“texturizado de obleas de c-si utilizando el sistema de
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Universidad Politécnica de Sinaloa
Programa académico de Ingeniería en energía
“TEXTURIZADO DE OBLEAS DE C-SI
UTILIZANDO EL SISTEMA DE
GRABADO RIE”
JOSÉ EDUARDO BELTRÁN LÓPEZ
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesores:
Dr. Mario Moreno Moreno
Dr. Eber Enrique Orozco Guillen
Mazatlán- Sinaloa, enero de 2016
2
Dictamen de aprobación
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Dedicatoria
A mí querida familia, maestros y amigos.
“Si la sociedad continúa desarrollándose por los mismos cauces que sigue
actualmente, la especialización, de manera ineludible, irá en aumento. Los
hombres serán considerados, más cada vez, no como individuos, sino como la
personificación de determinadas funciones sociales.”
Aldous Huxley
4
Agradecimientos
Al Instituto Nacional de Astronomía, Óptica y Electrónica por haberme apoyado en
todas las formas posibles tanto en la elaboración de este trabajo como en la
experiencia académica lograda, especialmente al Dr. Mario Moreno por haberme
abierto las puertas del instituto y asesorado en las actividades desarrolladas.
Así mismo, me gustaría agradecer a la Universidad Politécnica de Sinaloa por
haber sido mi casa de estudios y haberme brindado la oportunidad de cursar el
programa de Ingeniería en energía.
5
Resumen
En este trabajo se estudia experimentalmente el proceso de texturizado en obleas
de c-Si utilizando el sistema de grabado RIE (Grabado iónico reactivo) para su uso
en celdas solares mediante la reducción de su reflectancia, utilizando sustratos de
silicio tipo P pulidos por una cara, CZ (100). Se presentan resultados de grabado
variando los parámetros de presión, flujo de gases y potencia, con una limpieza de
O2 previa al proceso, con el fin de encontrar el ajuste óptimo para el grabado del
sustrato mencionado. Los gases reactivos que se utilizan son el hexafluoruro de
azufre (SF6) mezclado con oxígeno (O2). Las muestras texturizadas son probadas
en un laboratorio óptico para determinar el ajuste óptimo de cada etapa a través
de la medición de su reflectancia en el rango de 400-700 nm de longitud de onda.
Palabras clave: Silicio monocristalino, grabado seco RIE, celda solar.
Abstract
In this report the textured c-Si wafers process is experimentally studied using the
RIE system (reactive ion etching) for its use in solar cells by reducing its
reflectance using P-type silicon substrates polished on one side , CZ (100).
Engraving results are presented varying the parameters of pressure, power and
gas flow, with a pre-cleaning process with O2, in order to find the optimum setting
for etching on the substrate. The reactive gases used are sulfur hexafluoride (SF6)
mixed with oxygen (O2). The textured samples are tested in an optical laboratory to
determine the optimal setting in each stage by measuring its reflectance in the
range of 400-700 nm wavelengths.
Keywords: monocrystalline silicon, RIE dry etching, solar cell.
6
Índice
Introducción………………………………………………………………………………10
Capítulo 1: Marco contextual……………………………………………..…………….12
1.1. INAOE………………………………………………………..……………12
1.1.1 Antecedentes de la institución………………………………….12
1.1.2 Espacio geográfico de la institución……………………………12
1.1.3 Personal de microelectrónica…………………….…………..…17
1.2 Planteamiento del problema………………………………..…………..18
1.3 Justificación…………………………………………………………....…19
1.4 Objetivos……………………………………………………………..……19
1.4.1 Objetivo general………………………………………………….19
1.4.2 Objetivos específicos…………………………………………….19
Capítulo 2: Marco teórico……………………………………………………………….21
2.1 Equipo RIE (Reactive-Ion Etching)………………………………..………21
2.2 Reflectancia en la fabricación de celdas solares………………..………22
Capítulo 3: Metodología………………………………………….………………..……23
3.1 Utilización del equipo de grabado RIE…………………………..……….24
3.2 Limpieza de obleas de silicio cristalino…………………………..……….28
3.3 Etapa 1. Variación de la presión…………………………………..………29
3.4 Etapa 2. Variación de flujo de gases………………………………………29
3.5 Etapa 3. Variación de la potencia………………………………………….30
Capítulo 4: Resultados y discusión…………………………..………………………..32
4.1 Etapa 1. Variación de la presión…………………………………...………32
4.1.1 Reflectancia de las muestras………….………………..…….….34
7
