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“Obtención por bombardeo iónico (sputtering) y caracterización de películas delgadas SiO x y SnO x por Jesús Alarcón Salazar Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de MAESTRO EN CIENCIAS EN LA ESPECIALIDAD EN ELECTRÓNICA en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica Noviembre 2012 Tonantzintla, Puebla Supervisada por: Dr. Mariano Aceves Mijares INAOE M. C. Sergio Román López INAOE ©INAOE 2012 Derechos reservados El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes

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Page 1: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

“Obtención por bombardeo iónico (sputtering) y caracterización de películas delgadas SiOx y SnOx”

por

Jesús Alarcón Salazar

Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de

MAESTRO EN CIENCIAS EN LA ESPECIALIDAD EN ELECTRÓNICA

en el

Instituto Nacional de Astrofísica,

Óptica y Electrónica Noviembre 2012

Tonantzintla, Puebla

Supervisada por:

Dr. Mariano Aceves Mijares INAOE

M. C. Sergio Román López

INAOE

©INAOE 2012

Derechos reservados

El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes

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~ i ~

AGRADECIMIENTOS

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo

económico durante la maestría.

Al Dr. Mariano Aceves Mijares por permitirme trabajar bajo su dirección,

así como las enseñanzas académicas y de vida que me brindó.

A mis compañeros por su grata compañía y ayuda brindada,

especialmente al estudiante de doctorado Sergio Román López por sus

sugerencias y apoyo en la realización de mi trabajo de tesis.

A los técnicos del laboratorio Zacarías Rivera, Manuel Escobar y Pablo

Alarcón por su ayuda en los procesos de fabricación y caracterización.

Por último pero no menos importante a mi familia por su apoyo

incondicional, especialmente a Jesús Alarcón Landa, María Paula Salazar

Alarcón (†), Violeta Alarcón Salazar y Elizabeth Hernández Alonso;

gracias por su cariño, su comprensión, sus enseñanzas y la ayuda que

me brindaron en los momentos difíciles, permitiéndome llegar hasta aquí.

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~ ii ~

RESUMEN Actualmente el estudio de óxido de silicio fuera de estequiometría

(SiOx) y materiales compatibles con la tecnología de silicio, como es el

caso de estaño, han tenido gran interés por las propiedades ópticas,

eléctricas y luminiscentes que han mostrado, las cuales abren un

panorama para la integración de dispositivos ópticos y eléctricos

(optoelectrónicos) dentro de un mismo chip.

Sin embargo la creciente miniaturización de los dispositivos

demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las

cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las

técnicas que presenta esta ventaja, además de poder trabajar con silicio y

materiales compatibles con silicio, simultáneamente, es el depósito por

bombardeo iónico (del inglés sputtering).

Este trabajo presenta el estudio de las propiedades ópticas,

morfológicas, eléctricas y de emisión de capas de SiOx y SnOx, obtenidas

mediante bombardeo iónico reactivo (del inglés reactive sputtering), así

como la evolución de las características después de ser sometidas a

diferentes tratamientos térmicos. Como gas reactivo durante el depósito

se utilizó oxígeno, con diferentes razones de argón/oxígeno para la

formación del plasma. En el depósito de las películas de SiOx se utilizaron

2 blancos: silicio (Si) y monóxido de silicio (SiO), mientras para las

películas de SnOx se utilizó un blanco de Sn. La etapa de caracterización

óptica se llevó a cabo mediante Elipsometría nula, Espectroscopia

infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), Fotoluminiscencia (FL) y

Microscopio de Fuerza Atómica (AFM). Mientras la caracterización

eléctrica se realizó mediante curvas Corrientes-Voltaje (I-V) y curvas

Capacitancia – Voltaje (C-V). Los resultados de las diferentes técnicas de

caracterización se analizaron y se estableció una correlación entre ellos.

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~ iii ~

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS i

RESUMEN ii

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1

1.1 Objetivo 3

1.2 Contenido 4

CAPÍTULO 2. TÉCNICA DE DEPÓSITO 5

2.1 Modelo general 5

2.2 Mecanismo de depósito en un sistema sputtering 7

2.3 Tipos de sistemas Sputtering 10

2.3.1 DC sputtering 10

2.3.2 RF sputtering 11

2.3.3 Magnetron sputtering 12

2.3.4 Reactive sputtering 13

CAPÍTULO 3. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN ÓPTICA Y MORFOLÓGICA 15

3.1 Elipsometría 15

3.2 Espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) 17

3.3 Fotoluminiscencia (FL) 20

3.4 Microscopio de fuerza atómica (AFM) 21

CAPÍTULO 4. DESARROLLO EXPERIMENTAL 23

4.1 Proceso de depósito 23

4.1.1 Películas de SiOx 25

4.1.2 Películas de SnOx 25

4.2 Tratamientos térmicos 26

4.3 Caracterización 27

4.3.1 Óptica y Morfológica 27

4.3.2 Caracterización Eléctrica 28

CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS 31

5.1 Caracterización óptica y morfológica 31

5.1.1 Resultados Elipsometría 31

5.1.2 Resultados FTIR 38

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5.1.3 Resultados FL 47

5.1.4 Resultados AFM 52

5.2 Caracterización eléctrica 61

5.2.1 Caracterización I-V 62

5.2.2 Caracterización C-V 67

CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES 74

TRABAJO FUTURO 77

TRABAJO DERIVADOS DE LA TESIS 78

Lista de Figuras 79

Lista de Tablas 82

Referencias 83

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

El silicio es el principal material utilizado en fabricación de dispositivos

electrónicos, sin embargo existen inconvenientes para integrar

propiedades ópticas y electrónicas en un mismo chip, debido a que el

silicio es un semiconductor de banda prohibida indirecta, y por tanto un

pobre emisor de luz. Sin embargo, desde el descubrimiento de Canham

[1] en 1990, de una respuesta fotoluminiscente en silicio poroso; diversas

estudios e investigaciones se han realizado para obtener materiales

fotoluminiscentes compatibles con tecnología de silicio y así, poder

fabricar dispositivos opto-electrónicos dentro de un mismo chip.

Estudios de diferentes elementos inmersos en una matriz de óxido de

silicio han obtenido buenos resultados, como es el caso del óxido rico en

silicio (SRO), el cual es considerado un material multifase compuesto de

una mezcla de óxido de silicio estequiométrico (SiO2), óxido fuera de

estequiometría (SiOx) y silicio elemental. En el SRO después de

tratamientos térmicos a altas temperaturas (> 1000 ºC), el exceso de

silicio puede presentarse como defectos puntuales, aglomerados

formando islas o nanocristales (nc-Si). En películas de SRO depositadas

mediante PECVD (del inglés Plasma Enhanced Chemical Vapor

Deposition) se ha comprobado la existencia de nc-Si de 1-2 nm [10], al

igual que en películas de SRO depositado mediante LPCVD (del inglés

Low Presure Chemical Vapor Deposition) [11]. El exceso de silicio define

las propiedades del SiOx, como son: conductividad variable [12],

fotoluminiscencia (FL) [13], efecto de atrapamiento de carga [14], etc.

De manera similar al óxido de silicio fuera de estequiometria, una

matriz de SiO2 con implantación de partículas de estaño ha mostrado una

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respuesta luminiscente [2-3], además que otras investigaciones muestran

que la formación de nano-partículas de SnO2 también presentan una

respuesta luminiscente [15,16], la cual puede ser mejorada con

tratamientos térmicos en diferentes ambientes (O2, N2 y vacío) y

diferentes temperaturas [2, 19]. Sin embargo este material no solo tiene

características luminiscentes, otra característica es su conductividad, la

cual es reportada para el óxido de estaño evaporado en vacío entre 10-5 y

10-6 (Ω-cm)-1 [17, 47]. Tomando en cuenta las dos características previas

se puede pensar en un material compatible con tecnología de silicio que

permitiría la fabricación de un dispositivo electroluminiscente, al

superponer su respuesta luminiscente y su buena conductividad. También

tiene la propiedad de ser transparentes en el visible e infrarrojo cercano,

permitiendo su uso como electrodos en aplicaciones de celdas solares

[18].

Algunas de las técnicas utilizadas para la obtención de SiOx y

materiales que combinan Si-Sn son: depósito químico en fase vapor

asistido por plasma (PECVD), depósito químico en fase vapor a baja

presión (LPCVD), implantación iónica de Si o Sn en una matriz de óxido

de silicio crecido térmicamente, crecimiento epitaxial por haz molecular

(MBE), bombardeo iónico (sputtering), entre otros [4-9]. De las técnicas

antes mencionadas, el depósito mediante sputtering ha demostrado ser

una técnica versátil que permite fabricar SiOx con diferente exceso de

silicio al controlar el flujo de gases, así como utilizar materiales

compatibles con silicio durante el crecimiento de películas, como es el

caso del estaño (Sn). De esta manera se pueden obtener películas de

óxido de silicio fuera de estequiometría o algún otro material compatible.

También es posible obtener diferentes capas de materiales usando

diferentes blancos o al bombardear en presencia de un gas reactivo

(oxígeno o hidrógeno) e inclusive realizar multicapas con bajas razones

de depósito [42, 53 - 55], y todo realizado in-situ dentro de una cámara de

vacío, lo que disminuye el nivel de contaminación en las películas.

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Es por esto, que en este trabajo se presentan los resultados obtenidos

del estudio para la fabricación y caracterización (óptica, morfológica y

eléctrica) de películas de SiOx y SnOx (1<x<2) mediante la técnica

bombardeo iónico reactivo (reactive sputtering), para en el futuro, fabricar

multicapas nano-métricas que mejoren las características de las capas

independientes. Por ejemplo arreglos que mejoren la emisión de luz.

1.1 Objetivo

El objetivo principal de este trabajo es obtener las películas y estudiar

las características morfológicas, eléctricas y ópticas, incluyendo emisión,

de capas nano-métricas de SiOx y SnOx obtenidas por bombardeo iónico

reactivo.

Metas:

- Determinar las condiciones de depósito óptimas para obtener

películas de SiOx y SnOx con un espesor aproximado de 20 nm.

- En el caso de las películas de SiOx, diferenciar las características

obtenidas utilizando un blanco de silicio (Si) y las obtenidas con un

blanco de monóxido de silicio (SiO).

- Determinar bajo cuales condiciones existe reproducibilidad en el

proceso.

- Conocer los cambios en sus características debido a tratamientos

térmicos, con diferentes temperaturas y ambientes, para cada tipo

de película.

- Caracterizar sistemáticamente las propiedades de cada película.

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1.2 Contenido

El trabajo de tesis se encuentra dividido en 6 capítulos. El primero de

ellos corresponde a la introducción, objetivos y contenido. En el capítulo 2

se presenta una descripción de la técnica de depósito por bombardeo

iónico, sus características principales, la física del modelo de bombardeo

de iones y la descripción de algunos sistemas sputtering.

En el capítulo 3 se describe las técnicas de caracterización óptica y

morfológica: elipsometría, espectroscopia infrarroja de transformada de

Fourier (FTIR), espectroscopia fotoluminiscente (FL), microscopio de

fuerza atómica (AFM).

En el capítulo 4 se describe el método experimental para la obtención

de las películas y tratamientos térmicos aplicados. También se describen

los equipos utilizados para la caracterización óptica y eléctrica.

En el capítulo 5 se muestran, describen y analizan los resultados de

caracterización óptica y eléctrica obtenidos para películas de SiOx y SnOx.

Además se diferencia entre películas obtenidas con blanco de Si y blanco

de SiO, en el caso de las películas SiOx.

En el capítulo 6 se presentan las conclusiones obtenidas del proceso

de experimentación y caracterización.

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CAPÍTULO 2. TÉCNICA DE DEPÓSITO

Sputtering es un término utilizado para describir el mecanismo

mediante el cual los átomos de un material (llamado blanco) son

desprendidos cuando una partícula con suficiente energía golpea su

superficie [20]. La técnica de depósito por bombardeo iónico es utilizada

principalmente para el depósito de películas metálicas o dieléctricas

delgadas (> 1 µm), las cuales se quiere no tengan cambio químico

durante el depósito y éste se realice con bajas razones de crecimiento

[21].

2.1 Modelo General

Los elementos básicos de un sistema sputtering son el blanco,

porta-muestra, entrada de gases, válvula de extracción y una fuente de

polarización entre blanco y substrato. Los elementos anteriores se

encuentran dentro de una cámara de vacío (ver fig. 2.1). El vacío se

obtiene mediante una bomba y finalmente la instrumentación necesaria

para el control del flujo de gases, temperatura del substrato y presión de

vacío.

Bajo condiciones de vacío un gas inerte es introducido en la

cámara y es ionizado con carga positiva. Al polarizar el blanco

negativamente (cátodo) y el porta-muestras positivamente (ánodo) se

forma un campo eléctrico que dirige los iones hacia el blanco, mientras

viaja hacia el blanco los iones pueden colisionar con electrones

generando electrones secundarios, debido al mecanismo de emisión

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Auger, que adquieren suficiente energía para ionizar nuevos átomos. Este

proceso genera y mantiene el plasma dentro de la cámara de vacío.

Figura 2.1. Esquema básico de un sistema sputtering.

Cuando el ion acelerado por el campo eléctrico llega a la superficie

del blanco, lo impacta y desprende material que será depositado sobre el

substrato. El material desprendido puede ser colisionado nuevamente por

un Ión antes de ser depositado, pero el vacío de la cámara permite que

mínimas colisiones sucedan con él e incrementa la cantidad de colisiones

entre átomos de argón y electrones. El gas noble mayormente utilizado es

argón (Ar), debido a su bajo costo y pureza

El proceso antes descrito refiere a un sistema sputtering dc, siendo

el más simple. Sin embargo existen otras configuraciones que serán

comentadas posteriormente.

Para conocer la eficiencia de un sistema sputtering se mide el

parámetro llamado rendimiento de bombardeo iónico (γ), del inglés

sputtering yield, que proporciona la cantidad de átomos desprendidos de

la superficie por cada ion que es impactado. El valor del rendimiento

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depende de varios factores, como son: la dirección de incidencia del ion

sobre el blanco, el material del blanco, la masa del ion y la energía del

ion. Es entonces que mayores rendimientos se obtienen al tener iones

con mayor masa y mayor energía. Como se mencionó anteriormente el

gas noble mayormente utilizado es argón, para el cual la literatura reporta

diferentes rendimientos (ver fig. 2.2) en silicio y estaño, dependiendo de la

energía del ion [23]. Mejores rendimientos se obtienen para estaño en

comparación con silicio.

100 200 300 400 500 600

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Re

nd

. s

pu

tte

rin

g (

Ato

mo

s/i

on

)

Energia del Ion (eV)

Si

Sn

Figura 2.2. Gráfica de rendimiento de un sistema sputtering dependiendo de la

energía del ion, utilizando Ar+, para silicio y estaño [22].

Algunas ventajas de esta técnica: son bajas razones de depósito,

composición de la película en función de la composición del material del

blanco y/o flujo de gases, baja temperatura de depósito y una ambiente

en vacío que limita la intrusión de contaminantes.

