Espectrometría de masas de iones secundarios: aportaciones a la técnica y caracterización de capas finas de a-C:H y de a-Si:H

Abstract

Entre las técnicas microanalíticas, el SIMS ha experimentado un gran éxito en las dos últimas décadas. Su habilidad para proporcionar datos de composición elemental y estructura, su capacidad para detectar pequeñas concentraciones de elementos y su distribución en profundidad, etc.; ha hecho que el SIMS sea un instrumento muy útil en numerosos campos de la ciencia y la tecnología. Se ha de mencionar también que la limitación más importante que padece la técnica es su falta de carácter cuantitativo, aunque existen muchos métodos y procedimientos, ya sean teóricos, empíricos o semi-empíricos, que permiten interpretar los resultados de forma cuantitativa en muchos casos importantes. El SIMS es una técnica analítica de gran interés y en constante evolución, por esta motivación se han realizado algunas investigaciones sobre el propio progreso de la técnica, como parte del trabajo desarrollado.<br/><br/>El trabajo está estructurado en cuatro capítulos e incluye tanto las aportaciones al desarrollo y mejora de la técnica, como los resultados de las caracterizaciones de capas finas de dos materiales de notable importancia tecnológica. Las capas finas analizadas se han fabricado en el Laboratorio de Física de Capas Finas en el marco de diferentes proyectos de investigación.<br/><br/>El primer capítulo presenta una introducción breve a la Espectrometría de Masas de Iones Secundarios. Se explican las características básicas de la técnica, su fundamento, los modos de análisis, y la instrumentación básica, concretando al caso de la microsonda iónica A-DIDA 3000-30, instrumento con el que se han realizado las mediciones.<br/><br/>En el segundo capítulo se describen dos aportaciones a la técnica que representan mejoras en su aplicación. La primera de ellas consiste en un método para ajustar dinámicamente el voltaje aplicado a la muestra, manteniendo la estabilidad en la sensibilidad del instrumento a lo largo de un perfil en profundidad. El método permite realizar los perfiles en profundidad manteniendo el máximo del espectro de energía en la banda de paso del instrumento con un acoplamiento de ±1 eV. En la otra aportación se describe un método para determinar el ritmo de erosión en los análisis en profundidad por erosión atómica, y que es útil tanto para la calibración de la escala de profundidad como para el análisis estructural.<br/><br/>El ritmo de erosión se puede determinar utilizando instrumentación rutinaria, con un requisito mínimo de un haz de iones con barrido lineal. Ambos métodos son sencillos en su aplicación al mismo tiempo que resuelven problemas típicos de SIMS de una forma práctica, con requisitos instrumentales rutinarios.<br/><br/>En el tercer capítulo se presentan los resultados de la caracterización de capas finas de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H) obtenidas por descomposición de metano en plasma de RF. Este material ha recibido una atención considerable por sus interesantes propiedades tales como la dureza, alto aislamiento eléctrico, elevada conductividad térmica y transparencia al IR. Hasta ahora se han publicado pocos análisis de capas de a-C:H con SIMS y no se ha hecho ningún intento de correlacionar los datos de SIMS con los parámetros tecnológicos de fabricación de las capas. En este trabajo se explota la información aportada por el SIMS en unas condiciones analíticas muy concretas para estudiar la variación de diferentes propiedades estructurales y de composición cuando cambian las condiciones de depósito. Se han analizado tres series de muestras depositadas en un rango amplio de potenciales de auto-polarización de substrato, sobre substratos no refrigerados, refrigerados y calentados. El análisis de las tres series de muestras ha permitido obtener información sobre la influencia que produce la tensión de auto-polarización y la temperatura sobre el crecimiento y propiedades de las capas. La razón entre las señales C2 y C3, la transición Si-C y el ritmo de erosión, varían con el potencial de substrato y presentan un punto crítico alrededor de 450 V. Se ha estudiado también la variación de estas magnitudes con la temperatura de substrato, y la homogeneidad en profundidad de las capas.<br/><br/>El cuarto capítulo aborda la caracterización de capas' finas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) basada fundamentalmente en la detección del hidrógeno contenido en las mismas, alcanzándose un grado de cuantificación del H poco habitual en SIMS. El a-Si:H es un semiconductor con numerosas aplicaciones y ciertas ventajas frente a su homólogo cristalino, tales como su bajo coste de fabricación y la capacidad para recubrir grandes superficies. El hidrógeno confiere al material las propiedades de semiconductor pero también está relacionado con el fenómeno de la degradación que limita el campo de las aplicaciones.<br/><br/>En este trabajo se estudia la distribución del hidrógeno en el interior de las capas y su dependencia de los parámetros tecnológicos de fabricación, así como su difusión bajo la acción de tratamientos térmicos. La detección del hidrógeno presenta una problemática típica en los análisis de SIMS por el alto valor de la señal de fondo para el H. Por este motivo se incluye un estudio, previo a la caracterización de las capas, sobre el fondo y las condiciones de análisis para el H. A continuación se estudia la distribución del hidrógeno en el interior de diferentes series de capas obtenidas variando sistemáticamente ciertos parámetros de fabricación. También se estudia un efecto de acumulación del hidrógeno en la intercara capa/substrato. Seguidamente, se realiza un estudio de la difusión del hidrógeno al realizar recocidos a diferentes temperaturas y diferentes tiempos en material no dopado con calidad de dispositivo; y finalmente, utilizando los parámetros determinados en el estudio de la difusión, se simula un espectro de efusión térmica del hidrógeno y se compara con el obtenido experimentalmente.

<i>In this work we present two contributions to the SIMS technique (Secondary Ion Mass Spectrometry) and the characterization of a-C:H and a-Si:H thin films by SIMS.<br/><br/>A simple method for the dynamic correction of the voltage offset during depth profiling in quadrupole instruments is described. The maximum of the energy spectrum can be situated in the passband of the instrument with a mismatching of about ± 1 eV during profiling.<br/><br/>Depth calibration in sputter profiling can be seriously in error in the analysis of inhomogeneous samples in which the erosion rate varies. In this work, we present a method to evaluate the sputter rate as a function of depth, requiring only routine instrumentation.<br/><br/>Hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) deposited on silicon by r.f. plasma decomposition of methane have been ana1yzed by SIMS. The dependence of the Si-C transition width on the substrate temperature and' the homogeneity of the carbon layer have been studied. The C(2)+/C(3)+ signal ratio is constant in a deep region but it increases in the direction towards the surface, this result seems indicate that some degradation of the film occurs during the growth process.<br/><br/>The experimental conditions and background sources in the analysis of hydrogen in hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) using secondary ion mass spectrometry (SIMS) have been studied.<br/><br/>The diffusion of hydrogen in device quality undoped a-Si:H thin films deposited by rf glow discharge onto silicon substrates has been studied by SIMS. The films were heated in flowing Ar at temperatures in the range 300-400 ºC. Depth profiles reveal diffusion of H towards the interface and substrate, and accumulation of H in the interface depending on the annealing and the substrate temperature during the growth process. The diffusion and effusion coefficients have been determined and the hydrogen effusion rate is simulated by applying the solution of the diffusion equations.<br/></i>