4.2 Etapa 2. Variación del flujo de gases……………….……………………..35
4.2.1 Reflectancia de las muestras………………………….…………36
4.3 Etapa 3. Variación de potencia…………………………………...………..37
4.3.1 Reflectancia de las muestras…………………………………….38
Capítulo 5: Conclusiones y recomendaciones……………………………….……….39
Bibliografía…………………………………………………………………..……………40
8
Índice de figuras
Figura 1. Localización del INAOE...........................................................................13
Figura 2. Mapa de las instalaciones……………………………………….…………..14
Figura 3. Laboratorio de microelectrónica…………………..……………………...…17
Figura 4. Organigrama del departamento de microelectrónica…………………..…17
Figura 5. Reflectancia de la radiación en un grabado piramidal………………..…..22
Figura 6. Equipo de grabado RIE……………………………………………….……..23
Figura 7. Electrodo en la cámara del RIE…………………….……………….………24
Figura 8. Controlador de nitrógeno………………………………………….…………24
Figura 9. Cámara del RIE………………………………………...…………………….25
Figura 10. Controlador de la electroválvula…………………………………….……..25
Figura 11. Baratrón………………………………………………………………………25
Figura 12. Controlador de la bomba turbo………………….….…………….....…….26
Figura 13. Controlador de flujo de masa……………………………………….……..26
Figura 14. Perillas de los capacitores………………….………………………...……27
Figura 15. Controlador de potencia…………………….…..….………………..……..27
Figura 16. Encendido de la potencia “RF power”……………………………...……..27
Figura 17. Reflectancia inicial de una muestra……………………………………….32
Figura 18. Gráfico de la reflectancia de las muestras (etapa 1)………………..…..34
Figura 19. Gráfico de la reflectancia de las muestras (etapa 2)………………....…36
Figura 20. Gráfico de la reflectancia de las muestras (etapa 3)……………………38
9
Índice de tablas
Tabla1. Parámetros usados en la limpieza de las obleas……………………..…….28
Tabla 2. Parámetros utilizados en la etapa 1, variando
únicamente la presión………………………………………………………..………….29
Tabla 3. Parámetros utilizados en la etapa 2, variando
únicamente el flujo de gases…………………………………………………..……….30
Tabla 4. Parámetros utilizados en la etapa 3, variando
únicamente la potencia………………………………………………………...…..……31
Tabla 5. Parámetros utilizados en la etapa 1 con fotografía
de las muestras texturizadas……………………………………………………...……33
Tabla 6. Parámetros utilizados en la etapa 2 con fotografía
de las muestras texturizadas……………………………………………………...……36
Tabla 7. Parámetros utilizados en la etapa 3 con
fotografía de las muestras texturizadas…………………………….……………...….37
Tabla 8. Parámetros óptimos de grabado………………………………………...…..39
10
Introducción
Actualmente la fabricación de celdas solares requiere de un proceso que permita
reducir la reflectancia que presentan las obleas de silicio sin generar costos
adicionales o perturbando las propiedades de los sustratos. Por lo cual, nuevas
alternativas de grabado deben ser consideradas para aumentar la eficiencia de las
celdas. En este sentido existen procesos tales como el grabado húmedo y el
grabado seco.
El grabado húmedo de obleas de silicio cristalino es limitado en las dimensiones
de las estructuras generadas en el sustrato por los grabantes comúnmente
utilizados para estas aplicaciones. En el caso del grabado seco, particularmente
por el método RIE (grabado iónico reactivo), este puede generar estructuras de
grabado más definidas, y estas pueden ajustarse al variar distintos parámetros del
grabado, tales como presión, potencia, flujo de gases y tiempo de grabado, de
forma que se ajustan los componentes físicos y químicos de grabado [1].
Para la presente tesina se realizaron pruebas en un equipo de grabado RIE
usando sustratos de silicio tipo P pulidos por una cara, CZ (100), a los cuales se
variaron los parámetros de presión, flujo de gases y potencia de grabado. Cada
variable se ajustó en una etapa, por lo cual fueron realizadas 3 etapas para
encontrar los parámetros óptimos de grabado, para lo cual se llevó a cabo una
limpieza previa con O2, durante la cual se remueven las impurezas localizadas en
la superficie de los sustratos.
En la etapa 1 del texturizado se encontró el valor de presión óptimo para el
grabado del sustrato en cuestión, para lo cual este se varió desde 1-25 mTorrs.
La etapa 2 consistió en variar el flujo de SF6 desde 25-40 sccm, con un flujo
constante de O2 de 10 sccm, mientras que la presión utilizada fue la encontrada
como optima en la etapa 1.