2.2 Mecanismo de Depósito en un sistema Sputtering

La relación entre el ion impactado sobre la superficie del blanco

con los átomos desprendidos del material puede ser tratado como una

serie de colisiones binarias, aunque en la realidad es más complejo. Una

analogía que permite visualizar el bombardeo y desprendimiento de

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átomos del blanco es un juego de billar, donde la bola blanca representa

el ion incidente y las bolas numeradas representan los átomos del

material. Cuando la bola blanca golpea a las bolas numeradas (átomos

del material) salen proyectadas en todas direcciones, incluso en dirección

del jugador -fuera de la superficie del blanco- (ver fig. 2.3). Las colisiones

al blanco pueden ser debidas a partículas cargadas (iones) o neutras

(átomos impulsados por colisionar con un ion), lo cual produce un

fenómeno llamado colisión en cascada [22].

Figura 2.3. Modelo de la analogía entre un sputtering y un juego de billar.

Las colisiones binarias suceden cuando un ion golpea

perpendicularmente la superficie del blanco proyectando un átomo B. El

átomo B deja su posición de impacto con ángulo superior a los 45º

respecto de la normal y colisiona con un tercer átomo C que también

saldrá de su punto de impacto con un ángulo superior a los 45º respecto

del ángulo de impacto. Si el átomo C tiene una componente de velocidad

superior a los 90º respecto de la horizontal, es posible que sea proyectado

fuera del blanco, teniendo que suceder dos colisiones para que un átomo

sea desprendido (ver fig. 2.4 (a)).

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a)

b)

Figura 2.4. a) Esquema de una colisión binaria que da lugar al desprendimiento de

un átomo de la superficie del blanco y b) procesos resultantes de la colisión de un

ion con el blanco.

Resultado de estas colisiones, el total de procesos que pueden

suceder son:

Expulsión de un átomo del blanco

El ion incidente puede ser implantado o reflejado. En el caso de ser

reflejado puede suceder como un átomo neutro o con una gran

pérdida de energía.

La colisión del ion incidente, así como las colisiones en cascada,

pueden causar daño estructural en la superficie del blanco.

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Un electrón secundario puede ser expulsado a causa de una

emisión Auger.

Los sucesos anteriores son resumidos en la figura 2.4 (b), donde se

muestran las posibles causas de la colisión de un ion con el blanco.

2.3 Tipos de sistemas Sputtering [22, 24]

Existen diferentes configuraciones en un sistema sputtering, y el

básico es aquel que utiliza una fuente de voltaje de corriente directa. Sin

embargo para depositar materiales dieléctricos se diseñó una nueva

configuración, la cual utilizaba una fuente de radio frecuencia. Con esta

nueva fuente existen condiciones de depósito más estables al aprovechar

electrones e iones para bombardear el blanco. Una tercera configuración

es aquella que utiliza un dispositivo que transforma energía eléctrica a

energía electromagnética, de tal manera que puede concentrar los

electrones secundarios dentro de un espacio cercano al blanco, para

aumentar la probabilidad de colisiones con un átomo y formación de un

ion.

Otra alternativa para utilizar un sistema sputtering, es aquel que

independientemente de la fuente (DC o RF) cuenta con válvulas para la

entrada de algún gas reactivo, de tal manera que el plasma se genera a

partir de una razón de argón con otro gas. Ahora existirá una reacción

química entre gas y material del blanco.

2.3.1 DC Sputtering

La principal característica de esta técnica es que cuenta con una

fuente de corriente directa (DC) entre blanco y substrato (cátodo y ánodo).

Su principal uso es para bombardear blancos metálicos, ya que en el caso

de tener un material aislante o dieléctrico, esta configuración presenta

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grandes limitaciones. La limitación para bombardear materiales

dieléctricos se debe a un fenómeno, el cual tiene lugar cuando un átomo

ionizado golpea el blanco y retira un electrón de la superficie del material.

Entonces la superficie del blanco queda cargada positivamente debido a

la pérdida de un electrón; si el blanco es un metal podrá suministrar el

electrón faltante manteniendo la carga; mientras que si se tiene un

material dieléctrico, se acumulará carga positiva durante el depósito,

formando una diferencia de potencial en el blanco que a su vez impacta la

diferencia de potencial entre ánodo y cátodo, hasta el punto de perder el

plasma.

2.3.2 RF Sputtering

Se utiliza una fuente de voltaje AC para generar el campo eléctrico

que desplace los electrones y átomos ionizados. Utilizando esta

configuración es posible bombardear materiales dieléctricos.

Consideremos una señal cuadrada con un periodo T, un ciclo de trabajo al

50 % y una amplitud de voltaje V0. Del tiempo 0 a T/2 el voltaje aplicado

entre blanco y substrato tendrá valores negativos, entonces átomos

ionizados colisionarán con la superficie del blanco, retirando átomos y

despojando de electrones a la misma, resultando en una acumulación de

carga positiva. Al término del medio ciclo se presenta un cambio de

polarización positiva del tiempo T/2 a T, entonces ahora los electrones

serán impulsados hacia la superficie del blanco y al golpearla suministra

carga negativa, al término del ciclo se equilibran las cargas. Lo anterior

mantendrá el plasma. Este tipo de equipos, generalmente trabajan a una

frecuencia de 13.56 MHz, cuya frecuencia no interfiere con otras señales

radio transmitidas [24].

En la fig. 2.5 se muestran los elementos que contiene un sistema

sputtering RF. Cuenta con un generador de radiofrecuencia, un capacitor

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para protección en caso de una gran diferencia de potencial entre los

electrodos.

Figura 2.5. Elementos que componen a un sistema sputtering RF.

También cuenta con un control que permite regular el acoplamiento

de la señal de radiofrecuencia y así disminuir la potencia reflejada.

Además cuenta con la instrumentación para el control y visualización de la

potencia, presión de la cámara, flujo de gases, etc.

2.3.3 Magnetron Sputtering

Básicamente consiste de un sistema con fuente DC o RF, y un

elemento que generar un campo magnético. A diferencia de las dos

configuraciones anteriores, el campo magnético concentra los electrones

secundarios cerca del blanco, lo cual incrementa la probabilidad de que

un átomo de Ar sea ionizado y colectado por el ánodo, incrementando la

razón de depósito, por el mayor número de colisiones con el blanco.

El fenómeno se lleva a cabo cuando un ion golpea la superficie

debido a un campo eléctrico formado entre los electrodos (E0) y genera un

electrón (electrón secundario), el cual es arrojado fuera del blanco. Se

genera entonces un incremento de carga positiva en la superficie del

blanco, el cual forma un campo eléctrico (E1). Es entonces que E0 se ve

apantallado por E1. Considerando un caso en el cual E0 decrece

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linealmente a lo largo de la cámara de vacío (L) y existe un campo

magnético (B) paralelo a la superficie del blanco. Entonces los electrones

serán sometidos: 1) a la interacción de una fuerza electromagnética:

BvqF

(1)

Donde q es la carga del electrón y v es la velocidad a la que se está

desplazando; y 2) al efecto del campo eléctrico sobre la partícula

dependiendo de la posición dentro de la cámara:

L

yEE 10

(2)

Dicha interacción produce un comportamiento observado en la figura 2.6.

Figura 2.6. Movimiento de un electrón expulsado de la superficie del blanco, sujeto

a un campo magnético paralelo a la superficie y a un campo eléctrico que decrece

linealmente.

2.3.4 Reactive sputtering

Esta técnica de sputtering combina las especies bombardeadas

con un gas reactivo (del inglés Reactive, obteniendo de esto su nombre),

para la formación de la película delgada. Dado que existe una conversión

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química del material del blanco, es un proceso complejo, al punto que

puede existir reacción en la superficie del blanco, el plasma o en la

superficie del substrato. Resultado de esto se obtienen menores

rendimientos en el sistema, en comparación con casos en los cuales no

se utiliza un gas reactivo. Los gases usados más frecuentemente son

oxígeno y nitrógeno. Puede utilizar indistintamente la fuente de voltaje,

sea DC o RF.

La principal ventaja de esta configuración es la flexibilidad que

presenta para depositar películas con diferente porcentaje de contenido,

generalmente llamadas películas fuera de estequiometría. Un ejemplo de

lo anterior se presenta en [25], donde al variar el flujo de oxígeno entre

0.1 y 0.8 sccm obtienen películas de SiOx, cuyos valores del subíndice

están entre 0.1 y 1.97.

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CAPÍTULO 3. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

ÓPTICA Y MORFOLÓGICA.

Para conocer las características de un material depositado existen

diferentes técnicas ópticas y morfológicas. El conocimiento de las

propiedades del material hace posible utilizarlo en aplicaciones

específicas. Dentro de las técnicas de caracterización óptica y

morfológicas utilizadas en películas nano-métricas podemos mencionar:

elipsometría, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier

(FTIR), fotoluminiscencia (FL) y microscopio de fuerza atómica (AFM).

Para caracterización eléctrica se pueden usar: curvas capacitancia –

voltaje (C – V) y curvas corriente – voltaje (I –V).

3.1 Elipsometría

Es una técnica óptica de no contacto y no invasiva que permite

caracterizar la reflexión o trasmisión de la luz de la superficie de una

muestra. La clave de la técnica es que se mide la polarización de la luz

antes y después de ser reflejada del material [52].

Si consideramos una superficie plana sobre la cual incide luz

polarizada linealmente, compuesta por una componente paralela ρ y una

componente perpendicular s a la superficie; la luz será reflejada con

polarización lineal en caso de que el material no tenga absorción. Sin

embargo, en caso de presentar absorción, el haz reflejado tendrá cambio

en amplitud y fase. Para ángulos de incidencia entre 0º y 90º la

componente paralela de la reflexión es siempre más pequeña que la

componente vertical, resultando en luz polarizada elípticamente. Es

entonces que en elipsometría el parámetro de medición es el cambio de

polarización lineal a polarización elíptica o viceversa.

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Al propagarse la luz presenta fluctuaciones en el campo eléctrico y

magnético. Conociendo las componentes del campo eléctrico se

determinar los coeficientes de reflexión como [36]:

Is

Rs

s

Ip

Rp

pE

ER

E

ER

,

,

,

,; (3)

Donde: el subíndice R es utilizado para la luz reflejada e I para la luz

incidente. Ep es la componente paralela y Es la componente vertical del

campo eléctrico. Con base en los coeficientes de la ecuación (3) se define

la razón de reflexión compleja

j

s

pe

R

Rtan (4)

Siendo j = (-1)1/2. La razón de reflexión compleja también se puede definir

en función de ángulos elipsométricos Ψ y Δ, comúnmente usados de 0º a

90º y 0º a 360º, respectivamente. Al conocer estos ángulos y las

ecuaciones de Fresnel, encontraremos una relación entre aire (n0) –

película (n1) – substrato (n2 – k2), donde n es el índice de refracción y k el

coeficiente de absorción. Está relación será dependiente en el índice de

refracción, espesor, ángulo de incidencia y longitud de la onda del haz. Si

se conoce el ángulo de incidencia, la longitud onda del haz y las

propiedades del aire y el substrato, es posible determinar espesor e índice

de la película mediante métodos numéricos.

La configuración más común se aprecia en la fig. 3.1 y se conoce

como elipsometría nula o PCSA, del inglés Polarizer-Compensator-

Sample-Analyzer [26].

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~ 17 ~

Figura 3.1. Esquema de un elipsómetro [26].

Un haz colimado no polarizado de una luz monocromática, por

ejemplo un láser, incide en un polarizador, donde su reflexión interna total

sólo permite la salida de un haz polarizado linealmente, el cual al incidir

en el compensador lo retarda cambiando a una polarización elíptica.

Entonces, se eligen los valores de los ángulos P y C de tal manera que la

parte reflejada del haz incidente sobre la muestra se encuentre polarizado

linealmente. Al atravesar el analizador el haz es extinguido para un

ángulo. Con los valores de los ángulos P, C y A, se obtienen 32

combinaciones que pueden resultar en un par Ψ y Δ, y con estos valores

es posible conocer espesor e índice de refracción.

3.2 Espectroscopia de infrarrojo por transformada de

Fourier.

La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, del inglés

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), consiste en la detección

de radiación absorbida, generalmente en el infrarrojo medio (400 a 4000

cm-1), para determinar los niveles de energía después de atravesar una

muestra y relacionarlos con los modos de vibración de las moléculas. El

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~ 18 ~

principio de funcionamiento se basa en la absorción de radiación

infrarroja, provocando que átomos o moléculas del material sufran

cambios en su resonancia natural, presentándose 2 fenómenos: rotación

y/o vibración.

Para analizar el cambio de estado de las moléculas son

consideradas como osciladores armónicos simples, con una frecuencia de

resonancia propia. Al hace incidir radiación en un intervalo de frecuencias,

algunas de ellas excitarán modos de vibración en las moléculas. Aquellos

fotones que tengan la frecuencia igual a la frecuencia de resonancia

sufrirán una condición de interferencia constructiva (serán absorbidos) y el

espectro de radiación cambiará respecto a su composición inicial. Dado

que cada oscilador tiene un único nivel de energía respecto de su

frecuencia de resonancia, durante la medición se determina la variación

de la energía. Finalmente contrastando con una base de datos es posible

relacionar la energía con algún tipo de átomo o molécula.

Los modos de vibración para las moléculas lineales esta dado por

la regla 3n-5 y para moléculas no lineales 3n-6. Donde n es el número de

átomos de cada molécula y cada átomo cuenta con 3 grados de libertad

en los ejes X, Y y Z; es entonces que se obtiene 3n [27]. Un ejemplo de

una molécula no lineal es el agua (H2O), la cual cuenta con 3 átomos (2

de hidrógeno y 1 de oxígeno), entonces tendremos 3(3)-6 = 3 grados de

libertad, que incluyen el modo estiramiento en fase y fuera de fase (del

inglés in-phase and out-of-phase strecthing) y doblamiento (del inglés

bending). Moléculas como H2, N2 y O2 son consideradas lineales y tienen

3(2)-5 = 1 grado de libertad.

El componente actualmente utilizado es un interferómetro de

Michelson (ver fig. 3.2).

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~ 19 ~

Figura 3.2. Esquema simplificado de un espectrómetro por transformada de

Fourier [24].

El funcionamiento se basa en la emisión de luz infrarroja que es

colimada y dirigida hacia un separador de haces que al atravesarlo, el haz

se divide en dos haces con intensidades similares, de tal manera que

50% es reflejado a un espejo móvil (M1) y el restante 50% es transmitido

a un espejo fijo (M2). Después de que los haces inciden en el espejo son

reflejados de nueva cuenta hacia el divisor de haces. Al llegar a este

punto se produce una superposición de los haces, que dependiendo de la

distancia relativa de los espejos (L1 y L2) se crea interferencia

constructiva o destructiva. El haz resultante se dirige hacia el detector,

donde a partir de los datos obtenidos y la posición del espejo móvil se

obtiene un interferograma. Para obtener un espectro más preciso, en

ocasiones es necesario eliminar componentes de H2O y CO2, asociados

al ambiente de medición. Además es necesario realizar dos mediciones,

donde una de las cuales no contenga el material de interés, para después

compararlo y eliminar la referencia y tener solamente el espectro del

material de interés.

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~ 20 ~

3.3 Fotoluminiscencia

Es un método para medir la cantidad de energía emitida que se

generan a partir de una recombinación radiativa electrón-hueco. Para esto

se excita la muestra con una energía hv > Eg, donde el último término es el

ancho de la banda prohibida en un semiconductor. Al momento de

absorber dicha energía se generan fotones mediante algunos

mecanismos; sin embargo no todos los fotones son emitidos en forma de

luz, algunos de ellos son absorbidos por el material. En la figura 3.3 se

muestran los 5 procesos radiativos más comunes observados en FL [26].

