carburo de cromo (Cr₃C₂), carburo de tungsteno (WC) |
| Carburo | Objetivo de carbono (p. ej., grafito) + Objetivo de metal (p. ej., Ti, Zr, etc.) + Argón (Ar) (pulverización asistida) | Carburo de titanio (TiC), carburo de circonio (ZrC) |
| Sulfuro | Objetivo metálico (p. ej., Cd, Zn, Pb, etc.) + gas de sulfuro de hidrógeno (H₂S) | Sulfuro de cadmio (CdS), sulfuro de zinc (ZnS), sulfuro de plomo (PbS) |
| Sulfuro | Blanco de sulfuro metálico (por ejemplo, MoS₂, etc.) + Argón (Ar) (pulverización asistida, posiblemente con una pequeña cantidad de gas reactivo) | disulfuro de molibdeno (MoS₂) |
| Fluoruro | Objetivo metálico (por ejemplo, Ca, Mg, Al, etc.) + gas fluoruro (por ejemplo, hexafluoruro de azufre SF₆, etc.) | Fluoruro de calcio (CaF₂), fluoruro de magnesio (MgF₂), fluoruro de aluminio (AlF₃) |
| Fluoruro | Blanco de fluoruro metálico (p. ej., LiF, etc.) + Argón (Ar) (pulverización asistida) | Fluoruro de litio (LiF) |
| Compuesto Metálico | Objetivo metálico A (por ejemplo, Cu) + Objetivo metálico B (por ejemplo, Al) + Argón (Ar) (Puede contener una pequeña cantidad de gas reactivo para ajustar las propiedades) | Película compuesta de aleación de cobre y aluminio (compuestos de diferentes proporciones formados según las condiciones de pulverización catódica) |
| Compuesto Metálico | Objetivo de metal (por ejemplo, Fe) + Objetivo de elemento de tierras raras (por ejemplo, Nd) + Argón (Ar) (puede contener gas reactivo) | Películas compuestas relacionadas con el neodimio-hierro-boro (NdFeB) (utilizadas para la preparación especial de películas magnéticas) |
Ventajas de la pulverización reactiva
Relación estequiométrica
Las películas compuestas con relaciones estequiométricas precisas se preparan ajustando con precisión la relación de flujo de gases reactivos (como oxígeno, nitrógeno, etc.) y gases inertes (como argón).
Películas diversificadas
Prepare una variedad de películas compuestas y cambie la microestructura y la composición de las películas ajustando los parámetros, logrando así un rendimiento de película diversificado.
Amplia gama de objetivos
La pulverización catódica reactiva utiliza diversos tipos de blancos, como metales, aleaciones, semiconductores y cerámicas. Ya sea un blanco de un solo elemento (como un blanco de titanio puro o de silicio puro) o un blanco de aleación compleja.
Material del sustrato
La pulverización catódica reactiva deposita películas delgadas sobre una variedad de materiales de sustrato diferentes, incluidos plásticos sensibles a la temperatura, materiales orgánicos, etc., así como materiales de sustrato tradicionales como metales, cerámica y vidrio.
Buena uniformidad de la película
Un diseño razonable de la distribución del campo magnético, la distribución del flujo de gas y la posición relativa del objetivo y el sustrato del equipo de pulverización catódica pueden controlar bien el espesor y la uniformidad de la composición de la película en un sustrato de área grande.
Alta pureza de película
Los materiales objetivo y los gases reactivos utilizados en la pulverización catódica reactiva suelen ser de alta pureza, lo que facilita la preparación de películas de compuestos de alta pureza. Garantiza el rendimiento y la fiabilidad del chip.
Alta tasa de deposición
En particular, el modo de pulverización catódica reactiva de frecuencia media presenta una alta tasa de deposición, lo que satisface los requisitos de eficiencia de la industria a gran escala. En la industria del recubrimiento de vidrio arquitectónico, es necesario recubrir una gran cantidad de sustratos de vidrio con películas funcionales en poco tiempo. La alta tasa de deposición de la pulverización catódica reactiva de frecuencia media permite la producción a gran escala.