La etapa 3 estuvo enfocada en encontrar el ajuste de potencia óptimo para la
presión y flujo de SF6 con mejores resultados en la etapa 1 y 2.
11
Tales resultados (fotografía de las muestras grabadas y graficas de reflectancia)
se presentan en el capítulo 4, seguidos de las conclusiones a las que se llegó en
el capítulo 5.
12
Capítulo 1: Marco contextual
1.1 INAOE
El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) es un centro de
investigación ubicado en el pueblo de Tonantzintla, municipio de San Andrés
Cholula, en el estado de Puebla. Además, es un centro de educación superior con
programas de calidad certificada en maestría y doctorado en astrofísica, óptica,
electrónica y ciencias computacionales. Sus principales objetivos son:
Preparar investigadores, profesores especializados, expertos y técnicos en
astrofísica, óptica y electrónica.
Procurar la solución de problemas científicos y tecnológicos relacionados
con las citadas disciplinas.
Orientar sus actividades de investigación y docencia hacia la superación de
las condiciones y resolución de los problemas del país [2].
1.1.1 Antecedentes de la institución
El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) fue creado por
decreto presidencial el 11 de noviembre de 1971 como un organismo
descentralizado, de interés público, con personalidad jurídica y patrimonio propio,
ubicado en Tonantzintla, Puebla.
EL INAOE es heredero de una gran tradición científica que data de 1942, cuando
Luis Enrique Erro fundó el Observatorio Astrofísico Nacional de Tonantzintla. En
aquel entonces, Tonantzintla se escogió como el lugar idóneo para la instalación
del Observatorio, el cual cumplía con las exigentes normas de calidad como
noches despejadas y en cantidad por año, así como altura geográfica y mínima
incidencia luminosa de poblaciones cercanas, ya que en la capital de la República
no era posible instalar un moderno Observatorio.
13
En 1972 se fundó el Departamento de Óptica, y dos años después inició sus
actividades el Departamento de Electrónica. Desde su creación uno de los
principales objetivos del INAOE ha sido la preparación de investigadores jóvenes,
capaces de identificar y resolver problemas científicos y tecnológicos en
astrofísica, óptica, electrónica y áreas afines. En 1972 se iniciaron los estudios de
maestría en Óptica y en 1974 los de Electrónica. En 1984 se inició el programa de
doctorado en Óptica, y en 1993 los programas de doctorado en Electrónica; así
como la maestría y doctorado en Astrofísica. Finalmente, en agosto de 1998 se
inició el programa de maestría y doctorado en Ciencias Computacionales [2].
1.1.2 Espacio geográfico de la institución
INAOE se encuentra ubicado en el estado de Puebla, en un pueblo llamado
Tonantzintla en el municipio de San Andrés Cholula.
Figura 1. Localización del INAOE en el municipio San Andrés Cholula [3].
14
INAOE cuenta con una gran cantidad de edificaciones entre las que se
encuentran laboratorios, talleres, salones de clase, bungalows y demás
instalaciones para facilitar el desarrollo de investigación, tal y como se puede
observar en el mapa de su sitio web.
Figura 2. Mapa de las instalaciones [4].
