cinetica del proceso cvd

Vista previa del material en texto

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR
de Ciudad Hidalgo
CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE PELÍCULAS DELGADAS
MATERIA: SÍNTESIS DE NANOMATERIALES
INAN. ANA KAREN ALCANTARA TELLEZ
PRESENTA:
SOFÍA NAVA CORONEL
CARRERA:
INGENIERÍA EN NANOTECNOLOGÍA
GRUPO: NANO7
CIUDAD HIDALGO, MICHOACÁN A 13 DE NOVIEMBRE DEL 2017
ÍNDICE
Cinética del proceso de CVD	3
Nucleación del crecimiento de la película delgada por deposición	3
Crecimiento en la técnica de epitaxia por haces moleculares	4
Crecimiento de películas en la técnica PVD	4
Conclusión	7
Bibliografía	8
Cinética del proceso de CVD
En los procesos de CVD tienen lugar una secuencia de eventos que se pueden
resumir de la siguiente forma y que se muestran en la figura 2.2:
· Los reactivos gaseosos son introducidos dentro del reactor mediante un flujo forzado.
· los gases se difunden a través de la capa límite.
· los gases entran en contacto con la superficie del sustrato.
· las reacciones de deposición tienen lugar sobre la superficie del sustrato.
· los subproductos de la reacción se difunden desde la superficie, hacia el exterior a través de la capa límite.
Los pasos que podrían determinar la cinética de crecimiento en los procesos de CVD están generalmente determinados por la cinética de las reacciones superficiales o por el transporte de masa. Es decir, en el caso de que el proceso sea controlado por la cinética de las reacciones superficiales, la velocidad es dependiente de la cantidad de reactivos gaseosos disponibles. Un ejemplo del caso anterior podría ser en un sistema de CVD cuando la temperatura y la presión son bajas. Esto significaría que la reacción ocurriría lentamente como consecuencia de las bajas temperaturas y al exceso de reactivos sobre la superficie debido a las bajas presiones, por lo tanto, la capa límite sería muy delgada y los coeficientes de difusión grandes. Esto permitiría a los gases reactivos alcanzar la superficie de deposición con mucha facilidad (3).
Nucleación del crecimiento de la película delgada por deposición 
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 más 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.
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 (4).
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:
Crecimiento en la técnica de epitaxia por haces moleculares
Los procesos de crecimiento en MBE (Molecular Beam Epitaxy) pueden ser divididos en dos etapas. La primera etapa relaciona los procesos superficiales de la quimiabsorción molecular, migración superficial, y la subsecuente formación de enlaces entre átomos. La segunda consiste de la interacción termodinámica y el reordenamiento para formar el bulto del cristal, el cual ocurre en la región cercana a la superficie (a 3 o 4 capas atómicas). Alguna porción de las especies moleculares, provenientes de las fuentes, que alcanzan el substrato llegan a ser químicamente absorbidas a la superficie. Entonces estas pueden:
i) Migrar a sitios de la red energéticamente favorables y ligarse allí,
ii) Unirse a especies contaminantes superficiales para formar defectos,
iii) Formar aglomeraciones con especies similares,
iv) Migrar sobre la superficie y eventualmente desorberse.
Para crecer materiales de calidad aceptable, las condiciones de crecimiento deben ser ajustadas de tal forma que se favorezca el primer proceso. Para especies moleculares de compuestos III-V, el crecimiento epitaxial ocurre vía la nucleación de islas, donde los enlaces químicos se forman. Finalmente, la interacción termodinámica y la redistribución de la capa cristalina cercana a la superficie establecen la configuración final. (5)
Crecimiento de películas en la técnica PVD
A partir de la observación directa del proceso de Sputtering el cual forma parte de los métodos de la técnica de deposición física en fase vapor (PVD), se ha encontrado la existencia de diferentes etapas perfectamente definidas, dentro de las cuales se involucran distintos fenómenos físicos como los fenómenos de transporte y los fenómenos superficiales, entre los más importantes. En general, el proceso de depósito de una película delgada que se produce por un método físico tiene tres fases:
 En la primera fase, se aumenta la temperatura del sólido hasta la temperatura de fusión y desde luego la de evaporación, que depende de la presión total del medio. Este proceso se puede llevar a cabo por distintos métodos como la evaporación térmica al vacío, cañón de electrones y el Sputtering, que consiste en la eyección de átomos, moléculas o cúmulos debido a la interacción de partículas de alta energía que inciden sobre la superficie del material sólido.
En la segunda fase, una vez que se ha generado el vapor a partir del sólido, las partículas poseen cierta energía cinética con la que se desplazan a través del medio en el que se encuentren inmersas, por supuesto, si este medio tiene una baja concentración de moléculas, el camino libre medio de las partículas es mucho mayor a sus dimensiones lo que asegura que un número mayor de partículas alcance el sustrato (6).