Figura 3.3. Esquema de las principales transiciones observadas en

Fotoluminiscencia.

En temperatura ambiente domina la transición desde la banda de

conducción a banda de valencia (a). Un excitón es otra de las transiciones

posibles, donde un fotón con energía ligeramente menor a Eg genera un

par electrón-hueco el cual permanece ligado debido a la atracción

coulómbica sin que lleguen a recombinar (b), si el material es

suficientemente puro es posible que los excitones se recombinen

generando fotones. El tercer y cuarto casos corresponden a la

recombinación de un hueco con una impureza donadora (c) o una

impureza aceptora con un electrón (d). Dichos huecos y electrones libres

pueden llegar a recombinarse generando un fotón. Estos mecanismos

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~ 21 ~

dominan sobre la recombinación de un excitón en materiales no tan

puros. Finalmente el último caso corresponde a la recombinación aceptor-

donador (e).

Figura 3.4. Esquema de un sistema para caracterización fotoluminiscente [26]

Un esquema de la instrumentación necesaria para medir FL se

aprecia en la fig. 3.4, donde la luz, emitida por una fuente, se conduce a

través de un tubo que deja pasar la longitud de onda de excitación

deseada, haciéndola incidir sobre la muestra. Con un arreglo óptico

apropiado, la radiación emitida de la muestra se dirige hacia un

monocromador para poder medirla por un fotodetector. Finalmente, se

obtienen gráficas de intensidad de emisión contra longitud de onda.

3.4 Microscopio de Fuerza Atómica (AFM)

Esta técnica permite obtener una imagen en 2D y 3D de la

superficie de un material, a escalas nano-métricas. El microscopio cuenta

con un trampolín (del inglés cantiléver). En el extremo suspendido de éste

se tiene una punta fina que interactúa con la superficie debido a las

fuerzas de Van der Waals.

En la fig. 3.5 se aprecia un esquema ilustrativo del funcionamiento

de un AFM. El cantiléver es controlado mediante un oscilador

Lámpara

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piezoeléctrico, mientras un diodo láser hace incidir un haz sobre el

extremo suspendido. Al cambiar de posición la punta, debido a la

interacción con la superficie, el haz se refleja e incide sobre un

fotodetector, el cual permite medir la deflexión del cantiléver durante el

tiempo de escaneo. Es entonces que los valores de deflexión permiten

generar un mapa de la topografía de la superficie.

Figura 3.5. Esquema básico de los principales elemento de un AFM.

El sistema AFM posee diferentes modos de operación. El Modo

contacto, el cual obtiene la topografía de la superficie cuando la punta se

encuentra tocando la superficie durante el escaneo, estando sujeta a

fuerzas repulsivas de Van der Waals. Otro modo de operación es el modo

de no contacto, donde el escaneo se obtiene a través de medir la

deflexión del cantiléver debido a la interacción de fuerzas atractivas de

Van der Waals con la punta, sin que esta última toque la superficie.

Un tercer modo es aquel que se encuentra en modo no contacto

con una frecuencia de resonancia superpuesta en el cantiléver. En este

caso la topología se obtiene a partir de la disminución en amplitud de la

señal de frecuencia debido a la interacción de la punta con la superficie.

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~ 23 ~

CAPÍTULO 4. DESARROLLO EXPERIMENTAL

En este capítulo se describe la metodología que se siguió para el

depósito y caracterización de las películas SiOx y SnOx. Estudios

recientes han demostrado que el depósito de películas mediante

bombardeo iónico permite tener baja razón de depósito [28], obteniendo

espesores nano-métricos con baja rugosidad, considerados casi lisos [29].

4.1. Proceso de depósito

El equipo utilizado es un sistema comercial Alcatel 450, el cual

permite colocar 3 blancos diferentes (3 cátodos) con su respectiva cortina.

Además tiene 4 porta muestras; donde uno de ellos permite calentar el

substrato (posición 1). La cámara de vacío es de forma cilíndrica, con un

diámetro de 45 cm por una altura aproximada de 30 cm. El equipo cuenta

con 3 entradas de gases, siendo utilizadas para Argón (Ar), Nitrógeno (N2)

y un gas reactivo. En nuestro caso el gas reactivo fue oxígeno (O2). La

potencia es suministrada por una fuente de Radio Frecuencia (RF). El

vacío se logra con una bomba turbomolecular que trabaja a revoluciones

superiores a los 2700 RPM y finalmente tiene un sistema cerrado de agua

de refrigeración para el control de temperatura en los blancos.

El proceso general para uso del sistema consiste de los siguientes

pasos:

1. Comprobar que se encuentren abiertas las válvulas del sistema de

refrigeración y el sistema funcione.

2. Observar que las válvulas de gases estén cerradas y los controles

apagados.

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3. Se colocan las muestras dentro de la cámara de vacío y se cierra.

Los blancos no utilizados son tapados por la cortina para evitar

contaminación. El blanco a utilizar se deja expuesto.

4. Se inicia la bomba de vacío y se encienden los indicadores de

presión. El primero alcanza vacíos menores a 10-3 mbar, y el

segundo valores superiores.

5. Se espera hasta alcanzar un vacío en la cámara de 2x10-6 mbar.

6. Se coloca el substrato por debajo del blanco deseado y se coloca

la fuente de potencia en la posición del blanco a utilizar.

7. Alcanzado el vacío se abre la válvula del Ar y se fija una razón de

flujo de 5 sccm. También se abre la válvula de extracción de gases

de la cámara.

8. Con la razón de flujo de Ar estabilizada, se abre la válvula de

oxígeno y se fija el flujo deseado.

9. Cuando se estabilizan los gases, se proporciona una potencia de

10 a 15 W y se comienza a cerrar la válvula de extracción para

incrementar el número de partículas dentro de la cámara y se

pueda generar la descarga que forme el plasma.

10. Inmediatamente después de generar el plasma, se cierra la cortina

del blanco para evitar depósito sobre el substrato y se regula la

potencia transmitida, evitando potencia reflejada.

11. Se espera 5 minutos para que el blanco sea limpiado por el

bombardeo iónico (pre-sputtering).

12. Pasado el tiempo de pre-sputtering se abre la cortina y comienza el

depósito.

13. Para terminar el proceso de depósito sobre la muestra, se cierra la

cortina.

14. A continuación se disminuye la potencia a cero, provocando la

pérdida del plasma.

15. Sin plasma, se cierra las válvulas de oxígeno y argón. Se espera

que se estabilice la presión dentro de la cámara, hasta alcanzar la

presión de 2x10-6 mbar.

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16. Una vez alcanzada la presión, se repite el proceso desde el punto

6.

4.1.1 Películas de SiOx

Los substratos utilizados en el depósito de las películas SiOx fueron de

silicio (100) tipo n con resistividad > 2000 Ω-cm, con una dimensión de 3.5

cm x 3.5 cm. Los blancos utilizados fueron: silicio (Si) y monóxido de

silicio (SiO).

Con ambos blancos (Si y SiO), la potencia de depósito fue de 50 W y

se agregó O2. La razón de flujo de oxígeno de 0 a 2 sccm. En la tabla 4.1

se resumen las condiciones de depósito.

Tabla 4.1. Condiciones de depósito de películas SiOx

Blanco Flujo de Ar

[sccm] Potencia

[W] Tiempo

Depósito [min] Vacío durante

Depósito [mbar] Flujo de O2 [sccm]

Si

5 50 5 8

0

Si 1

Si 1.5

Si 2

SiO 0

SiO 1

SiO 1.5

SiO 2

4.1.2 Películas de SnOx

En las películas de SnOx se utilizó substratos de silicio (100) tipo p con

resistividad 10 a 20 Ω-cm. El blanco utilizado fue estaño (Sn). Se varió la

potencia y la razón de flujo de oxígeno, con la finalidad de encontrar las

condiciones óptimas para obtener espesores cercanos a 20 nm. La

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~ 26 ~

elección del tipo de substrato es para realizar mediciones eléctricas. Las

condiciones de depósito se resumen en la tabla 4.2.

Tabla 4.2. Condiciones de depósito de películas SnOx

Blanco Flujo de Ar

[sccm] Potencia

[W] Tiempo

Depósito [min] Vacío durante

Depósito [mbar] Flujo de O2 [sccm]

Sn 5

20

5 8

1.5

20 1.5

20 4

20 4

30 4

30 4

40 4

40 4

100 1.5

4.2 Tratamientos térmicos

Se realizaron 3 tratamiento térmicos para las películas de SiOx y 2

tratamientos térmicos para las películas de SnOx. Las muestras antes de

ser recocidas fueron sometidas a la primera etapa de una limpieza

estándar MOS, conocida también como desengrasado. La limpieza

consiste de 10 minutos en tricloroetileno (TCE) sobre vibrador, seguido de

10 minutos en acetona sobre el vibrador, finalmente 3 enjuagues en agua

des-ionizada y secado en centrifuga.

En el caso de las muestras de SiOx, las temperaturas de aleación

elegidas fueron: 600 ºC, 900 ºC y 1100 ºC; con un tiempo de recocido de

30 minutos cada uno de ellos, en ambiente de nitrógeno con un flujo de 2

litros/min. Los tratamientos se realizaron en un horno de tubo de cuarzo

calentados por resistencias.

Por otro lado, las películas de SnOx se sometieron a un tratamiento

térmico a 600 ºC en ambiente de nitrógeno durante 30 min y un segundo

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tratamiento a 700 ºC en vacío. Estudios previos mostraron que en

estructuras basadas en SiO2-Sn, la respuesta luminiscente mejora para

aleaciones a 600 ºC en ambiente de N2 y a 700 ºC en vacío. En ambos

casos, al superar esa temperatura la intensidad disminuye [30].

4.3 Caracterización

4.3.1 Óptica y Morfológica

ELIPSOMETRÍA. En caracterización por elipsometría se utilizó un

elipsómetro nulo Gaertner L117 con un laser de He-Ne con longitud de

onda de 638.2 nm, el cual permite determinar espesor (th) e índice de

refracción (η). Es necesario encender el equipo 30 minutos antes de

realizar alguna medición para que alcanzar estabilidad térmica.

FTIR. Un sistema Brucker modelo Vector 22 se utilizó en la

caracterización de espectroscopia infrarroja. En este caso el proceso

antes de medir es más largo. Primero se prende el equipo y espera 2

horas. Cumplidas las 2 horas, se abre la válvula del flujo de N2 y se fija a

60 sccm. Se debe esperar 1 hora más antes de realizar la primera

medición. Lo anterior es con la finalidad de crear un ambiente inerte que

no interactúe con la señal del infrarrojo. Como último, después de cada

medición se debe esperar 5 minutos para realizar una nueva. El barrido

del espectro será de 4000 a 400 cm-1.

FL. El espectro de fotoluminiscencia se obtuvo usando un

espectrómetro Horiba Jovin Yvon, modelo FluroMax3, con una lámpara de

xenón como fuente y un tubo foto-multiplicador como detector. Las

condiciones en pruebas de emisión fueron: longitud de excitación de 270

nm y un barrido de emisión de 370 nm a 1000 nm.

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AFM. Para determinar la morfología de la superficie de las

películas se utilizó un Microscopio de Fuerza Atómica Nanosurf

easyScan. Con un área de escaneo de 5 µm x 5 µm, en modo de no

contacto.

En todas las técnicas se realizaron 5 mediciones por muestra. 1 al

centro, 2 a los costados y las 2 restantes arriba y abajo. El proceso de

caracterización óptica por las 4 técnicas se realizó antes y después de

cada tratamiento térmico.

4.3.2 Caracterización Eléctrica

La caracterización eléctrica se llevó a cabo mediante la obtención

de curvas Capacitancia – Voltaje (C-V) y Corriente – Voltaje (I-V).

La primera de ellas se realizó en un sistema de medición C-V

simultáneo Keithley modelo 82-WIN, contando con los siguientes

elementos:

1. Analizador CV Keithley modelo 590. Proporciona una señal de

alta frecuencia de 100 KHz o 1 MHz y mide la capacitancia en

función del voltaje.

2. Medidor cuasi-estático Keithley modelo 595 CV. Cuenta con

una fuente de baja frecuencia de 10 Hz y mide la capacitancia

en función del voltaje. También puede medir la corriente de fuga

del dispositivo.

3. Fuente de voltaje programable Keithley modelo 230-1. Con un

rango de polarización de ±100 V.

4. Acoplador remoto Keithley modelo 5951. Consiste de la

circuitería necesaria para realizar mediciones en alta y baja

frecuencia de manera simultánea.

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5. Software Interactivo de caracterización (Metrics ICS). Consiste

de la interfaz para la adquisición de datos, análisis y

configuración de la prueba.

6. Controlador del sistema (computadora personal)

El sistema cuenta con un programa llamado Metrics ICS para

configurar el tipo de medición a realizar, ya sea baja o alta frecuencia o

simultaneas, además del intervalo de voltaje, el paso y el retardo en cada

punto. Al término de la medición el software puede entregar resultados de

parámetros, como son espesor de óxido, voltaje y capacitancia de banda

plana, atrapamiento de carga, etc. Para comenzar con las mediciones es

necesario encender el equipo con 1 hora de anterioridad.

La caracterización I-V se realizó utilizando un electrómetro 6517A

del fabricante Keithley (ver fig. 4.1). Este instrumento mide la intensidad

de corriente que circula a través de un circuito, adquiere la información

mediante un convertidor analógico-digital (AD) y finalmente es procesada

por un microprocesador.

Figura 4.1. Electrómetro modelo 6517A.

Las características del equipo se muestran en la tabla 4.3. La

conexión y encendido del instrumento se debe realizar con 1 hora de

anterioridad para alcanzar estabilidad térmica. El tipo de conexión fue

mediante 4 líneas; 2 para fuente y 2 para electrómetro.

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Tabla 4.3. Características de electrómetro modelo 6517A.

Característica Rango Mínimo Rango Máximo

Voltaje 10μV 200V

Corriente 100aA 20mA

Resistencia 1 Ω 1017 Ω

Carga 20fC 2μC

Voltaje de Fuente 100V 1000V

En la figura 4.2 se aprecia el esquema de conexión de las

terminales en modo 4 líneas.

Figura 4.2. Diagrama de conexión del electrómetro al dispositivo de prueba [57].

La caracterización eléctrica se realizó en estructuras tipo MOS

Al/SiOx/Si y Al/SnOx/Si, al final de los tratamientos térmicos. La

descripción de las estructuras se presenta en el apartado 5.2 en conjunto

con los resultados de la caracterización eléctrica. Se midieron 5

estructuras por muestra, distribuidos 1 al centro, 2 a los lados, 1 arriba y

otro abajo.

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~ 31 ~

CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS

5.1 Caracterización óptica y morfológica

En esta sección se presentan los resultados de caracterización por

elipsometría, FTIR, FL y AFM, para las capas de SiOx y SnOx, antes y

después de cada tratamiento térmico.

5.1.1 Resultados de Elipsometría

Películas de SiOx

En la tabla 5.1 se encuentran los espesores de las películas de

SiOx obtenidos mediante elipsometría.

Tabla 5.1. Resultados de espesor e índice de refracción para muestras de SiOx

recién depositadas.