Dónde:
1. Zona Habitacional
A. Cabaña
B. Bungalows (1-6)
C. Bungalows (7-24)
D. Bungalows (25-37)
2. Comedor
3. Bodega
4. Estacionamiento General
5. Edificio Docente
1. Dirección de Formación Académica
2. Cubículos de Estudiantes
3. Sala de Usos Múltiples
6. Centro de Información
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1. Auditorio
2. Biblioteca
6A. Anexo Biblioteca
7. Caseta de Vigilancia/Entrada Principal
8. Estacionamiento Oficial
9. Archivo Histórico
10. Edificio de Administración
o Dirección de Administración y Finanzas
o Dirección de Desarrollo Tecnológico
o Dirección de Investigación
o Dirección General
11. Coordinaciones Académicas
o Astrofísica
o Óptica
o Electrónica
12. Auditorio Docente
13. Laboratorios de Óptica
14. Vestidores
15. Alberca
16. Bungalow 5
o Sala Braulio Iriarte
o Difusión Científica
o Laboratorio de Robótica
17. Cámara Schmidt
18. Edificio de Ciencias Computacionales
o Administración General de Cómputo
o Cubículos de Investigadores
o Coordinación de C. Computacionales
o Salón de Usos Múltiples
19. Bungalow 3 (Dirección General)
20. Edificio de Nanoelectrónica
21. Bungalows 1-2
16
o Departamento de Logística
o SUTINAOE
o Enfermería
o Sala de Eventos
22. Edificio GTM
23. Bungalow 4
24. Edificio Enrique Chavira
o Sala de Placas
o Cubículos de Estudiantes
25. Bungalows 6-7
26. Edificio de Microelectrónica
27. Lab. de Instrumentación (Visión por Computadora)
28. Taller de Mantenimiento
29. Almacén General
30. Taller Mecánico
31. Lab. de Superficies Asféricas
32. Edificio de Desarrollo Tecnológico
o Centro de Ingeniería
o Taller de Diseño Mecánico
33. Taller de Óptica
34. Telescopio Solar
35. Caseta de Astrofísica
36. Oficina de Mantenimiento
Las actividades realizadas durante las estancias se llevaron a cabo en el
laboratorio de microelectrónica (26), en el área MOS de las instalaciones, el cual
comenzó su construcción en 1972 e inicio sus actividades en 1974. A partir de
entonces se han desarrollado tecnologías de fabricación de Circuitos Integrados
(CIs) primero con tecnología Bipolar, después NMOS y finalmente CMOS. Es, a la
fecha, el único laboratorio en el país con capacidad de fabricar CIs a partir de
obleas de silicio. El desarrollo y consolidación de la Coordinación de Electrónica,
17
ha resultado en un incremento tanto en el equipo de fabricación como de
caracterización de dispositivos y CIs [5].
Figura 3. Laboratorio de microelectrónica
1.1.3 Personal de microelectrónica
Actualmente, en esta Coordinación se realizan actividades de investigación,
desarrollo tecnológico y formación de recursos humanos en las áreas de
dispositivos electrónicos, tecnología de fabricación de dispositivos y circuitos
integrados en silicio, diseño de circuitos integrados, desarrollo de CAD,
verificación de circuitos y sistemas electrónicos VLSI, Instrumentación Electrónica
y Sistemas de Comunicaciones [5].
Figura 4. Organigrama del departamento de microelectrónica.
Ramírez Cortés, Juan Manuel
Coordinador de Electrónica
Rosales Quintero, Pedro
Jefe del Laboratorio de Microelectrónic
Alarcón Peña J. Pablo
Tecnico en investigación
Alvarez Ledezma Juan Manuel Tecnico en investigación
Hernández Flores Armando Tecnico en investigación
Itzmoyotl Toxqui Adrián
Tecnico en investigación
Torres Jácome, Alfonso
Jefe del Laboratorio de LI-MEMS
Moreno Moreno, Mario
Representante Docente de Electrónica
18
1.2 Planteamiento del problema
El desarrollo de las energías renovables presenta grandes obstáculos por su
inmadurez en comparación a las fuentes de energía más utilizadas, sin embargo
cuenta con un amplio potencial de desarrollo, principalmente en la producción de
energía fotovoltaica.
La utilización de celdas solares ha venido en aumento en los últimos años, pero su
baja eficiencia ha puesto en duda su utilización en instalaciones que requieren una
cantidad considerable de energía eléctrica. Una gran pérdida de eficiencia se
encuentra en su fabricación, ya que generalmente presentan un porcentaje de
reflectancia de la radiación incidente del 35%, lo cual genera un gran desperdicio
de energía y eficiencia. Si se toma en cuenta que el fin mismo de una celda solar
es la absorción de energía proveniente de la radiación, resulta evidente la
necesidad de reducir el porcentaje de reflectancia de las celdas solares
comerciales, y de esta forma contribuir a sitiar en un futuro cercano a la energía
solar como una de las fuentes principales de producción eléctrica.
El proceso comúnmente utilizado para reducir la reflectancia de la radiación
incidente en la fabricación de celdas solares es el grabado húmedo de las obleas
de silicio cristalino, el cual consiste en remover el silicio en todas direcciones
mediante la inmersión de la oblea en una solución que contiene el grabante
químico, sin embargo este proceso genera grandes desperdicios que incrementan
el costo de producción de las celdas solares, por lo que se vuelve necesario la
utilización de procesos alternativos para la reducción del porcentaje de reflectancia
en las obleas de silicio cristalino.