Las especies en fase de vapor que alcanzan el sustrato, se adsorben y se difunden superficialmente para finalmente iniciar el proceso de recubrimiento, en este punto la formación de la película se resume en cinco etapas:
1. Transporte. Los átomos eyectados del sólido viajan para aproximarse al sustrato, donde caen para su posterior nucleación y crecimiento de la película delgada. La mayoría de las propiedades de las películas delgadas se define en esta etapa, debido a que existe una disipación de energía de los átomos provocada por la movilidad de éstos sobre el sustrato, a través del fenómeno de difusión superficial. Esta disipación de energía puede aumentar la migración de los átomos adsorbidos.
2. Nucleación. Consiste en la formación de pequeños núcleos de materia a partir de dobletes y tripletes que resultan de la movilidad de las partículas que se adsorben y se desplazan sobre la superficie del sustrato debido a su energía térmica y a su energía de amarre a la temperatura del sustrato. 
3. Coalescencia. En esta etapa, los pequeños núcleos se unen para formar cúmulos de mayores dimensiones y que se denominan pequeñas islas. Las islas son estructuras cuasi-estables, cada una contiene decenas o cientos de átomos cuya densidad típica es de 1010 átomos/cm2.La formación de nuevos núcleos y nuevas islas continúa con la incidencia de nuevas partículas. 
4. En una segunda etapa de coalescencia, las pequeñas islas se unen para formar grandes islas que sólo están separadas por pequeños canales que se van llenando con las partículas que continúan incidiendo. En algunas observaciones “in situ” se ha notado que dichas islas en la fase de coalescencia se comportan de manera semejante a los líquidos, presentando además una cierta reorientación cristalográfica, que depende principalmente de la temperatura del sustrato. Dicho fenómeno es más probable cuando la temperatura del sustrato es alta. 
5. En la última etapa, la superficie del sustrato se cubre por completo y las partículas incidentes aumentan el espesor de la película. Es importante destacar que la calidad de la película producida depende entre otras cosas de las condiciones de temperatura, limpieza y estructura del sustrato. Las etapas de formaciónde películas mencionadas líneas arriba no son específicas del método del Sputtering, es decir, es general para el crecimiento de películas delgadas (Figura 3.2).
Conclusión
Las capas delgadas o películas delgadas son un material nanoestructurado que sus dimensiones pueden variar según la aplicación que se les otorgará, principalmente su campo de aplicación es la electrónica debido a que estas capas poseen un espesor que va desde los nanometros hasta los micrómetros, pudiendo así conferirles un efecto cuántico, en el almacenamiento de energía, estas capas se utilizan como recubrimientos, en esta área la principal propiedad que se requiere es la conducción de energía.
Gracias a las diferentes técnicas que existen para obtener las películas delgadas, éstas pueden tener propiedades muy diversas, claro está que estas propiedades dependerán enteramente de cada proceso, de la cinética de las reacciones y ésta a su vez de los parámetros del proceso donde la temperatura, concentración de reactivos, presión, tiempo por mencionar algunos, son los que determinan las características del producto como su morfología y su espesor principalmente.
Las técnicas con las que se pueden obtener el crecimiento de películas delgadas, están basadas en la deposición ya sea física o química de vapor, en las que los procesos son similares con variantes según las necesidades de las películas, con la diferencia que de la técnica física se parte de la evaporación del sólido, mientras que de la técnica química los reactivos se encuentran en fase gaseosa o líquida misma que también se evapora con el fin de que los átomos de condensen en un sustrato.
Un aspecto importante de toda reacción química es su cinética, y en el caso de las películas delgadas ésta es muy influyente para la elección del método por el cual se obtendrán las películas pues de ello dependerán sus propiedades. La cinética de las reacciones que se llevan a cabo en los procesos de síntesis depende de los parámetros de cada proceso, y en la cinética química se pretende buscar la ruta de reacción eficiente y simple.
Bibliografía
1. Cinética Química. [En línea] [Citado el: 12 de Noviembre de 2017.] http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/CQ1_348.pdf.
2. Técnicas de preparación de películas delgadas. [En línea] http://www.icmm.csic.es/fis/espa/preparacion_introduccion.html.
3. Osorio, Francisco Javier Bolívar. Evaluación del comportamiento a elevadas temperaturas de recubrimientos de Al, Si y de Al modificado con Si y Hf depositados mediante CVD-FBR sobre aceros ferrítico-martensíticos (9-12 %Cr). 2007.
4. Técnicas de Depósito Químico. [En línea] [Citado el: 12 de Noviembre de 2017.] jserra.webs.uvigo.es/.../Tecnicas-2004.../Tecnicas%20de%20deposito-parte%202.ppt.
5. Elías, Miguel Ghebré Ramírez. Crecimiento y caracterización de películas delgadas de AIGaAs sobre substratos de GaAs (6 3 1). San Luis Potosí, San Luis Potosí, México : s.n., Noviembre de 2007.
6. Fases de Crecimiento de Películas Delgadas. [En línea] https://es.scribd.com/document/249714012/Fases-de-Crecimiento-de-Peliculas-Delgadas.