Realizar una producción continua
El equipo de pulverización catódica reactiva está integrado con la línea de producción automatizada para lograr una producción continua. El sistema de control automatizado controla con precisión diversos parámetros durante la pulverización, garantiza la estabilidad de la calidad de la película, mejora la eficiencia de la producción y reduce los costos.
Desventajas de la pulverización catódica reactiva
Múltiples parámetros se afectan entre sí.
La pulverización catódica reactiva implica el flujo de gas inerte, la potencia de pulverización, la temperatura del sustrato, el grado de vacío, etc. Estos parámetros se influyen mutuamente. Para controlar con precisión el rendimiento de la película, es necesario ajustar y optimizar estos parámetros con precisión, lo que requiere un alto nivel técnico y experiencia por parte del operador.
Ventana de proceso estrecha
Para la preparación de ciertas películas compuestas específicas, las películas de alta calidad solo pueden prepararse dentro de un rango de parámetros específico. Más allá de este rango, pueden surgir problemas como desequilibrio de la relación estequiométrica de la película, aumento de defectos estructurales y degradación del rendimiento.
Envenenamiento del objetivo
Principio de envenenamiento del objetivo: En la pulverización catódica reactiva, especialmente la pulverización catódica reactiva de CC, el gas reactivo reacciona químicamente con los átomos de la superficie del material objetivo para formar una capa de compuesto aislante en la zona de no erosión de la superficie del objetivo. Este es el fenómeno de envenenamiento del objetivo.
Alto costo de equipo
Los equipos de pulverización catódica reactiva generalmente deben estar equipados con componentes complejos, como un sistema de vacío, una fuente de alimentación de pulverización (como CC, RF, fuente de alimentación de frecuencia media, etc.), un sistema de control de flujo de gas, un sistema de monitoreo, etc. El equipo es costoso.
Costos de mantenimiento y operación.
El mantenimiento del equipo es relativamente complicado y es necesario verificar y mantener periódicamente el sellado del sistema de vacío, limpiar el objetivo de pulverización catódica y la cámara de vacío, calibrar el sistema de control de flujo de gas, etc.
Pollution
Algunos gases de reacción son peligrosos, como el sulfuro de hidrógeno (H₂S), un gas altamente tóxico. El hexafluoruro de azufre (SF₆) es una sustancia tóxica que puede descomponerse a altas temperaturas. Se deben seguir estrictamente los procedimientos operativos de seguridad.
Aplicación de la pulverización catódica reactiva
Como importante tecnología de preparación de películas delgadas, la pulverización catódica reactiva posee principios únicos y diversos modos de trabajo. Permite preparar una amplia variedad de películas compuestas y presenta amplias posibilidades de aplicación y un gran valor práctico en diversos campos.
Electrónicos
En la fabricación de circuitos integrados, la pulverización catódica reactiva se utiliza ampliamente para preparar diversos materiales de película delgada, como capas de interconexión metálica, capas aislantes y capas de barrera. La pulverización catódica reactiva deposita películas metálicas de alta calidad, como cobre (Cu), aluminio (Al), etc., sobre obleas de silicio, que se utilizan para crear líneas de interconexión en circuitos integrados y realizar conexiones eléctricas entre diferentes dispositivos dentro del chip. Al mismo tiempo, las películas aislantes como el nitruro de silicio (Si₃N₄) y el dióxido de silicio (SiO₂), preparadas mediante pulverización catódica reactiva, se utilizan como capas aislantes en chips. Además, las películas de capa barrera como el nitruro de titanio (TiN) se utilizan para evitar la difusión de átomos metálicos y garantizar el rendimiento y la fiabilidad de los circuitos integrados.