19
1.3 Justificación
La fabricación de celdas solares requiere un proceso distinto al grabado húmedo
para reducir la reflectancia de las obleas de silicio cristalino. El sistema de grabado
RIE permite el texturizado de estas obleas mediante un proceso seco que no
genera desperdicios, de forma que no provoca costos adicionales en la producción
comercial de las celdas solares. Así mismo, este proceso permite obtener incluso
una menor reflectancia que los grabados húmedos más utilizados. La mejora de
eficiencia en celdas solares permitirá un aumento en la utilización de energía solar
fotovoltaica, de una forma más accesible y de mejor calidad.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo general
Realizar pruebas de grabado en obleas de silicio cristalino pulidas por un
lado para obtener los parámetros óptimos de texturizado, con el fin de
encontrar la menor reflectancia posible de las muestras.
1.4.2 Objetivos específicos
Aprender a realizar el proceso de texturizado en obleas de c-Si utilizando el
sistema de grabado RIE en el área MOS del laboratorio de
microelectronica, usando sustratos de silicio tipo P pulidos por una cara, CZ
(100).
Encontrar la presión de texturizado optima realizando pruebas de grabado
variando únicamente la presión, manteniendo el resto de parámetros
constantes.
Encontrar la potencia de texturizado optima realizando pruebas de grabado
variando únicamente la potencia, manteniendo el resto de parámetros
constantes.
20
Encontrar la razón y flujo de gases optima realizando pruebas de grabado
variando únicamente el flujo, manteniendo el resto de parámetros
constantes.
Encontrar los parámetros óptimos realizando pruebas de reflectancia en los
laboratorios de óptica de las instalaciones.
21
Capítulo 2: Marco teórico
2.1 Equipo RIE (Reactive-Ion Etching)
El sistema de grabado RIE es una técnica de grabado en seco de
semiconductores utilizada en microelectrónica. En esta técnica el plasma
reacciona tanto física como químicamente con las obleas retirando parte de las
sustancias depositadas en ellas y creando un grabado sobre su superficie. En este
sistema se coloca el sustrato elegido dentro de una cámara donde se introduce un
flujo de distintos gases. Mediante una fuente de energía RF se crea plasma en la
mezcla de gases rompiendo las moléculas gaseosas en iones libres, los cuales
son acelerados y reaccionan con la superficie del sustrato siendo grabado y
formando otro material gaseoso (parte química del grabado). En la parte física si
los iones poseen la energía suficiente pueden impactar a los átomos fuera del
sustrato a grabar sin la necesidad de reacciones químicas. El equilibrio entre las
reacciones químicas y físicas es lo más difícil en este proceso por la cantidad de
parámetros que afectan el grabado [6].
Los sistemas RIE más utilizados constan de dos placas metálicas que tienen la
función de electrodos, las cuales están colocadas dentro de una cámara de vacío.
En el electrodo inferior se colocan los sustratos y se encuentra aislado del resto de
la cámara que generalmente se conectan a tierra. Los gases reactivos entrar por
pequeñas aberturas en la cámara, y su tipo y razón de flujo dependerá del sustrato
utilizado.
Para los sustratos de silicio utilizados en la fabricación de celdas solares los gases
reactivos más utilizados son derivados fluorados o clorados, tal como el
hexafluoruro de azufre (SF6) o tetrafluoruro de carbono. La presión del gas se
mantiene generalmente en un intervalo de unos pocos mTorr hasta los cien mTorr,
mientras se generan ajustes en la potencia y la razón de gases de entrada [7].
22
2.2 Reflectancia en la fabricación de celdas solares
Las obleas de silicio presentan una superficie brillante, por lo cual reflejan una
gran cantidad de la radiación incidente proveniente del sol. Su reflectancia es de
aproximadamente 35%, por lo que si no reciben un tratamiento tienen un impacto
directo en la eficiencia de las celdas solares que se fabrican. Es posible depositar
películas delgadas de SiO sobre el sustrato, alcanzando una reflectancia del 10%,
y en conjunto con otras películas es posible alcanzar una reflectancia de 4%. Sin
embargo, hay otra manera de texturizar la superficie de los sustratos. Esto es
generando una estructura piramidal en su superficie, de tal manera que al
reflejarse la radiación en una pirámide, una parte de ella es absorbida por otra
pirámide adyacente. Esto puede hacerse mediante grabado húmedo o seco, y si
además se agregan películas antireflectoras pueden incluso alcanzarse
reflectancias menores al 2%.
Figura 5. Reflectancia de la radiación en un grabado piramidal.
23
Capítulo 3: Metodología
Para llevar a cabo el proceso de texturizado en el sistema de grabado RIE hay una
serie de pasos y consideraciones necesarias que serán explicadas a continuación.
Los sustratos utilizados en el presente trabajo fueron de Si tipo P pulidos por una
cara, CZ (100), con una dimensión aproximada de 2x2 centímetros.