Flujo de O2

[sccm]

Flujo de Ar

[sccm] Blanco

Espesor

[nm]

Índice de

Refracción

Razón de Depósito

[nm/min]

0

5

Si

------ ------ ------

1 21.5 ± 0.4 1.55 ± 0.04 4.30

1.5 17.4 ± 2.3 1.57 ± 0.18 3.84

2 15.1 ± 1.6 1.73 ± 0.22 3.02

0

SiO

49.0 ± 1.0 1.64 ± 0.02 9.80

1 19.2 ± 1.4 1.61 ± 0.09 3.84

1.5 16.1 ± 3.4 1.69 ± 0.27 3.22

2 11.1 ± 0.6 1.82 ± 0.19 2.22

Como se puede observar en la tabla 5.1, para el caso de la película

depositada sin flujo de O2 (F-O2) y blanco de Si, no fue posible obtener el

espesor e índice de refracción mediante ésta técnica, ya que se tiene una

película de silicio depositada sobre un substrato de Si. En los casos

restantes si fue posible realizar la caracterización. Los espesores ópticos

medidos en las películas obtenidas con blanco de Si se encuentra dentro

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de un rango de 15 a 21 nm, siendo un F-O2 de 1 sccm el que obtuvo el

espesor más cerca a 20 nm.

Conociendo el espesor y tiempo se depósito se calculó la razón de

depósito y se comparó respecto del F-O2 para conocer como era su

tendencia. Se utilizaron espesores promedio y tiempo de depósito de 5

min. En la figura 5.1 se presenta la tendencia en la razón de depósito para

ambos blancos.

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

Ra

n d

e D

ep

ós

ito

(n

m/m

in)

Flujo de Oxígeno (sccm)

Blanco de Si

Blanco de SiO

Figura 5.1. Razón de depósito contra flujo de O2 utilizado durante el depósito, para

blanco de Si y SiO.

En la fig. 5.1 se observa que mayores razones de depósito se

obtienen para el blanco de Si y que el incremento en el flujo de oxígeno

(F-O2) disminuye la razón de depósito.

Otra propiedad obtenida por elipsometría es el índice de refracción

(η), el cual cambió con los tratamientos térmicos. En la fig. 5.2 se muestra

el comportamiento del η contra el F-O2, para antes y después de cada

tratamiento térmico en las muestras depositadas con blanco de Si. Para

las películas recién depositadas, el índice de refracción tiene grandes

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variaciones y se observa un incremento en el valor promedio del índice al

aumentar el F-O2. Con los tratamientos térmicos se modificó este

comportamiento. Sólo después del TT a 1100 ºC se obtuvo una menor

variación, además de que el valor del η disminuye al aumentar el F-O2.

También se aprecia que el índice de refracción se encuentran cercanos a

1.46, valor del índice de refracción del SiO2.

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0 Sin tratamiento térmico (TT)

TT a 600 ºC, 30 min en N2

TT a 900 ºC, 30 min en N2

TT a 1100 ºC, 30 min en N2

Índ

ice

de

Re

fra

cc

ión

Flujo de Oxígeno (sccm)

Figura 5.2. Gráfica del índice de refracción contra del flujo de O2 utilizado durante

el crecimiento de muestras de SiOx depositadas con blanco de Si.

En el caso de las películas SiOx depositadas con blanco de SiO se

obtuvieron espesores de 11 a 19 nm para los diferentes F-O2. Es el flujo

de oxígeno cercano a 1 sccm el que obtiene un espesor cercano a 20 nm

(ver tabla 5.1). A partir de estos espesores se determinó la razón de

depósito, donde la tendencia se presenta en la fig. 5.1. Se puede apreciar

que la razón de depósito disminuye con el aumento en el flujo de oxígeno,

además las muestras depositadas con blanco de SiO tienen menores

razones de depósito respecto a las obtenidas con blando de Si.

En la figura 5.3 se muestra la variación del índice de refracción en

películas depositadas con blanco de SiO. Recién depositadas, el η

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aumenta conforme aumenta el flujo de O2, además de tener grandes

variaciones. Después de los tratamientos térmicos las películas de SiOx

tienen valores cercanos al SiO2 y la variación disminuye

considerablemente, sin embargo se sigue observando que el incremento

en el flujo de O2 propicia un incremento en la variación del índice de

refracción. En el caso de la película depositada sin flujo de oxígeno el

valor del índice de refracción se mantuvo sin cambios significativos con

los tratamientos térmicos (ver fig. 5.3).

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3 Sin tratamiento Térmico (TT)

TT a 600 ºC

TT a 900 ºC

TT a 1100 ºC

Índ

ice

de

Re

fra

cc

ión

Flujo de Oxígeno (sccm)

Figura 5.3. Gráfica del índice de refracción contra del flujo de O2 utilizado durante

el crecimiento de muestras de SiOx depositadas con blanco de SiO.

Los espesores obtenidos se encontraron cercanos al espesor de

interés (20 nm) en películas de ambos blancos, con razones de

crecimiento bajas que permiten un buen control en el proceso. El índice

de refracción obtenido en películas sin tratamiento térmico (TT) concuerda

con trabajos previos donde forman capas de SiOx mediante el bombardeo

de un blanco de SiO2 y una mezcla de H2 con argón para formar el

plasma, donde el hidrógeno remueve oxígeno para formar óxido fuera de

estequiometría [42]. Además los valores del índice de refracción son

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~ 35 ~

superiores al índice del SiO2 e inferiores al índice de refracción del SiO,

que se encuentra entre 1.8 y 2 [43, 48].

Después que las muestras recién depositas fueron analizadas, se

sometieron a los tratamientos térmicos. El resultado del índice de

refracción de las películas de SiOx después de cada aleación se resume

en la tabla 5.2.

Tabla 5.2. Resultados de índice de refracción para muestras de SiOx recién

depositadas (STT) y después de cada Tratamiento Térmico (TT).

F. de O2

[sccm] Blanco

Espesor

[nm]

η

STT

η

TT a 600

ºC

Η

TT a 900

ºC

η

TT a 1100

ºC

0

Si

------ ------ ------ ------ ------

1 21.5 ± 0.4 1.552 ±

0.044

1.352 ±

0.120

1.444 ±

0.062

1.468 ±

0.021

1.5 17.4 ± 2.3 1.577 ±

0.181

1.431 ±

0.106

1.413 ±

0.094

1.446 ±

0.019

2 15.1 ± 1.6 1.738 ±

0.221

1.573 ±

0.102

1.472 ±

0.076

1.437 ±

0.027

0

SiO

49.0 ± 1.0 1.644 ±

0.024

1.609 ±

0.103

1.634 ±

0.030

1.648 ±

0.011

1 19.2 ± 1.4 1.615 ±

0.097

1.851 ±

0.055

1.387 ±

0.032

1.457 ±

0.026

1.5 16.1 ± 3.4 1.695 ±

0.274

1.544 ±

0.172

1.377 ±

0.091

1.450 ±

0.056

2 11.1 ± 0.6 1.828 ±

0.196

1.875 ±

0.301

1.397 ±

0.137

1.464 ±

0.134

En las películas recién depositadas, el índice de refracción

aumenta conforme aumenta el flujo de O2 y es mayor comparado al

obtenido después de los tratamientos térmicos. Al someter las películas a

tratamientos térmicos, el índice de refracción tiende al del SiO2 (η = 1.460

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~ 36 ~

[41]) y con menor variación (ver tabla 5.2), en muestras de ambos

blancos.

Películas de SnOx

En el caso de las muestras de SnOx, algunas de ellas no fue

posible obtener el espesor mediante elipsometría, para ello se utilizó

perfilometría. Esta medición se pudo realizar debido a que durante el

depósito se colocó un pedazo muy pequeño de oblea sobre el substrato,

quedando un lugar sin depósito de material que forma un escalón. En la

tabla 5.3 se encuentra el resumen de los espesores obtenidos. En el caso

de las muestras con 1.5 sccm de flujo de O2 y con un potencia de

depósito de 20 W (2 primeros renglones de la tabla 5.3) el sistema no fue

estable, debido a que el espesor cambio en un orden de magnitud y no

hubo reproducibilidad. En el caso del mismo flujo y potencia de depósito

de 100 W (último renglón de la tabla 5.3), la razón de depósito fue de 110

nm/min, superior en un orden de magnitud a la buscada (~4 nm/min). Por

lo anterior los resultados de estas muestras no se consideran confiables.

Sin embargo los resultados se presentarán con la reserva del caso.

Tabla 5.3. Resultados de espesor e índice de refracción para muestras de SnOx

recién depositadas.

Flujo de

O2 [sccm]

Flujo de

Ar [sccm]

Potencia

[W]

Espesor

[nm]

Índice de

Refracción

Razón de Depósito

[nm/min]

1.5

5

20 150.0 ±

5.0 -----------

30.00

1.5 20 27.5 ± 2.5 ----------- 5.50

4 20 15.7 ± 0.3 1.43 ± 0.06 3.14

4 20 14.0 ± 2.5 1.47 ± 0.16 2.80

4 30 23.5 ± 0.6 1.79 ± 0.03 4.70

4 30 27.5 ± 2.5 ----------- 5.50

4 40 48.6 ± 0.3 1.91 ± 0.01 9.72

4 40 45.0 ± 5.0 2.47 ± 0.01 9.00

1.5 100 550.0 ±

10.0 -----------

110.00

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~ 37 ~

Se estudió la tendencia del espesor respecto de la potencia en las

muestras depositadas con un F-O2 de 4 sccm. Considerando el espesor

promedio en las películas, se obtuvo la tendencia en la razón de depósito

presentada en la fig. 5.4. En ella se encuentra dos curvas, puesto que se

repitió 1 vez cada potencia para observar reproducibilidad.

20 25 30 35 40

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Ra

n d

e D

ep

ós

ito

(n

m/m

in)

Potencia (W)

Corrida 1

Corrida 2

Figura 5.4. Razón de depósito respecto de la potencia de depósito, para las

muestras de SnOx, con un flujo de O2 de 4 sccm.

Se aprecia pequeñas variaciones en el proceso, por lo cual es

reproducible. Además se encontró que el intervalo de potencia para

obtener espesores cercanos a 20 nm por 5 minutos de depósito se

encuentra dentro de un rango de 20 a 30 W.

El otro parámetro determinado por elipsometría es el índice de

refracción. Los resultados obtenidos en las películas de SnOx recién

depositas se muestra en la tabla 5.4. Algunos espacios no muestran algún

valor debido a que esta técnica de caracterización no arrojó resultados.

Después del TT a 600 ºC, se repitió el procedimiento de caracterización

en todas las muestras, obteniendo nuevos resultados en las películas de

SnOx. Algunos valores obtenidos se encuentran por debajo a valores

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~ 38 ~

reportados entre 2 y 2.6 en películas de SnO [44] y de 1.8 a 2 para SnO2

obtenido por evaporación de haz de electrones [60], lo cual puede ser un

indicador de la naturaleza porosa de las películas a causa de la técnica de

depósito.

Tabla 5.4. Resultados de índice de refracción para muestras de SnOx recién

depositadas (STT) y después del Tratamiento Térmico (TT) a 600 ºC en N2.

Flujo de O2

[sccm]

Potencia de

depósito [W] Espesor [nm]

η

STT

η

TT a 600 ºC

1.5 20 150.0 ± 5.0 ----------- 2.489 ± 0.104

1.5 20 27.5 ± 2.5 ----------- -----------

4 20 15.7 ± 0.3 1.437 ± 0.063 1.417 ± 0.017

4 20 14.0 ± 2.5 1.472 ± 0.165 1.463 ± 0.131

4 30 23.5 ± 0.6 1.795 ± 0.038 -----------

4 30 27.5 ± 2.5 ----------- 1.898 ± 0.291

4 40 48.6 ± 0.3 1.914 ± 0.007 -----------

4 40 45.0 ± 5.0 2.470 ± 0.007 1.819 ± 0.047

1.5 100 550.0 ± 10.0 ----------- -----------

También se encontró que los resultados de muestras depositadas

con F-O2 de 4 sccm y misma potencia tienen valores de índice de

refracción similares. Lo anterior se conserva inclusive después del

tratamiento térmico. Además se observa que el valor del índice de

refracción aumenta para mayores potencias y este comportamiento se

conserva después del tratamiento térmico a 600 ºC.

5.1.1 Resultados de FTIR

Películas de SiOx

En el caso de las muestras de SiOx se estudió la respuesta para

cada blanco utilizado (Si y SiO). En la figura 5.5 (a) se encuentra el

espectro obtenido para las películas de SiOx recién depositadas, crecidas

con blanco de Si. En ella se observa que el aumento del F-O2 fomenta

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~ 39 ~

una mayor formación de enlaces Si-O. En esa misma gráfica se señalan 5

picos principales que se han encontrado en películas de SiOx depositadas

por diferentes técnicas [25, 31, 32, 33].

a) b)

Figura 5.5. Espectro de absorción en a) muestras con diferente flujo de O2 de

depósito sin tratamiento térmico (STT) y b) en muestra con un flujo de O2 de 2

sccm utilizado durante el depósito y diferentes tratamientos térmicos. En ambos

casos blanco fue de Si.

En la segunda imagen, correspondiente a la fig. 5.5 (b), se muestra

cómo evoluciona la película depositada con un F-O2 de 2 sccm y blanco

de Si con cada tratamiento térmico. Se observa un incremento en la

magnitud de los picos asociados a los modos estiramiento simétrico (3)

[symetric stretching], balanceo (1) [rocking] y enlaces Si – Si (5) [Oxygen’s

Vacancies]; mientras el modo estiramiento asimétrico [asymetric

stretching] (4) se desvanece y el modo doblamiento (2) [bending] se

conserva.

Los espectros de la figura 5.6 muestran la evolución de todas las

muestras después de cada tratamiento térmico (TT). En general, con cada

TT incrementó los modos de vibración estiramiento simétrico y balanceo

para enlaces Si – O, indicando un cambio gradual de la matriz fuera de

estequiometría (SiOx) hacia una matriz en estequiometría (SiO2). Sin

embargo unas muestras tuvieron incremento del modo estiramiento

asimétrico y disminución del modo enlace Si – Si (curvas en negro y verde

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~ 40 ~

de fig. 5.6), indicando que existe una descomposición de enlaces Si – Si e

incremento en el número de enlaces Si – O del modo estiramiento

asimétrico, relacionado con una matriz de óxido fuera de estequiometría

(SiOx, x<2) [31, 32].

a) b)

c)

Figura 5.6. Espectros de absorción para muestras depositadas usando blanco de

Si con diferentes flujos de O2, para tratamiento térmico a: a) 600, b) 900 y c) 1100

ºC, 30 minutos en N2 cada uno

En la figura 5.7(a) se ilustran los espectros de absorción para las

muestras depositadas usando blanco de SiO. Se aprecia que el modo de

vibración estiramiento simétrico (3) y balanceo (1) disminuyen su

magnitud conforme aumenta el flujo de oxígeno, mientras el modo

estiramiento asimétrico (4) aumenta conforme aumenta el flujo de

oxígeno, es decir que utilizando un blanco de SiO la película se aleja de

estequiometría al incrementar el flujo de oxígeno, siendo la película con

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~ 41 ~

un flujo de oxígeno de 2 sccm la que tiene un hombro más prominente del

modo estiramiento asimétrico (4).

a) b)

Figura 5.7. Espectro de absorción en a) muestras con diferente flujo de O2 sin

tratamiento térmico (STT) y b) en muestra con un flujo de O2 de 2 sccm con

diferentes tratamientos térmicos. En ambos casos blanco de SiO.