Óptica
La pulverización catódica reactiva es un método importante para la preparación de diversas películas ópticas, como películas antirreflectantes, películas reflectantes, películas de filtro, etc. Por ejemplo, la pulverización catódica reactiva deposita una o más capas de películas delgadas, como dióxido de silicio y fluoruro de magnesio (MgF₂), sobre la superficie de lentes de vidrio, lo que reduce significativamente su reflectividad dentro de un rango de longitud de onda específico. En la fabricación de reflectores, la reflectividad de estos puede mejorarse depositando películas metálicas (como plata (Ag), aluminio (Al), etc.) o películas de óxido metálico (como dióxido de titanio (TiO₂), etc.) mediante pulverización catódica reactiva.
Optoelectrónico
En la fabricación de diodos emisores de luz (LED), se depositan películas semiconductoras compuestas, como el nitruro de galio (GaN), sobre sustratos como el zafiro mediante pulverización catódica reactiva, como capa emisora de luz de los LED. En la fabricación de diodos láser (LD), la pulverización catódica reactiva puede utilizarse para preparar películas semiconductoras de medio de ganancia, películas de espejos de cavidad óptica, etc. Además, en la fabricación de fotodetectores, películas como el sulfuro de plomo (PbS) y el seleniuro de cadmio (CdSe), preparadas mediante pulverización catódica reactiva, pueden utilizarse como capas de absorción de luz para detectar y convertir señales luminosas.
Modificación de la superficie del material
La pulverización catódica reactiva también se puede utilizar para modificar la superficie de los materiales y mejorar sus propiedades. Depositar una película cerámica, como óxido de aluminio (Al₂O₃) y óxido de circonio (ZrO₂), sobre la superficie de materiales metálicos mediante pulverización catódica reactiva puede mejorar la resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas de estos materiales. Depositar películas metálicas o de óxido metálico sobre la superficie de materiales plásticos puede conferirles nuevas propiedades, como la conductividad y el apantallamiento electromagnético. Además, depositar películas bioactivas, como la hidroxiapatita (HA), sobre la superficie de materiales biomédicos mediante pulverización catódica reactiva puede mejorar la biocompatibilidad de los materiales y promover la adhesión y el crecimiento celular.
Conclusión
En principio, la pulverización catódica reactiva combina inteligentemente la pulverización catódica y las reacciones químicas, controla con precisión el plasma, la pulverización catódica del objetivo y cada eslabón de las reacciones químicas, logrando un control preciso de la composición y la estructura de la película. En términos de aplicación, la pulverización catódica reactiva proporciona una tecnología clave para la preparación de películas delgadas en circuitos integrados, pantallas planas y la fabricación de sensores en el campo de la electrónica y los semiconductores, impulsando el rápido desarrollo de la industria electrónica moderna; en el campo de la óptica, se utiliza para preparar diversas películas ópticas y dispositivos optoelectrónicos, impulsando el progreso de la tecnología óptica; en el campo de la ingeniería mecánica y de superficies de materiales, mediante la preparación de recubrimientos duros y la modificación de la superficie de los materiales, se mejora el rendimiento de las piezas mecánicas y la vida útil de los materiales. Sin embargo, la tecnología de pulverización catódica reactiva no es perfecta. Su complejidad técnica dificulta el control de parámetros, y el problema del envenenamiento del objetivo sigue siendo uno de los factores importantes que limitan su desarrollo. El coste de los equipos y los requisitos de mantenimiento son elevados, y la seguridad y la protección ambiental de los gases reactivos son cruciales.
Referencias
- Musil, Jindrich, Jaroslav Vlcek y Pavel Baroch. “Descargas de magnetrón para el procesamiento de plasma en películas delgadas”. Procesamiento de Superficies de Materiales mediante Técnicas de Energía Dirigida 1 (2006): 67-110.
- Bishop, Charles. Deposición al vacío sobre bandas, películas y láminas. William Andrew, 2011.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Sputter_deposition
Licari, James J. Manual de tecnología de microcircuitos híbridos: materiales, procesos, diseño, pruebas y producción. Capítulo 3. Procesos de película delgada, Elsevier, 1998.