Antes de comenzar a trabajar en el sistema RIE es necesario verificar que el agua
que enfría el electrodo y las muestras sobre el presente una temperatura menor a
3 °C, así como estar monitoreando su temperatura a lo largo de todo el proceso.
Antes de colocar una muestra en la cámara debe de encenderse la bomba que
permite la circulación de agua para que el electrodo donde se coloca ya este frio.
Así mismo, se inició con muestras más pequeñas (alrededor de 2x1 cm) para las
primeras pruebas que resultaron en su mayoría fallidas.
Figura 6. Equipo de grabado RIE
24
Figura 7. Electrodo en la cámara del RIE
3.1 Utilización del equipo de grabado RIE
A continuación se enumeran los pasos realizados para realizar un proceso de
texturizado:
1. Encender el extractor de aire en el área NO MOS del laboratorio.
2. Abrir el tanque y las válvulas de N2 ubicadas en NO MOS.
3. Subir el interruptor general del RIE.
4. Oprimir botón de arranque del inyector de aire.
5. Encender el controlador de N2 y abrir la válvula de paso de N2 y la del
controlador frente a la cámara del RIE.
Figura 8. Controlador de nitrógeno
6. Conectar el ventilador que enfría la bomba turbo.
25
7. Subir interruptor general del RIE.
8. Colocar la muestra en la cámara del RIE.
Figura 9. Cámara del RIE
9. Cerrar la cámara y la válvula de despresurización.
10. Encender la bomba mecánica.
11. Colocar la electroválvula en “open”.
Figura 10. Controlador de la electroválvula.
12. Después de unos segundos, abrir la válvula del baratrón.
Figura 11. Baratrón
13. Esperar que la cámara haga vacío alrededor de 10 minutos.
26
14. Una vez hecho vacío se enciende la bomba turbo y se espera de 15-20
minutos a que alcance alto vacío.
Figura 12. Controlador de la bomba turbo.
15. Cuando ya se ha hecho vacío se procede a abrir el tanque de O2 y su
válvula correspondiente.
16. Primero se realiza la limpieza con O2, entonces se abre la válvula de este
gas ubicada en la parte trasera del equipo RIE y posteriormente se
enciende el canal “4” en el controlador de flujo de masa, que es el
correspondiente al oxígeno y se fija el flujo deseado (10 sccm).
Figura 13. Controlador de flujo de masa
27
17. Se fijan la potencia, las dos perillas de los capacitores y se ajusta la presión
en el “Set point A” del controlador de presión.
Figura 14 y 15. Perillas de los capacitores y controlador de potencia
respectivamente.
18. Se pulsa el botón de encendido de la potencia “RF power” y se pone en
marcha el cronometro para tomar el tiempo establecido (5 minutos).
Figura 16. Encendido de la potencia “RF power”
19. Para apagar el plasma se vuelve a pulsar el botón “RF power” y se oprime
“open” en el controlador de presión.
20. Posteriormente se realizara el grabado con SF6 y O2, para lo cual se abre el
tanque de hexafluoruro de azufre y sus llaves de paso, además de la
válvula de SF6 en la parte trasera del equipo RIE, se ajusta el flujo y se
enciende el canal “1” correspondiente al SF6.
21. Se vuelven a ajustar los parámetros de presión, potencia y los capacitores.
22. Pulsar “on” al botón de “RF power” para generar el plasma.
23. Poner en marcha el cronometro y esperar, estando al pendiente de la
presión y la potencia reflejada que debe ser lo más cercana a 0. La presión
se ajusta moviendo la perilla suavemente y la potencia reflejada se
disminuye ajustando los capacitores.
28
24. Después del tiempo requerido para el proceso (20 minutos) se apaga el
plasma pulsando “RF power”, se da “open” en el controlador de presión y se
cierran las válvulas de O2 y SF6 en la parte trasera del equipo.
25. Se espera a que los gases salgan y se apaga la bomba turbo.
26. Esperar a que las revoluciones por minuto disminuyan a cero y entonces
apagar la bomba mecánica y cerrar la válvula del baratrón.
27. Abrir la válvula de despresurización de la cámara y esperar a que abra.
28. Entonces, se da “close” a la electroválvula en el controlador de presión.
29. Abrir la cámara y sacar la muestra.
3.2 Limpieza de obleas de silicio cristalino
El proceso de limpieza se lleva a cabo antes de iniciar el grabado de las obleas, y
se realizó únicamente con oxígeno, a un flujo de 10 sccm, en un tiempo de 5
minutos, como se especifica en la tabla 1.