Al someter las muestras a altas temperaturas se promueve la

formación de una matriz cercana a estequiometría, aumentando en

magnitud los modos estiramiento simétrico (3), doblamiento (2) y balanceo

(1). En el caso de muestras depositadas en presencia de oxígeno, el

hombro relacionado a una matriz fuera de estequiometría (4) se pierde

con dichos tratamientos (ver fig. 5.7 (b)), mientras la muestra crecida sin

presencia de oxígeno conservó e incrementó el hombro estiramiento

asimétrico (4), representando un incremento en la matriz fuera de

estequiometría. Lo anterior también se puede apreciar en los espectros de

la figura 5.8, donde se presentan los resultados de absorción después de

cada tratamiento térmico de las muestras SiOx depositadas con blanco de

SiO.

De los resultados obtenidos se determinó que las películas de SiOx

presentan modos de vibración relacionados a una matriz en y fuera de

estequiometría, indistintamente del blanco utilizado. Entre películas del

blanco de Si y SiO recién depositadas se muestra una dependencia

contraria al F-O2, ya que para el blanco de Si el aumento en el F-O2

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~ 42 ~

promueve modos de vibración asociados a un óxido en estequiometría

[13, 25, 31, 33], mientras que en las muestras del blanco de SiO el

aumento de F-O2 promueve la formación de un óxido fuera de

estequiometria.

a) b)

c)

Figura 5.8. Espectros de absorción para muestras depositadas usando blanco de

SiO con diferentes flujos de O2, para tratamiento térmico a: a) 600, b) 900 y c) 1100

ºC, 30 minutos en N2 cada uno.

Después de los tratamientos térmicos, en muestras de ambos

blancos, se observa que los modos estiramiento simétrico y balanceo

tienden a longitudes de onda reportados para SiO2 [13, 25, 31, 33], con lo

que se concluye que la matriz tiende a la estequiometría. Además se

encontró que las magnitudes en los modos antes mencionados eran

mayores para menores F-O2 durante el depósito, siendo las muestras más

cercanas a SiO2 las depositadas con un F-O2 de 1 sccm para ambos

blancos. Sólo en la muestra crecida sin flujo de oxígeno y blanco de SiO

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~ 43 ~

se observa modos de vibración relacionados con una matriz fuera de

estequiometría y se conservaron después de los tratamientos térmicos, lo

que implica un posible exceso de Si [13].

Tabla 5.5. Resumen del número de onda de los modos de vibración antes y

después de cada tratamiento térmico (TT) en muestras de blanco de Si.

F-O2 [sccm] STT TT a 600 ºC TT a 900 ºC TT a 1100 ºC

Balanceo (1) [cm-1]

0 -----

455

453

453 1

453 455

1.5 453

2 455 455

Doblamiento (2) [cm-1]

0 ----- -----

812

831

1

818 808 812 1.5

2

Estiramiento Simétrico (3) [cm-1]

0 ----- 1035 1045 1076

1

1055 1059 1070 1076 1.5

2

Estiramiento Asimétrico (4) [cm-1]

0 ------- ------- ------- 1232

1

1180 1166

1166 -------

1.5 1228 1228

2 ------- -------

Enlaces Si – Si (5) [cm-1]

0

669 671

669

669 1 -----

1.5 669

2

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~ 44 ~

En la tabla 5.5 y 5.6 se presentan un resumen algunos modos de

vibración, indicando el número de onda en el cual se localizan antes y

después de cada tratamiento térmico.

Tabla 5.6. Resumen del número de onda de los modos de vibración antes y

después de cada tratamiento térmico (TT) en muestras de blanco de SiO.

F- O2 [sccm] STT TT a 600 ºC TT a 900 ºC TT a 1100 ºC

Balanceo (1) [cm-1]

0 418 445 459

453 1

455 455 455 1.5

2 451 453 459

Doblamiento (2) [cm-1]

0 818 802 812 810

1

812 808 810

812 1.5

2 812

Estiramiento Simétrico (3) [cm-1]

0 1024 1035 1053 1066

1

1055 1060 1070 1076 1.5

2

Estiramiento Asimétrico (4) [cm-1]

0 -------

-------

1228 1232

1

1190

-------

------- 1.5 1232

2 -------

Enlaces Si – Si (5) [cm-1]

0 ----- ----- ----- -----

1

669 669 669 669

1.5

2 ----- ----- -----

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~ 45 ~

Películas de SnOx

Los resultados de FTIR para las películas de SnOx se muestran en

las siguientes figuras. Los espectros de absorción de las muestras recién

depositas se encuentran en la fig. 5.9, donde se presenta una gráfica para

cada F-O2 (1.5 sccm y 4 sccm).

a) b)

Figura 5.9. Espectro de absorción de películas de SnOx depositadas con flujo de O2

de a) 1.5 sccm y b) 4 sccm, sin tratamiento térmico.

En los espectros de la fig. 5.9 se marcan dos intervalos. El (1) se

relaciona a modos de vibración de enlaces Sn – O y va de los 400 a 700

cm-1 [34,35]. El (2) se relaciona a modos de vibración de enlaces Sn – OH

y se encuentra de 1640 a 1746 cm-1 [35]. En las muestras de ambos F-O2

se aprecian modos de vibración en (1). En el caso de los modos de

vibración (2) se aprecia solamente en algunas muestras depositas con

flujo de O2 de 4 sccm (ver fig. 5.9 (b)).

En la figura 5.10 se observa los espectros de absorción después de

haber sometido las muestras a un tratamiento térmico a 600 ºC 30

minutos en N2. Se aprecia un incremento en magnitud de los modos (1)

para muestras de ambos F-O2 y un decremento en los modos (2). Lo

anterior indica que existe una descomposición de enlaces Sn-OH para la

formación de enlaces Sn-O, con promoción a una matriz de SnO2 [34].

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~ 46 ~

a) b)

Figura 5.10. Espectro de absorción de películas de SnOx depositadas con flujo de

O2 de a) 1.5 sccm y b) 4 sccm, con tratamiento térmico a 600 ºC en N2.

El último tratamiento térmico solo modificó el espectro de absorción

de las muestras depositadas con un F-O2 de 1.5 sccm (ver fig. 5.11), las

cuales mostraron un incremento en el rango (1) y un alisado del rango (2).

Lo anterior representa la formación de enlaces Sn-O dentro de la matriz

SnOx [34, 35].

Figura 5.11. Espectro de absorción de películas de SnOx depositadas utilizando

flujo de O2 de 1.5 sccm, con tratamiento térmico a 700 ºC en vacío.

Para las películas de SnOx recién depositadas se observa la

formación de enlaces Sn-O y Sn-OH para muestras depositadas con F-O2

de 1.5 y 4 sccm. En ambos casos se observa que a mayor potencia de

depósito resulta una mayor magnitud en los modos de vibración (1), es

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~ 47 ~

decir mayor número de enlaces Si-O. Con los tratamientos térmicos este

comportamiento se conserva, pero además se presenta una

descomposición de enlaces Sn-OH y un incremento en la densidad de

enlaces Sn-O, lo cual es un indicador de que las partes de la matriz

compuestas por SnOx tienden a ser SnO2 [34, 35].

5.1.2 Resultados de FL

Películas de SiOx

En la figura 5.12 se encuentran los espectros para las muestras de

SiOx depositadas utilizando el blanco de Si (a) y blanco de SiO (b), sin

tratamiento térmico. En ellas se aprecia una respuesta luminiscente en el

azul (430 nm) para las muestras depositadas con un F-O2 de 2 sccm, para

ambos blancos. La mayor emisión corresponde a la película depositada

con blanco de SiO.

400 500 600 700 800 900 1000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de Blanco de Si

STT, con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

400 500 600 700 800 900 1000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de blanco de SiO

STT, con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

a) b)

Figura 5.12. Respuesta luminiscente en películas de SiOx recién depositadas

con diferentes flujos de O2, utilizando blanco de a) Si y b) SiO.

Después del tratamiento térmico (TT) a 600 ºC, la respuesta

luminiscente se perdió. En la figura 5.13 (a) se puede observar que las

muestras depositadas con blanco de Si presentan una pequeña loma

entre 400 y 500 nm, la cual pudiera ser un error del equipo de medición y

no una respuesta luminiscente del material. En el caso de las películas

depositadas con blanco de SiO, la muestra depositada sin presencia de

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~ 48 ~

oxígeno paso de no tener respuesta FL a emitir en azul-rojo, con un

ancho del espectro de 370 a ~800 nm (ver fig. 5.13 (b)).

400 500 600 700 800 900 1000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de blanco de Si

TT a 600 ºC 30 min en N2,

con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

400 500 600 700 800 900 1000

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de blanco de SiO

TT a 600 ºC, con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

a) b)

Figura 5.13. Respuesta luminiscente, en películas de SiOx depositadas con

diferentes F-O2 y aleadas a 600 ºC en N2, usando blanco de a) Si y b) SiO.

El segundo tratamiento térmico presentó un incremento en la emisión

de la muestra depositada con blanco de SiO y sin flujo de oxígeno (ver fig.

5.14 (a)). Además provoco un cambio en la forma del espectro en la

muestra depositada con blanco de Si y flujo de 1 sccm de O2 (ver fig. 5.14

(b)), la cual se sigue atribuyendo a un error del equipo.

400 500 600 700 800 900 1000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de blanco de Si

TT a 900 ºC, con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 scc

2 sccm

400 500 600 700 800 900 1000

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

3000

3300

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de blanco de SiO

TT a 900 ºC, con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

a) b)

Figura 5.14. Respuesta luminiscente en películas de SiOx depositadas con

diferentes F- O2 y aleadas a 900 ºC en N2, utilizando blanco de a) Si y b) SiO.

Finalmente en la fig. 5.15 se muestra el resultado del último

tratamiento térmico a 1100 ºC, donde incrementó al doble el espectro de

emisión de la muestra depositada con blanco de SiO y sin flujo de

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~ 49 ~

oxígeno, mientras las películas depositadas utilizando el blanco de Si

presentan un espectro totalmente aplanado.

400 500 600 700 800 900 1000

0

600

1200

1800

2400

3000

3600

4200

4800

5400

6000

6600

7200

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Muestras de blanco de SiO

TT a 1100 ºC, con F. de O2:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

Figura 5.15. Respuesta luminiscente en películas de SiOx depositadas con

diferentes F-O2 y aleadas a 1100 ºC en N2, utilizando blanco de SiO.

Los resultados muestran bajo qué condiciones de depósito y

tratamientos térmicos se obtiene una respuesta luminiscente. Las

primeras condiciones corresponden a las muestras recién depositadas

con un flujo de O2 de 2 sccm, para ambos blancos. Con el primer

tratamiento térmico las muestras que emitían se aplanaron, mientras la

capa depositada con blanco de SiO y sin F-O2 presentó un espectro de

emisión en el rango azul-rojo. El tercer tratamiento térmico incrementó la

respuesta luminiscente de esta muestra. Finalmente con el último TT a

1100 ºC, la muestra depositada sin presencia de O2 y blanco de SiO

incrementó al doble su espectro de emisión respecto del obtenido en el

TT anterior. Esta muestra fue la única que mantuvo una emisión a lo largo

de los tratamientos térmicos, presentándose en la figura 5.16 la respuesta

luminiscente antes y después de cada TT. Espectros similares se han

obtenido en películas de SiOx depositadas por diversas técnicas [8, 33]. El

pico máximo de emisión se encuentra entre 495 nm para después de los

dos primeros tratamientos y con el último TT (1100 ºC) el pico se movió a

485 nm. Estudios previos sobre la composición del SiO muestran que es

un material con gran cantidad de enlaces sueltos [25], con condiciones

energéticamente favorables para la formación de aglomerados con núcleo

Page 55: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 50 ~

de Si rodeado de SiO2. Al someter el material a tratamientos térmicos se

permite la nucleación de Si debido a la migración de O2 del centro a la

superficie del aglomerado [37], generando defectos radiativos.

400 500 600 700 800 900 1000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Blanco de SiO con F. de O2

a 0 sccm, sin y con TT's

STT

TT a 600 ºC, 30 min en N2

TT a 900 ºC, 30 min en N2

TT a 1100 ºC, 30 min en N2

Figura 5.16. Respuesta luminiscente en película de SiOx depositada sin flujo de

oxígeno y blanco de SiO, con diferentes tratamientos térmicos.

Películas de SnOx

Para las películas de SnOx depositadas con flujo de O2 de 1.5 sccm se

presentan en la fig. 5.17 (a), donde se puede observar un espectro con

pico de emisión en el azul, sin presentar reproducibilidad en muestras

depositadas con una potencia de 20 W, siendo otro indicador de que bajo

estas condiciones el depósito no es efectivo. En el caso de las muestras

depositadas con F-O2 de 4 sccm se aprecia emisión en el rango 370 a

450 nm. Tampoco se observa reproducibilidad en la FL para muestras

depositadas con una misma potencia (ver fig. 5.17 (b)). Para los espectros

de emisión obtenidos para muestras de ambos F-O2 se consideró el pico

alrededor de los 400 a 500 nm como un error del equipo.

Page 56: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 51 ~

400 500 600 700 800 900 1000

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Flujo de O2 a 1.5 sccm

STT y potencias de:

20 W - 1

20 W - 2

100 W

400 500 600 700 800 900 1000

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Flujo de O2 de 4 sccm

STT y potencias de:

20 W - 1

20 W - 2

30 W - 1

30 W - 2

40 W - 1

40 W - 2

a) b)

Figura 5.17. Respuesta luminiscente en películas de SnOx recién depositadas

utilizando flujo de oxígeno de a) 1.5 sccm y b) 4 sccm.

En la figura 5.18 se muestran los resultados de emisión, después de

haber sometido las películas de SnOx a tratamientos térmicos. Solamente

la película depositada con un F-O2 de 1.5 sccm y potencia de 100 W tuvo

respuesta luminiscente después del TT a 600 ºC en N2 (ver fig. 5.18 (a)),

cuyo espectro coincide con resultados obtenidos para nano-estructuras en

forma de hueso de pescado de SnO2 [19, 45]. En el caso de las muestras

depositadas con un F-O2 de 4 sccm no se obtuvo respuesta FL.

400 500 600 700 800 900 1000

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Flujo de O2 de 1.5 sccm

TT a 600 ºC en N2 y potencias de:

20 W - 1

100 W

400 500 600 700 800 900 1000

300

600

900

1200

1500

1800

2100

Inte

ns

ida

d (

u.

a.)

Longitud de Onda (nm)

Flujo de O2 de 1.5 sccm

TT a 700 ºC en vacio y potencias de:

20 W - 1

100 W

a) b)

Figura 5.18. Respuesta luminiscente en películas de SnOx depositadas con

flujo de oxígeno de 1.5 sccm y TT’s en a) N2 a 600 ºC y b) Vacío a 700 ºC.

El último tratamiento térmico a 700 ºC en vacío no produjo cambio en

el espectro de emisión de muestras depositadas con flujo de 4 sccm de

O2. En el caso de las películas depositadas con flujo de O2 (F-O2) de 1.5

Page 57: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 52 ~

sccm (ver fig. 5.18 (b)) hubo cambio en el espectro de la primera muestra

depositada con una potencia de 20 W, mostrando un espectro con picos

de emisión en el azul (~ 398 nm) y en el límite rojo-infrarrojo cercano

(~778 nm), resultados que concuerdan con datos previamente reportados

en la literatura [19]. Por otro lado, el espectro de la muestra depositada

con una potencia de 100 W se aplanó. Lo anterior se puede observar en

la figura 5.18 (b).

Los resultados muestran que las películas depositadas con flujo de

4 sccm no presentan emisión antes y después de ser aleadas. En el caso

de algunas películas depositadas con un F-O2 de 1.5 sccm presentaron

FL antes y después de los tratamientos térmicos, sin embargo, aún

cuando se presentan los resultados, es preciso recalcar que sus

condiciones de depósito hacen un depósito inefectivo. Es necesario

realizar más investigación para encontrar las condiciones de depósito

para un crecimiento estable y que la película tenga una respuesta

luminiscente en el visible.

5.1.3 Resultados de AFM

Los resultados de rugosidad e imágenes en 3D y 2D de la

superficie de las capas de SiOx y SnOx obtenidos mediante AFM se

presentan a continuación.

Películas de SiOx

En la figura 5.19 se presentan imágenes 3D y la evolución de la

rugosidad de la película de SiOx depositada con F-O2 de 2 sccm y blanco

de Si antes y después de cada tratamiento. Al término del primer

tratamiento térmico la película presentó un alisado de la superficie,

conservándose a lo largo de los tratamientos restantes (ver fig. 5.20). El

valor final de rugosidad fue de 3.99 nm.

Page 58: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 53 ~

a)

b)

c)

d)

Figura 5.19. Imágenes en 3D y 2D de la superficie de la película depositada con

blanco de Si y F-O2 de 2 sccm, sin TT (a), TT a 600 ºC (b), TT a 900 ºC (c) y TT a

1100 ºC (d).

Page 59: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 54 ~

En la figura 5.20 se muestra la tendencia en la rugosidad promedio

a lo largo de los tratamientos térmicos de las capas de SiOx depositadas

con blanco de Si. En esta imagen se aprecia que en las películas

depositadas, en presencia de oxígeno, conforme aumenta el flujo se

obtiene mayor rugosidad. Ésta relación entre F-O2 y rugosidad cambia

después de los recocidos a 600 ºC y 900 ºC, reapareciendo después del

último TT a 1100 ºC. También se observa como disminuye la rugosidad

promedio después del TT a 600 ºC, conservándose del mismo orden con

los subsecuentes recocidos, indicando un alisado de la superficie.

0 200 400 600 800 1000 12000

2

4

6

8

10

12

Ru

go

sid

ad

pro

me

dio

(n

m)

Tratamiento Térmico (ºC)

Muestras Blanco de Si

depositadas con F-O2 de:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

Figura 5.20. Gráfica de rugosidad promedio para las películas depositadas con

blanco de Si, después de cada tratamiento térmico.

En la fig. 5.21 se presentan las imágenes 3D y 2D de la superficie

de la película depositada con blanco de SiO y F-O2 de 2 sccm. Ésta

imagen presenta la evolución típica de la rugosidad de las películas de

SiOx depositadas con blanco de SiO después de los tratamientos

térmicos. Se puede observar que la muestra presentó un alisado de la

superficie con los tratamientos térmicos. Se obtuvo una rugosidad

promedio entre ~ 2.7 y 3.7 nm después del TT a 1100 ºC.

Page 60: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 55 ~

a)

b)

c)

d)

Figura 5.21. Imágenes en 3D y 2D de la superficie de las películas depositadas con

blanco de SiO y flujos de O2 de 2 sccm, sin TT (a), TT a 600 ºC (b), TT a 900 ºC (c) y

TT a 1100 ºC (d).

Page 61: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 56 ~

En la fig. 5.22 se presenta la tendencia de las capas de SiOx

depositadas con blanco de SiO. No es posible apreciar una relación entre

rugosidad y F-O2 en las películas recién depositadas, sin embargo

después del TT a 1100 ºC se observa que mientras mayor sea el F-O2

durante el depósito, mayor será la rugosidad. Las muestras recién

depositadas tienen valores de rugosidad promedio mayor respecto a la

rugosidad promedio después del TT a 1100 ºC, observándose un alisado

de la superficie. Ahora los valores de rugosidad quedan cercanos a 3 nm

para las películas de SiOx.

0 200 400 600 800 1000 12002

4

6

8

10

12

14

16

Ru

go

sid

ad

Pro

me

dio

(n

m)

Tratamiento Térmico (ºC)

Muestras Blanco de SiO

depositadas con F-O2 de

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

Figura 5.22. Gráfica de rugosidad promedio para las películas depositadas con

blanco de Si0, después de cada tratamiento térmico.

La rugosidad promedio en las películas de SiOx disminuyó después

de alearlas a altas temperaturas, indistintamente del blanco utilizado. Esto

probablemente se debe al hecho de que el material se relajó y con esto se

produjo la disociación de grandes aglomerados y de esta forma se

obtienen valles y crestas más homogéneos a lo largo de la superficie del

material [38, 56]. Muestras, de ambos blancos, tuvieron una rugosidad

promedio entre 1.7 a 3.9 nm después del TT a 1100 ºC, con mayor

desviación estándar en las muestras depositadas con el blanco de Si. En

Page 62: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 57 ~

la tabla 5.7 se resumen los valores de rugosidad para las capas de SiOx

antes y después de cada tratamiento térmico.

Tabla 5.7. Resultados de rugosidad en películas de SiOx antes y después de cada

tratamiento térmico (TT).

Flujo de

O2

[sccm]

Blanco Rugosidad

STT [nm]

Rugosidad TT

600ºC [nm]

Rugosidad TT

900ºC [nm]

Rugosidad TT

1100ºC [nm]

0

Si

9.52 ± 1.32 3.74 ± 0.63 2.64 ± 0.57 1.48 ± 0.64

1 3.86 ± 0.21 1.96 ± 0.88 2.52 ± 0.20 2.75 ± 0.21

1.5 5.21 ± 0.80 1.80 ± 0.25 3.22 ± 1.12 3.41 ± 1.61

2 9.09 ± 4.80 2.47 ± 0.61 3.14 ± 0.86 3.99 ± 0.60

0

SiO

15.07 ± 4.76 3.56 ± 1.34 3.31 ± 1.09 2.69 ± 0.62

1 9.93 ± 5.70 2.89 ± 0.30 2.53 ± 0.44 2.89 ± 0.49

1.5 7.54 ± 1.09 4.16 ± 0.68 3.24 ± 0.65 2.94 ± 0.70

2 7.66 ± 2.07 2.92 ± 0.29 2.28 ± 0.69 3.69 ± 1.08

Películas de SnOx

Los valores promedio de rugosidad de las muestras recién

depositadas de SnOx se presentan en la tabla 5.8. En la figura 5.23 se

presentan las imágenes 3D y 2D de la superficie para muestras típicas

depositadas con flujos de O2 de 4 sccm y 1.5 sccm. En el caso del F-O2

de 4 sccm sólo se presenta la muestra depositada con una potencia de 40

W (fig. 5.23 (b)), ya que las muestras restantes presentan similar

rugosidad superficial. Para las películas depositadas con F-O2 de 1.5

sccm se presentan aquellas depositas con potencias de 20 W (1ra

corrida) y 100 W (fig. 5.23 (a) y (c)). El motivo de incluir las imágenes de

las muestras depositadas con F-O2 de 1.5 sccm aún cuando no son de

interés, es que mostraron cambios en su morfología con los tratamiento

térmicos.

Page 63: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 58 ~

a)

b)

c)

Figura 5.23. Imágenes 3D y 2D de la superficie en las muestras de SnOx recién

depositadas con: a) 1.5 sccm de O2 y 20 W, b) 4 sccm de O2 y 40 W, y c) 1.5 sccm

de O2 y 100 W.

En la figuras 5.23 (a) se aprecian pequeños granos en la superficie

de la película depositada con F-O2 de 1.5 sccm y 20 W. Mientras para la

fig. 5.23 (b) se observa una superficie lisa. Finalmente, la fig. 5.21 (c)

muestra 4 grupos de aglomerados de ~260 nm de diámetro, en la película

depositada con una potencia de 100 W y F-O2 de 1.5 sccm.

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~ 59 ~

Después del tratamiento térmico a 600 ºC en N2, la muestra

depositada con potencia de 40 W y F-O2 de 4 sccm no presentó gran

cambio en la rugosidad promedio respecto al valor obtenido antes del TT

(ver. Fig. 5.24 (b)).

a)

b)

c)

Figura 5.24. Imágenes 3D y 2D de la superficie en las muestras de SnOx

depositadas con: a) 1.5 sccm de O2 y 20 W, b) 4 sccm de O2 y 40 W, y c) 1.5 sccm

de O2 y 100 W, con TT a 600 ºC.

Page 65: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 60 ~

La muestra de SnOx depositada con una potencia de 100 W y F-O2

de 1.5 sccm aumentó su rugosidad (ver fig. 5.24 (c)) con el tratamiento, lo

cual puede implicar un película porosa, que al someterla a altas

temperaturas, relaja el material y los aglomerados más inestables buscan

su condición de mínima energía, mientras los aglomerados menos

porosos y más estables se conservan.

En el caso de las películas de SnOx no se observa una relación

precisa entre la rugosidad y la potencia de depósito ó el flujo de O2, pero

la muestra depositada con 1.5 sccm de oxígeno y 100 W (ver tabla 5.8)

fue la que presentó mayor rugosidad promedio. En la tabla 5.8 se

resumen los valores de rugosidad promedio para las capas de SnOx antes

y después del TT a 600 ºC.

Tabla 5.8. Resultados de rugosidad en películas de SnOx antes y después del

tratamiento térmico (TT) a 600 ºC.

Flujo de O2

[sccm]

Potencia

[W]

Rugosidad STT

[nm]

Rugosidad TT 600ºC

[nm]

1.5 20 1.99 ± 2.20 4.44 ± 2.30

1.5 20 3.21 ± 0.70 2.42 ± 1.33

4 20 2.56 ± 1.58 3.68 ± 2.11

4 20 4.09 ± 4.54 28.40 ± 6.93

4 30 1.33 ± 0.41 2.75 ± 1.48

4 30 3.73 ± 3.04 6.90 ± 2.48

4 40 2.58 ± 0.63 5.06 ± 5.41

4 40 2.51 ± 1.58 12.64 ± 10.49

1.5 100 6.14 ± 4.43 92.65 ± 95.25

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~ 61 ~

5.2 Caracterización Eléctrica

Esta sección presenta los resultados de caracterización eléctrica

mediante curvas Corriente – Voltaje (I-V) y Capacitancia – Voltaje (C-V).

Para llevar a cabo la caracterización eléctrica se fabricó un

capacitor MOS, donde las películas SiOx y SnOx fungían como óxido.

Para el metal se depositó 1 micra de aluminio (Al) en la parte frontal,

mientras para el contacto del substrato se depositó 0.6 de micra de Al en

la parte posterior. Las estructuras Al/SiOx/Si y Al/SnOx/Si se esquematizan

en la figura 5.25. Como se mencionó en la sección 4.3.2 se midieron 5

estructuras, distribuidas 1 al centro, 2 a los lados, 1 arriba y 1 abajo,

dejando entre la estructura central y las otras 1 o 2 estructuras

dependiendo del tamaño de la muestra.

Figura 5.25. Esquema de un capacitor MOS donde las películas de SiOx o SnOx

fungen como dieléctrico.

Para fines explicativos, definiremos como un voltaje positivo o

polarización directa cuando el metal o compuerta tenga un voltaje positivo

respecto del substrato (Vg > Vsub) y un voltaje negativo o polarización

inversa cuando la compuerta tenga un voltaje negativo respecto del

substrato (Vg < Vsub). En la fig. 5.26 se esquematiza los elementos para

caracterizar eléctricamente estructuras MOS. Para iniciar una medición

una punta fina deberá hacer contacto con el metal de compuerta, mientras

el metal de substrato hace contacto con el soporte (del inglés chuck).

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~ 62 ~

Para garantizar el contacto, el chuck está conectado a una bomba de

vacío que genera succión sobre la muestra.

Figura 5.26. Esquema de elementos en caracterización eléctrica.

Para definir el área del metal en películas de SiOx se utilizaron

técnicas de litografía, con una mascarilla de cuadros de 750 micras por

lado, separados por calles de 100 micras. Para las películas de SnOx se

utilizó una mascarilla colocada durante la evaporación de aluminio, la cual

creaba sombra sobre el substrato y forma círculos con un diámetro de 800

micras. La elección de la mascarilla para las películas de SnOx fue evitar

el paso de litografía ya que se desconoce cómo podría interactuar con el

material.

5.2.1 Caracterización I-V

Las curvas Corriente vs Voltaje se realizaron en un barrido de -8 a

8 V para las películas de SiOx, mientras para las películas de SnOx el

barrido se hizo de 4 a -10 V, para ir de la región de inversión a

acumulación. En ambos casos el incremento fue de 0.1 V, tiempo de

barrido de 100 ms y tiempo de retardo de 1 segundo.

Películas SiOx

En la figura 5.27 se presentan los resultados de curvas corriente -

voltaje (I-V) típicas para las muestras depositadas utilizando un blanco de

Page 68: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 63 ~

Si. Se puede apreciar que para voltajes negativos tenemos alta

conducción, mientras en voltajes positivos baja conducción.

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Blanco de Si con

F. de O2 de:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

Figura 5.27. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de Si y diferentes flujos de oxígeno.

Además se observa que la corriente en alta conducción es del

mismo orden indistintamente del F-O2 utilizado, mientras en polarización

positiva se observa que en películas depositadas con mayores F-O2

producen muestras con mayores corrientes de fuga, teniendo una

variación de corriente de fuga de un orden de magnitud (entre 10-8 y 10-7

A). En el caso de la capa depositada sin presencia de oxígeno presentó la

mayor corriente de fuga, superior en 2 órdenes de magnitud (~10-5 A) a

las muestras depositadas en presencia de O2. También se puede apreciar

en la fig. 5.27 que las curvas típicas I-V presentan un comportamiento

asimétrico en voltaje. Además la muestra depositada con un F-O2 de 2

sccm no pasa por 0 V indicando un atrapamiento de carga [26, 39, 41,

50]. Su mínima corriente se encuentra en -0.4 V.

Las muestras depositadas con flujo de oxígeno de 1 y 1.5 sccm

tienen un mínimo de corriente del orden de 10-9 A, mientras las películas

depositadas con flujo de O2 de 0 y 2 sccm tienen corrientes mínimas del

Page 69: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 64 ~

orden de ~2x10-7 A y ~3x10-8 A, respectivamente, lo que sugiere que en la

matriz de SiOx existen aglomerados de SiOx con valores de X entre 0 y 2

por donde fluyen los electrones de metal a semiconductor, o viceversa. Al

retirar la polarización se observa atrapamiento de carga (el material tiene

memoria), concordando con información reportada sobre caracterización

de óxido fuera de estequiometría (SiOx) [39, 40, 46].