Limpieza SF6/O2/- (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
- 10 100 5 5 Tabla1. Parámetros usados en la limpieza de las obleas.
Los grabados fueron realizados en 3 etapas, variando inicialmente la presión,
seguido del flujo de gases y finalmente la potencia.
29
3.3 Etapa 1. Variación de la presión
En esta etapa se realizaron 9 muestras, cuyos parámetros de potencia, razón de
gases y tiempo de grabado permanecieron constantes, y la presión se varió en
pequeños intervalos desde 0.5 mTorrs hasta 25 mTorrs. La potencia y flujo de
gases utilizados como constantes se seleccionaron por haber presentado un
desempeño óptimo en la reducción de reluctancia en pruebas pasadas llevadas a
cabo en el mismo equipo.
N° de proceso
Nombre SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp (°C)
1 1 35/10 75 1 20 2°C
2 7 35/10 75 3 20 2°C
3 2 35/10 75 5 20 2°C
4 8 35/10 75 7 20 2°C
5 3 35/10 75 10 20 2°C
6 4 35/10 75 15 20 2°C
7 5 35/10 75 20 20 2°C
8 6 35/10 75 25 20 2°C
Tabla 2. Parámetros utilizados en la etapa 1, variando únicamente la presión.
3.4 Etapa 2. Variación de flujo de gases
Para estas pruebas se utilizó como constante una potencia de 75 w al igual que en
la primera etapa. La presión que se mantuvo como constante fue la que haya
30
obtenido mejores resultados en la etapa 1 y el flujo de SF6 variara en el intervalo
de 25 a 35 sccm.
N° de proceso
Nombre SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp. (°C)
1 1 25/10 75 X 20 2°C
2 2 27.5/10 75 X 20 2°C
3 3 30/10 75 X 20 2°C
4 4 32.5/10 75 X 20 2°C
5 5 34/10 75 X 20 2°C
6 6 35/10 75 X 20 2°C
7 7 37.5/10 75 X 20 2°C
8 8 40/10 75 X 20 2°C
Tabla 3. Parámetros utilizados en la etapa 2, variando únicamente el flujo de gases.
3.5 Etapa 3. Variación de la potencia
Para esta etapa se mantuvieron como constante la presión optima obtenida en la
etapa 1 y la razón de flujos con mejores resultados en la etapa 2, obteniendo
como variable la potencia, la cual se varió en un intervalo de 5w, desde 65 a 85w.
N° de proceso
Nombre SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp (°C)
31
1 1 X/10 65 X 20 2°C
2 2 X/10 70 X 20 2°C
3 3 X/10 75 X 20 2°C
4 4 X/10 80 X 20 2°C
5 5 X/10 85 X 20 2°C
Tabla 4. Parámetros utilizados en la etapa 3, variando únicamente la potencia.
32
Capítulo 4: Resultados y discusión
Para establecer un punto de partida en los resultados, se muestra a continuación
la reflectancia de una de las muestras utilizadas sin ningún proceso de grabado.
Figura 17. Reflectancia inicial de una muestra.
4.1 Etapa 1. Variación de la presión
N° de proceso
Nombre SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp (°C)
Foto
1 1 35/10 75 1 20 2°C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
350 400 450 500 550 600 650 700 750
% de reflectancia
Longitud de onda (nm)
33
2 7 35/10 75 3 20 2°C
3 2 35/10 75 5 20 2°C
4 8 35/10 75 7 20 2°C
5 3 35/10 75 10 20 2°C
6 4 35/10 75 15 20 2°C
7 5 35/10 75 20 20 2°C
8 6 35/10 75 25 20 2°C
Tabla 5. Parámetros utilizados en la etapa 1 con fotografía de las muestras texturizadas.
34
4.1.1 Reflectancia de las muestras
Las muestras grabadas fueron llevadas al laboratorio de óptica para que se les
realizase una prueba de reflectancia, para longitudes de onda que van desde los
400 a 700 nanómetros.
Figura 18. Gráfico de la reflectancia de las muestras (etapa 1).
Con las pruebas realizadas se obtuvo que la presión óptima para el texturizado del
silicio cristalino es de 7 mTorrs, por lo que esta fue la presión utilizada como
constante en la etapa 2.
0
5
10
15
20
25
30
350 450 550 650 750
% de reflectancia
Longitud de onda (nm)
Series1
Series2
Series3
Series4
Series5
Series6
Series7
Series8
35
4.2 Etapa 2. Variación del flujo de gases
N° de proceso
Nombre SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp. (°C)
Foto
1 1 25/10 75 7 20 2°C
2 2 27.5/10 75 7 20 2°C
3 3 30/10 75 7 20 2°C
4 4 32.5/10 75 7 20 2°C
5 5 34/10 75 7 20 2°C
6 6 35/10 75 7 20 2°C
7 7 37.5/10 75 7 20 2°C
36
8 8 40/10 75 7 20 2°C
Tabla 6. Parámetros utilizados en la etapa 2 con fotografía de las muestras texturizadas.
4.2.1 Reflectancia de las muestras
Al igual que en la etapa 1 las muestras fueron probadas en el laboratorio de óptica
para una prueba de reflectancia para longitudes de onda de 400-700 nm.
Figura 19. Gráfico de la reflectancia de las muestras (etapa 2).
Con las pruebas realizadas se obtuvo que el flujo óptimo para el texturizado del
silicio cristalino sea 34 sccm de SF6 y 10 sccm de O2, por lo que esta fue la razón
de gases utilizada en la etapa 3.
0
5
10
15
20
25
30
350 450 550 650 750
% de reflectancia
Longitud de onda (nm)
Series1
Series2
Series3
Series4
Series5
Series6
Series7
Series8
37
4.3 Etapa 3. Variación de potencia
N° de proceso
Nombre SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp. (°C)
Foto
1 1 34/10 65 7 20 2°C
2 2 34/10 70 7 20 2°C
3 3 34/10 75 7 20 2°C
4 4 34/10 80 7 20 2°C
5 5 34/10 85 7 20 2°C
Tabla 7. Parámetros utilizados en la etapa 3 con fotografía de las muestras texturizadas.
38
4.3.1 Reflectancia de las muestras
Figura 20. Gráfico de la reflectancia de las muestras (etapa 3).
Con los resultados obtenidos durante la etapa 3 se logró confirmar la potencia
optima de grabado para parámetros de flujo de gases de 34 sccm de SF6 Y 10
sccm de O2 y una presión de 7 mTorrs, la cual fue la utilizada en las etapas
iniciales; 75 watts.
0
5
10
15
20
25
30
35
350 450 550 650 750
% de reflectancia
Longitud de onda (nm)
Series1
Series2
Series3
Series4
Series5
39
Capítulo 5: Conclusión y recomendaciones
Se presentaron los resultados experimentales de grabado seco en el equipo de
grabado RIE, durante los cuales se obtuvieron los ajustes óptimos de grabado
para los sustratos utilizados, los cuales se muestran en la tabla 8.
SF6/O2 (sccm)
Potencia (Watts)
Presión (mTorrs)
Tiempo (Minutos)
Temp. (°C)
34/10 75 7 20 2°C
Tabla 8. Parámetros óptimos de grabado
Se encontró que algunas muestras presentaron un sobregrabado hacia el centro
de las mismas, por lo que puede que 20 minutos sea mucho tiempo y se debería
reducir en pequeños intervalos. Así mismo, la etapa 2 y 3 deberían ser repetidas
después de cambiar el cable de la fuente de potencia del equipo RIE, ya que
presentaron irregularidades de grabado reduciendo la reflectancia de las
muestras, posiblemente por la fuente utilizada.
40
Bibliografía
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monocristalino con alta velocidad de grabado y anisotropía para su aplicación en la fabricación de
MEMS. Revista Mexicana de Física, 53, 488-489.
[2] INAOE. (2012). Historia. Diciembre, 2015, de Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y
Electrónica. Sitio web: http://www.inaoep.mx/historia.php?movil=0
[3]INAOE. (2012). Mapa de acceso [Figura 2]. Recuperado de
http://www.inaoep.mx/mapa_acceso.php?movil=0
[4]INAOE. (2012). Mapa de las instalaciones [Figura 3]. Recuperado de
http://www.inaoep.mx/mapa_instalaciones.php?movil=0
[5] INAOE. (2012). Electrónica. Diciembre, 2015, de Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y
Electrónica. Sitio web: http://www-elec.inaoep.mx/?movil=0
[6] P.E. (2014). Reactive Ion Etching Systems. Diciembre, 2015, de Plasma Etch. Sitio web:
http://www.plasmaetch.com/reactive-ion-etching-systems-rie.php
[7] T.C. (2014). Grabado por iones reactivos. Diciembre, 2015, de Thierry Corp. Sitio web:
http://www.thierry-corp.com/mx/plasma/aplicaciones/grabado-ionico-reactivo