Las curvas I-V de las capas de SiOx depositadas con blanco de SiO

se encuentran en la fig. 5.28. El fenómeno de alta conducción sucede en

voltajes negativos y la corriente de fuga en voltajes positivos. La corriente

de fuga se incrementa con mayores F-O2 durante el depósito,

presentando corrientes de 10-9 a 10-5 A para muestras depositadas con F-

O2 de 1 a 2 sccm. En esta figura también se aprecia saltos de corriente

entre 0 y 2 volts en las curvas en color rojo y azul (películas depositadas

con F-O2 de 1 y 2 sccm, respectivamente. Lo anterior implica la posible

existencia de aglomerados de silicio, los cuales forman una cadena de

estados electrónicos que son activados para con diferentes voltajes,

incrementando la corriente que fluye a través de la película de SiOx,

fenómeno descrito en las referencias [39, 40, 46]. La existencia de estos

posibles aglomerados de Si también se ve reflejado en la corriente

mínima, pues para bajos voltajes (cercanos a cero), la corriente medida

es mayor a 10-9 A, como es el caso de las capas depositadas con F-O2 de

0 y 1.5 sccm. También encontramos que la película depositada con un F-

O2 de 1 sccm no pasa por 0 V, presentando la mínima corriente para un

voltaje de -0.2 V, implicando un atrapamiento de carga [26, 39, 41, 50].

Page 70: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 65 ~

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 81E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Blanco de SiO con

F. de O2 de:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

Figura 5.28. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de SiO y diferentes flujos de oxígeno.

Basados en los resultados anteriores, se determinó que las

estructuras MOS Al/SiOx/Si muestran un comportamiento en voltaje vs

corriente asimétrico, similar a un diodo, concordando con algunos trabajos

previos [40]. También se presentan pequeños brincos o saltos como se ha

reportado en trabajos en SRO [39, 46], lo cual es un indicador de que las

películas pueden tener pequeños aglomerados de Si, los cuales se

consideran como cadenas de estados electrónicos por donde existe flujo

de electrones impactando la corriente de fuga [39]. Estos posibles

aglomerados de silicio, los cuales crean estados eléctricos que

almacenan carga, producen un material con memoria [39, 40, 46].

Películas de SnOx

Por otro lado, las capas de SnOx presentan alta conducción para

voltajes positivos y corriente de fuga con voltajes negativos, lo cual es

debido al tipo de substrato (ver sección 4.1.2). En la figura 5.29 se

encuentran las curvas I-V típicas para las muestras de SnOx depositadas

con un flujo de oxígeno de 4 sccm y diferentes potencias. Se aprecia que

una mayor potencia (40 W) da lugar a una mayor corriente de fuga, del

Page 71: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 66 ~

orden de 10-6 A, mientras para los casos restantes (30 y 20 W) dicha

corriente permanece en un orden de magnitud de ~ 10-7 A. Las tres tienen

un comportamiento asimétrico en voltaje. Además la muestra depositada

con una potencia de 40 W no pasa por 0 V, se encuentra desplazada a un

voltaje positivo de 0.5 V, lo que indica un atrapamiento de carga [14].

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Blanco de Sn con

4 sccm F. de O2 y

potencia de:

20 W

30 W

40 W

Figura 5.29. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de Sn y un flujo de O2 de 4 sccm, con diferentes potencias.

En la fig. 5.30 se encuentran las curvas típicas I-V de las muestras

de SnOx depositadas con un F-O2 de 1.5 sccm. En polarización inversa, la

corriente de fuga de la muestra depositada con 100 W es ~10-4 A;

mientras en la muestra depositada con una potencia de 20 W se

encuentra en ~10-7 A, lo que se traduce en que a mayor potencia de

depósito produce películas con mayor corriente de fuga. Para voltajes

positivos, la corriente se incrementa más rápidamente en la muestra con

potencia de depósito de 100 W respecto a la de 20 W. Se presentan estos

resultados con la salvedad del caso, ya que las películas depositadas con

F-O2 de 1.5 sccm no presentaron reproducibilidad.

Page 72: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 67 ~

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 41E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Blanco de Sn con

1.5 sccm de O2 y

Potencia de:

20 W

100 W

Figura 5.30. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de Sn y un flujo de O2 de 1.5 sccm, con diferentes potencias.

Los resultados previos sugieren, que al igual que las películas de

SiOx, la muestras de SnOx pueden tener estados electrónicos debido a

aglomerados de Sn dentro de la matriz de óxido, los cuales permiten el

flujo de electrones de metal a semiconductor. Las películas parecen ser

un material con memoria ya que para voltajes en cero no se obtiene

corrientes pequeñas, indicando un atrapamiento de carga en el material.

En general las estructuras Al/SnOx/Si también muestran un

comportamiento similar a un diodo. Lo anterior coincide con información

reportada de mediciones eléctricas a películas delgadas de SnO2 [47].

5.2.2 Caracterización C-V

Se obtuvieron las curvas Capacitancia vs Voltaje en alta frecuencia,

con una señal AC de 100 KHz, realizando un barrido de -5 a 8 V para las

películas de SiOx, con un incremento de 0.1 V, tiempo de retardo de 1 s y

tiempo de barrido de 100 ms. Debido a que se utilizaron substratos de Si

de alta resistividad para el crecimiento de las capas de SiOx, se realizaron

mediciones de baja frecuencias para obtener el valor de capacitancia de

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~ 68 ~

óxido, ya que los portadores minoritarios no pueden seguir la señal de alta

frecuencia, modificando el comportamiento de las curvas C-V [58]. Las

mediciones de baja frecuencia se hicieron con un señal AC de 10 Hz, con

un barrido de -5 a 5 V, con un incremento de 0.1 V, tiempo de retardo de

10 s y tiempo de barrido de 100 ms.

Películas de SiOx

En la figura 5.31 se presentan las curvas C-V típicas en alta y baja

frecuencia de las películas de SiOx depositadas utilizando el blanco de Si.

Es posible observar en la fig. 531 (a) oscilaciones en la región de

acumulación para las muestras con los flujos de 1, 1.5 y 2 sccm para

voltajes superiores a 1 V, asemejándose a brincos presentes en las

curvas I-V en voltajes de 1 a 2 volts. Este comportamiento también puede

deberse al substrato de alta resistividad. En el caso de la muestra

depositada sin flujo de oxígeno no se aprecia un comportamiento similar a

un capacitor. Lo anterior es resultado de crecer una película sin presencia

de O2 y bombardeando un blanco de Si, formando una capa de Si

depositada sobre un substrato de Si.

De la figura 5.31 (b) se observa que la capacitancia de óxido (Cox)

es superior en un orden de magnitud respecto de la obtenida en alta

frecuencia. Dicho fenómeno se asocia a que los portadores minoritarios

en un substrato de alta resistividad no alcanzan a seguir la señal de alta

frecuencia y la capacitancia máxima se ve modificada [26, 58].

En el caso de las muestras depositadas utilizando el blanco de SiO,

en la fig. 5.32 se presenta las curvas C-V típicas de alta y baja frecuencia.

En la figura 5.32 (a) se encuentra que la muestra crecida con F-O2 2 sccm

presenta oscilaciones para voltajes superiores a 1 V, concordando con

brincos presentes en su curva I-V para un voltaje de 1 V (ver. fig. 5.28).

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~ 69 ~

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Ca

pa

cit

an

cia

(p

F)

Voltaje (V)

Blanco de Si con

F. de O2 de:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

a)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

Ca

pa

cit

an

cia

(p

F)

Voltaje (V)

Blanco de Si

F. de O2 de:

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

b)

Figura 5.31. Curvas típicas de C-V en a) alta y b) baja frecuencia para muestras de

SiOx depositadas utilizando el blanco de Si, con diferentes flujos de O2.

La muestra con flujo de 1 sccm de O2 tiene un comportamiento muy

estable cuando alcanza la etapa de acumulación, lo que implica que los

tratamientos térmicos propiciaron que la película tendiera a ser SiO2 casi

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~ 70 ~

en su totalidad (tendiera a estequiometría). Por otro lado, la película

depositada sin flujo de O2 no tuvo una curva C-V típica de un óxido.

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Ca

pa

cit

an

cia

(p

F)

Voltaje (V)

Blanco de SiO con

F. de O2 de:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

a)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

Ca

pa

cit

an

cia

(p

F)

Voltaje (V)

Blanco de SiO

F. de O2 de:

0 sccm

1 sccm

1.5 sccm

2 sccm

b)

Figura 5.32. Curvas típicas de C-V en a) alta y b) baja frecuencia para muestras de

SiOx depositadas utilizando el blanco de SiO, con diferentes flujos de O2.

Para los resultados C-V de baja frecuencia (ver fig. 5.32 (b)) se

aprecia que las películas depositadas en presencia de O2 tienen una Cox

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~ 71 ~

superior en un orden de magnitud respecto de la C0x obtenida en alta

frecuencia. Además la muestra depositada sin F-O2 presentó un

comportamiento similar a un óxido, con lo que se pudo extraer la

capacitancia de óxido.

Las gráficas de Capacitancia contra Voltaje en alta frecuencia de

las películas de SiOx se asemejan a la curva de un óxido de silicio, al igual

que en otros trabajos de SiOx reportados [29]. Además se aprecian

oscilaciones en la capacitancia cuando la estructura MOS Al/SiOx/Si se

encuentra en acumulación. Esto puede ser resultado de aglomerados de

Si (amorfo o cristalino) que trabajan como estados electrónicos, los cuales

no les da tiempo de responder a la señal AC, alterando la carga en el

óxido y a su vez la carga del capacitor. Comportamientos similares se

presentan para películas de SiOx, donde asocian este comportamiento

con aglomerados de silicio [39, 40, 46]. Sin embargo, estas oscilaciones

también se puede deber al tipo de substrato (alta resistividad). Además

fue necesario realizar mediciones de C-V en baja frecuencia para

determinar la Cox debido a que las películas de SiOx fueron crecidas en

substratos de alta resistividad, lo que implica que los portadores

minoritarios no puedan seguir la señal de alta frecuencia y la capacitancia

máxima se vea afectada [26, 58].

En la tabla 5.9 se presentan los resultados de capacitancia mínima

(Cmin) obtenida de las curvas C-V en alta frecuencia (AF) y capacitancia

máxima o de óxido (Cmax) obtenida de las curvas C-V en baja frecuencia

(BF), para las películas de SiOx. A partir de estos datos se obtuvo la

constante dieléctrica de cada muestra al conocer que mantiene la

relación:

ox

oxox

tC (5)

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~ 72 ~

Donde Cox es la capacitancia de óxido con unidades de pF/cm2, tox

el espesor de óxido en cm y ox es la permitividad de óxido con unidades

de pF/cm, la cual se puede obtener de:

0oxox K (6)

Siendo 0 la permitividad del vacío de 8.8541 x 10-14 F/cm y oxK la

constante dieléctrica del material, en nuestro caso el óxido fuera de

estequiometría (SiOx).

Tabla 5.9. Capacitancia mínima y máxima para películas de SiOx, obtenidas por

curvas C-V en alta y baja frecuencia, respectivamente.

F. de O2

[sccm] Blanco

Espesor

[nm]

Cmin [pF]

AF

Cmax [pF]

BF

0

Si

------ ------ ------

1 21.5 ± 0.4 1.82 2197

1.5 17.4 ± 2.3 1.68 2015

2 15.1 ± 1.6 1.83 1965

0

SiO

49.0 ± 1.0 1.54 621

1 19.2 ± 1.4 4.92 1968

1.5 16.1 ± 3.4 1.94 1933

2 11.1 ± 0.6 2.20 2285

Para obtener capacitancia por unidad de área, se determinó el área

promedio de los contactos de aluminio, la cual fue de 7.50 x 10-3 cm2, con

una desviación estándar de ±0.029 x 10-3 cm2. Considerando sólo los

valores promedios del espesor de las películas, el área promedio de los

contactos y capacitancia de óxido (de curvas C-V en baja frecuencia), se

obtuvieron los resultados de capacitancia por unidad de área que se

muestran en la tabla 5.10. También en esa misma tabla se encuentran el

valor de la permitividad y constante dieléctrica de cada película.

Page 78: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 73 ~

Tabla 5.10. Capacitancia de óxido, permitividad y constante dieléctrica para las

películas de SiOx

F. de O2

[sccm] Blanco

Espesor [cm]

x 10-7

C0x [pF/cm2]

x 105

ε0x [pF/cm] Kox

0

Si

------ ------ ------ ------

1 21.5 2.93 0.630 7.113

1.5 17.4 2.69 0.467 5.280

2 15.1 2.62 0.396 4.468

0

SiO

49.0 0.83 0.405 4.582

1 19.2 2.62 0.504 5.690

1.5 16.1 2.58 0.415 4.687

2 11.1 3.05 0.338 3.819

Los valores de la constante dieléctrica en la mayoría de las

películas de SiOx se encuentran por debajo de la constante de Si (KSi =

12) y SiO (KSiO=6) pero sobre la constante dieléctrica de SiO2 (KSiO2 = 3.9)

[49 - 51]. Esto indica un posible exceso de Si en las películas de SiOx,

donde X se encuentra entre 1 y 2. Los resultados de permitividad de óxido

de muestras depositadas con F-O2 de 1 sccm, en ambos blancos, son

similares a valores reportados en películas de SiOx con exceso de silicio

de ~17 % [59], mientras que los valores para las muestras depositadas

con F-O2 de 1.5 sccm de ambos blancos y la muestra depositadas sin F-

O2 utilizando blanco de SiO, tienen valores similares a películas de SiOx

con un exceso de silicio de ~14 % [59]. Finalmente las muestras

depositadas con F-O2 de 2 sccm, de ambos blancos, tiene una

permitividad de óxido cercana a la del SiO2 [51].

Películas de SnOx

Para las muestras de SnOx no fue posible medir curvas C-V ya que

por ser conductivas, el equipo no realizaba lecturas en voltajes menores a

-1 V, con lo que solo se obtuvieron fragmentos de la curva, sin llegar a

resultados concluyentes.

Page 79: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 74 ~

CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES

Se encontraron las condiciones de depósito en un sistema

sputtering, que permiten obtener razones de depósito alrededor de 4

nm/min para las películas de SiOx y SnOx, utilizando blancos de Si o SiO y

Sn en presencia de oxígeno, respectivamente.

Se encontró la relación entre el flujo de oxígeno y la razón de

depósito en las películas de SiOx y SnOx. También se determinó que para

las muestras de SnOx el flujo de oxígeno que permite obtener razones de

depósitos estables y controlables es 4 sccm.

Se estudio el índice de refracción para las películas de SiOx y

SnOx, antes y después de cada tratamiento térmico. En el caso de las

películas de SiOx se observó que el índice de refracción disminuye

después del recocido, acercándose al índice del SiO2, sugiriendo que las

películas se acercan a estequiometría. Por otro lado, algunas películas de

SnOx mostraron valores de índice de refracción por debajo a valores

reportados para SnO2 y son, además fueron similares después de los

tratamientos térmicos.

Asimismo se estudió la composición de las películas de SiOx y

SnOx antes y después de los tratamientos térmicos mediante FTIR. Se

encontró que la composición de las capas de SiOx es dependiente del

flujo de oxígeno. Además se observó que las películas de SiOx recién

depositadas contaban con un modo de vibración relacionado con una

matriz fuera de estequiometría, el cual se aplana con los tratamientos

térmicos, a excepción de la muestra depositada sin flujo de oxígeno y

blanco de SiO donde se incrementa éste modo a través de las diferentes

Page 80: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 75 ~

temperaturas de recocido. Después de los tratamientos térmicos se

observó el incremento en modos de vibración asociados al óxido de

silicio, sugiriendo que el material se acerca a estequiometría., implicando

un posible exceso de Si.

Se encontró que en las capas de SnOx los espectros de absorción

muestran modos de vibración en el rango de 400 a 700 cm-1, presentando

mayor magnitud en muestras con flujos de oxígeno y potencias mayores.

Con los tratamientos térmicos se observa que en las películas existió una

descomposición de de enlaces Sn – OH y un incremento en el número

enlaces Sn – O.

Se encontró FL en el azul en películas de SiOx recién depositadas

en presencia de oxígeno. Sin embargo después del primer tratamiento

térmico el espectro se apagó. En el caso de la muestra depositada

utilizando blanco de SiO y sin flujo de oxígeno se encontró que

presentaba emisión en el azul-rojo después del tratamiento a 600 ºC e

incrementaba la magnitud de emisión con los subsecuentes tratamientos,

siendo la intensidad 3 y media veces mayor después del tratamiento

térmico a 1100 ºC. Estos resultados se relacionaron con resultados de

elipsometría y resultados de FTIR.

Se encontró que películas de SnOx recién depositadas no

presentaban emisión. Después de los tratamientos térmicos algunas

muestras depositadas con F-O2 de 1.5 sccm mostraron una respuesta

luminiscente, las cuales son mencionadas con la salvedad del caso.

Se obtuvo una relación directamente proporcional entre las

películas SiOx depositadas en presencia de oxígeno y la rugosidad de su

superficie. Después de someter las muestras a los tratamientos térmicos

la superficie de las capas se alisó, disminuyendo la rugosidad promedio,

coincidiendo con resultados anteriores de elipsometría y FTIR, que

Page 81: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 76 ~

muestran que la matriz tiende a ser un material en estequiometría con las

aleaciones.

Se reveló que la rugosidad de la superficie para películas de SnOx

no tenía relación directa con la potencia de depósito y flujo de oxígeno.

Después de los tratamientos térmicos la rugosidad de las muestras no

presentó grandes variaciones.

Se estudió las curvas Voltaje vs Corriente en estructuras MOS

Al/SiOx/Si y Al/SnOx/Si, presentando un comportamiento V vs I asimétrico,

similar a un diodo, en ambos casos. Además se aprecio atrapamiento de

carga para algunas muestras de ambas estructuras. En el caso de las

capas de SiOx se observó que la corriente de fuga es función del flujo de

oxígeno, registrando mayores corrientes de fuga para mayores flujos de

O2. También se encontraron brincos en corriente en voltajes positivos, los

cuales pueden estar relacionados con aglomerados de Si dentro de la

matriz. Por otro lado, se halló que las muestras de SnOx depositadas con

mayor potencia son más conductivas, cumpliéndose para ambos flujos de

oxígeno (1.5 y 4 sccm), con corrientes de fuga más grandes en

comparación con las capas de SiOx. En general las películas de SnOx son

más conductivas que las películas de SiOx.

También se estudió el comportamiento en curvas capacitancia vs

voltaje en estructuras tipo MOS Al/SiOx/Si en alta y baja frecuencia, donde

los capacitores cuyo dieléctrico se obtuvo con F-O2 de 2 sccm

presentaron curvas C-V en alta frecuencia similares a curvas de

capacitores con óxido de silicio. También se determinó la constante

dieléctrica en las películas de SiOx depositadas en presencia de oxígeno y

se comparó con valores reportados en películas de SRO con diferentes

excesos de Si. El Resultado sugiere que se tienen películas con exceso

de silicio entre 14% y 17% con F-O2 menores a 2, mientras las muestras

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~ 77 ~

depositadas con F-O2 de 2 sccm presentan valores de constante

dieléctrica muy cercana al valor de SiO2.

TRABAJO FUTURO

Una vez conocidas las condiciones de depósito que permiten

obtener razones de depósito controlables y correlacionarlas con las

características ópticas, morfológicas y de emisión que se obtienen, se

buscará realizar crecimientos utilizando blanco de SiO y flujos entre 0 y 1

sccm, con la finalidad de determinar el flujo de oxígeno que permita

obtener la mejor respuesta luminiscente. De la misma manera, también se

realizarán depósitos aplicando temperatura al substrato, con la finalidad

de mejorar la adherencia y disminuir la porosidad de las películas.

En el caso particular de las películas de SnOx se buscarán hacer

depósitos con diferentes flujos de oxígeno, potencia de depósito y

temperatura de substrato para encontrar las condiciones que permitan

obtener películas con mejores propiedades luminiscentes.

Finalmente se estudiarán los resultados de las nuevas películas

para proponer la fabricación de multicapas, las cuales alternen capas

conductivas con capas luminiscentes.

Page 83: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 78 ~

TRABAJOS DERIVADOS DE LA TESIS

1. “Characterization and Fabrication of SiOx Nano-metric Films,

obtained by Reactive Sputtering”. J. Alarcón-Salazar, M. Aceves-

Mijares, S. Román-López, C. Falcony. CCE 2012, México D.F.

2. “SiOx Films Obtained by Reactive Sputtering and their Optical,

Morphological and Emission Characteristics”. J. Alarcón-Salazar,

M. Aceves-Mijares, S. Román-López, C. Falcony. International

Workshop on Advanced Materials for Optoelectronics and Related

Physics October 2012, Tonantzintla, Puebla, México.

Page 84: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 79 ~

Lista de Figuras

Capítulo 2

Figura 2.1. Esquema básico de un sistema sputtering………………………….……………6

Figura 2.2. Gráfica de rendimiento de un sistema sputtering dependiendo de la energía

del ion, utilizando Ar+, para silicio y estaño [22]…………………………………………….…7

Figura 2.3. Modelo de la analogía entre un sputtering y un juego de billar………………...8

Figura 2.4. a) Esquema de una colisión binaria que da lugar al desprendimiento de un

átomo de la superficie del blanco y b) procesos resultantes de la colisión de un ion con el

blanco……………………………………………………………………………………………....9

Figura 2.5. Elementos que componen a un sistema sputtering RF……………………..…12

Figura 2.6. Movimiento de un electrón expulsado de la superficie del blanco, sujeto a un

campo magnético paralelo a la superficie y a un campo eléctrico que decrece

linealmente…………………………………………………………………………………….…13

Capítulo 3

Figura 3.1. Esquema de un elipsómetro [26]…………………………………………..……..17

Figura 3.2. Esquema simplificado de un espectrómetro por transformada de Fourier

[24]……………………………………………………………………………………………...…19

Figura 3.3. Esquema de las principales transiciones observadas en

Fotoluminiscencia.……………………………………………………………………………….20

Figura 3.4. Esquema de un sistema para caracterización fotoluminiscente [26]….……..21

Figura 3.5. Esquema básico de los principales elemento de un AFM……………….…….22

Capítulo 4

Figura 4.1. Electrómetro modelo 6517A………………………………………………………29

Figura 4.2. Diagrama de conexión del electrómetro al dispositivo de prueba…………....30

Capítulo 5

Figura 5.1. Razón de depósito contra flujo de O2 utilizado durante el depósito, para

blanco de Si y SiO……………………………………………………………………………….32

Figura 5.2. Gráfica del índice de refracción contra del flujo de O2 utilizado durante el

crecimiento de muestras de SiOx depositadas con blanco de Si……………………….….33

Figura 5.3. Gráfica del índice de refracción contra del flujo de O2 utilizado durante el

crecimiento de muestras de SiOx depositadas con blanco de SiO………………………...34

Figura 5.4. Razón de depósito respecto de la potencia de depósito, para las muestras de

SnOx, con un flujo de O2 de 4 sccm…………………………………………………………...37

Page 85: Jesús Alarcón Salazar...demanda técnicas de fabricación con un mejor control de crecimiento, las cuales permitan obtener espesores en el rango nano-métrico. Una de las técnicas

~ 80 ~

Figura 5.5. Espectro de absorción en a) muestras con diferente flujo de O2 de depósito

sin tratamiento térmico (STT) y b) en muestra con un flujo de O2 de 2 sccm utilizado

durante el depósito y diferentes tratamientos térmicos. En ambos casos blanco de

Si………………………………………………………………………………………………..…39

Figura 5.6. Espectros de absorción para muestras depositadas usando blanco de Si con

diferentes flujos de O2, para tratamiento térmico a: a) 600, b) 900 y c) 1100 ºC, 30

minutos en N2 cada uno……………………………………………………………………..….40

Figura 5.7. Espectro de absorción en a) muestras con diferente flujo de O2 sin

tratamiento térmico (STT) y b) en muestra con un flujo de O2 de 2 sccm con diferentes

tratamientos térmicos. En ambos casos blanco de SiO……………………………………41

Figura 5.8. Espectros de absorción para muestras depositadas usando blanco de SiO

con diferentes flujos de O2, para tratamiento térmico a: a) 600, b) 900 y c) 1100 ºC, 30

minutos en N2 cada uno……………………………………………………………………..…42

Figura 5.9. Espectro de absorción de películas de SnOx depositadas con flujo de O2 de a)

1.5 sccm y b) 4 sccm, sin tratamiento térmico……………………………………………….45

Figura 5.10. Espectro de absorción de películas de SnOx depositadas con flujo de O2 de

a) 1.5 sccm y b) 4 sccm, con tratamiento térmico a 600 ºC en N2………………………....46

Figura 5.11. Espectro de absorción de películas de SnOx depositadas utilizando flujo de

O2 de 1.5 sccm, con tratamiento térmico a 700 ºC en vacío………………………………..46

Figura 5.12. Respuesta luminiscente en películas de SiOx recién depositadas con

diferentes flujos de O2, utilizando blanco de a) Si y b) SiO…………………………………47

Figura 5.13. Respuesta luminiscente, en películas de SiOx depositadas con diferentes F-

O2 y aleadas a 600 ºC en N2, usando blanco de a) Si y b) SiO………………………….…48

Figura 5.14. Respuesta luminiscente en películas de SiOx depositadas con diferentes F-

O2 y aleadas a 900 ºC en N2, utilizando blanco de a) Si y b) SiO…………………………48

Figura 5.15. Respuesta luminiscente en películas de SiOx depositadas con diferentes F-

O2 y aleadas a 1100 ºC en N2, utilizando blanco de SiO...…..……………………………..49

Figura 5.16. Respuesta luminiscente en película de SiOx depositada sin flujo de oxígeno

y blanco de SiO, con diferentes tratamientos térmicos……………………………………...50

Figura 5.17. Respuesta luminiscente en películas de SnOx recién depositadas utilizando

flujo de oxígeno de a) 1.5 sccm y b) 4 sccm………………………………………………….51

Figura 5.18. Respuesta luminiscente en películas de SnOx depositadas con flujo de

oxígeno de 1.5 sccm y TT’s en a) N2 a 600 ºC y b) Vacío a 700 ºC………………...…….51

Figura 5.19. Imágenes en 3D y 2D de la superficie de las película depositada con blanco

de Si y F-O2 de 2 sccm, sin TT (a), TT a 600 ºC (b), TT a 900 ºC (c) y TT a 1100 ºC (d),

respectivamente……………..…………………………………….……………….…………...53

Figura 5.20. Gráfica de rugosidad promedio para las películas depositadas con blanco de

Si, después de cada tratamiento térmico…………………………………………………..…54

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Figura 5.21. Imágenes en 3D y 2D de la superficie de las películas depositadas con

blanco de SiO y flujos de O2 de 0 y 2 sccm, sin TT (a), TT a 600 ºC (b), TT a 900 ºC (c) y

TT a 1100 ºC (d)………………………………………………………………….……..……….55

Figura 5.22. Gráfica de rugosidad promedio para las películas depositadas con blanco de

Si0, después de cada tratamiento térmico…………………………..………………………..56

Figura 5.23. Imágenes 3D y 2D de la superficie en las muestras de SnOx recién

depositadas con: a) 1.5 sccm de O2 y 20 W, b) 4 sccm de O2 y 40 W, y c) 1.5 sccm de O2

y 100 W………………………………………………………..………………………………....58

Figura 5.24. Imágenes 3D y 2D de la superficie en las muestras de SnOx depositadas

con: a) 1.5 sccm de O2 y 20 W, b) 4 sccm de O2 y 40 W, y c) 1.5 sccm de O2 y 100 W,

con TT a 600 ºC…………………………….……………………………………………………59

Figura 5.25. Esquema de un capacitor MOS donde las películas de SiOx o SnOx fungen

como óxido…………………………………………………………………………………….....61

Figura 5.26. Esquema de elementos en caracterización eléctrica…….……………….….62

Figura 5.27. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de Si y diferentes flujos de oxígeno………………………………………...………..63

Figura 5.28. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de SiO y diferentes flujos de oxígeno ………………………………………..…..….65

Figura 5.29. Curva típica de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con blanco

de Sn y un flujo de O2 de 4 sccm, con diferentes potencias……………………………….66

Figura 5.30. Curvas típicas de Corriente vs Voltaje para muestras depositadas con

blanco de Sn y un flujo de O2 de 1.5 sccm, con diferentes potencias……………………..67

Figura 5.31. Curvas típicas de C-V en a) alta y b) baja frecuencia para muestras de SiOx

depositadas utilizando el blanco de Si, con diferentes flujos de O2………………………..69

Figura 5.32. Curvas típicas de C-V en a) alta y b) baja frecuencia para muestras de SiOx

depositadas utilizando el blanco de SiO, con diferentes flujos de O2……………………..70

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Lista de Tablas

Capítulo 4

Tabla 4.1. Condiciones de depósito de películas SiOx………………………………..…….25

Tabla 4.2. Condiciones de depósito de películas SnOx……………………………………..26

Tabla 4.3. Características de electrómetro modelo 6517A ……………...…………...…….30

Capítulo 5

Tabla 5.1. Resultados de espesor e índice de refracción para muestras de SiOx recién

depositadas……………………………………………………………………………………....31

Tabla 5.2. Resultados de índice de refracción para muestras de SiOx recién depositadas

(STT) y después de cada Tratamiento Térmico (TT)…………..……………………………35

Tabla 5.3. Resultados de espesor e índice de refracción para muestras de SnOx recién

depositadas……………………………………………………..………………………………..36

Tabla 5.4. Resultados de índice de refracción para muestras de SnOx recién depositadas

(STT) y después del Tratamiento Térmico (TT) a 600 ºC en N2……………….…………..38

Tabla 5.5. Resumen del número de onda de los modos de vibración antes y después de

cada tratamiento térmico (TT) en muestras de blanco de Si……………………………….43

Tabla 5.6. Resumen del número de onda de los modos de vibración antes y después de

cada tratamiento térmico (TT) en muestras de blanco de SiO……………………………..44

Tabla 5.7. Resultados de rugosidad en películas de SiOx antes y después de cada

tratamiento térmico (TT)………………………………………………………………………...57

Tabla 5.8. Resultados de rugosidad en películas de SnOx antes y después del

tratamiento térmico (TT) a 600 ºC………………………………………...…………………...60

Tabla 5.9. Capacitancia mínima y máxima para películas de SiOx, obtenidas por curvas

C-V en alta y baja frecuencia, respectivamente ………………………………………….…72

Tabla 5.10. Capacitancia de óxido, permitividad y constante dieléctrica para las películas

de SiOx…………………………………………………………………………….……………..73

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