Caracterización óptica de capas finas de carbono amorfo hidrogenado mediante elipsometría espectroscópica

Abstract

Este trabajo presenta una doble vertiente: por una parte, se ha diseñado y construido un elipsómetro espectral (visible-UV) automático que permite la caracterización óptica de materiales en volumen, en forma de capa fina y de estructuras multicapa. Los criterios para la alineación y calibración de este elipsómetro de analizador rotativo han sido establecidos y se han elaborado los programas informáticos de control y análisis de datos. Por otra parte, se ha realizado la caracterización óptica sistemática de las capas de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H) obtenidas mediante plasma de rf de gas metano en un amplio margen de condiciones tecnológicas. Las propiedades ópticas de estas capas se pueden controlar mediante los parámetros tecnológicos de depósito analizados: temperatura de substrato, tensión de autopolarización, dilución del metano con hidrógeno y argón, presión y flujo.<br/><br/>El carbono amorfo hidrogenado posee unas propiedades físicas similares a las del diamante en combinación con características propias del grafito, y tiene el interés adicional por su capacidad para formar una gran variedad de estructuras desde amorfas a microcristalinas. Estas estructuras presentan una amplia variedad de concentraciones de hidrógeno y de proporciones y disposición de los enlaces de carbono sp(3), sp(2) y sp(1), que determinan sus propiedades físicas, y que varían con las condiciones de preparación.<br/><br/>El a-C:H presenta un conjunto único de propiedades: elevada dureza mecánica, alto índice de refracción y transparencia óptica en el IR, elevada resistividad eléctrica a la vez que una extraordinaria conductividad térmica, bajo coeficiente de fricción, impermeabilidad y resistencia a los ataques químicos.<br/><br/>Estas propiedades permiten su aplicación en múltiples campos de la técnica: óptica, electrónica, optoelectrónica, mecánica y también en medicina debido a su biocompatibilidad. Algunas de las aplicaciones potenciales concretas que se han propuesto son: barreras de difusión, capas dieléctricas y protectoras de componentes electrónicos, discos ópticos, discos duros magnéticos, recubrimientos ópticos selectivos y recubrimientos antirreflectantes en fotodetectores, disipadores de calor para la fabricación de diodos láser de alta potencia, <i>tweeters</i> para equipos de alta fidelidad, ventanas de detección de rayos X, herramientas de corte, recubrimiento de prótesis, protección de plásticos aislantes frente al aire y la radiación UV, y recubrimiento de reactores de fusión.<br/><br/>Los parámetros ópticos de las capas de a-C:H dependen de la configuración y de los enlaces que las componen y son, por tanto, unos indicativos útiles para su caracterización. La elipsometría es una técnica especialmente idónea para este fin ya que, siendo una técnica óptica, no es destructiva. Las capas de a-C:H poseen condiciones de superficie suficientemente adecuadas para ser analizadas mediante elipsometría, puesto que son lisas y no presentan oxidación superficial. Se ha realizado el estudio espectral, una vez crecidas las capas, de los parámetros ópticos (índice de refracción, coeficientes de extinción y de absorción, y gap óptico) y funciones asociadas, en función de un amplio abanico de parámetros tecnológicos de depósito. Se han interpretado las propiedades ópticas del a-C:H mediante la presencia de una distribución de agrupamientos grafíticos de distinto tamaño. Se ha reproducido teóricamente el frente de absorción de las capas de a-C:H, lo cual ha proporcionado información sobre la microestructura de las capas, que está relacionada con las propiedades estructurales.<br/><br/>Las capas de a-C:H analizadas en este trabajo presentan índices de refracción con valores alrededor de 2, excepto para las capas depositadas a temperaturas de substrato elevadas. Estas capas son absorbentes en el visible, y se han determinado valores del gap óptico variando en un amplio margen de energías desde 1.6 eV, para capas obtenidas a baja tensión de autopolarización, hasta prácticamente cero cuando la temperatura de substrato supera los 370 ºC. Estos dos parámetros, tensión de autopolarización y temperatura de substrato, han resultado ser los más determinantes en las propiedades ópticas de las capas.<br/><br/>Las variaciones observadas al aumentar la temperatura de substrato desde 20 ºC hasta 370 ºC, se han interpretado como producto de un cambio en la estructura del material, con un aumento del tamaño de los agrupamientos grafíticos, en las condiciones de depósito utilizadas. Se ha mostrado que las capas obtenidas sobre substratos refrigerados a temperaturas cercanas a la ambiente presentan propiedades ópticas interesantes para las aplicaciones en el visible e infrarrojo. El aumento del bombardeo iónico de las capas de a-C:H en un plasma de metano puro, representado por la variación de la tensión de autopolarización de la descarga rf desde -200 hasta -1200 V, determina tres tipos de material para nuestras condiciones de depósito: a bajos valores de V(SB) se obtienen capas blandas con mayor contenido de hidrógeno y de componente polimérica, a valores moderados de unos -500 V, las capas son duras con predominio de la componente tipo diamante y, para valores elevados, las capas que se depositan tienen predominio de la componente tipo grafito.<br/><br/>Se ha estudiado la influencia sobre las propiedades ópticas de la utilización de hidrógeno o argón como gases diluyentes del metano en la descarga rf. En las condiciones de depósito utilizadas, la dilución con hidrógeno (desde 0% hasta 90%) provoca, para concentraciones pequeñas, un desarrollo de la componente grafítica de las capas de a-C:H. A partir del 30 %, el efecto selectivo del bombardeo iónico sobre los enlaces grafíticos, provoca la disminución del tamaño de los agrupamientos grafíticos. La utilización de una mezcla de metano con argón como gas de la descarga influye en menor medida sobre las propiedades ópticas de las capas que la dilución con hidrógeno. El mecanismo de ataque debido al bombardeo iónico de la capa en formación pasa a ser un mecanismo dominante que comporta una disminución del gap óptico debido a un aumento del desorden de las capas.<br/><br/>La presión de la descarga induce pequeños cambios en las propiedades ópticas de las capas de a-C:H, al aumentar en el rango de 2 a 40 Pa. La disminución de la energía con que inciden los iones sobre la capa en formación debido a pérdidas de energía en los choques previos, reduce la efectividad en la eliminación de los enlaces grafíticos. El estudio de la influencia del flujo de gas metano en la descarga rf, en el rango de 2 a 10 sccm y con las condiciones de depósito estudiadas, ha mostrado muy ligeras variaciones en las propiedades ópticas del a-C:H.<br/><br/>Se ha estudiado otros materiales en forma de capa fina, tales como capas policristalinas de Zn(1)P(3), oro evaporado y TiN. El estudio espectral ha llevado a la determinación de los parámetros ópticos y al análisis de la superficie de las muestras. Así mismo, las evoluciones en el tiempo de las capas de Zn(1)P(3) se han seguido mediante la utilización de la elipsometría en tiempo real y se ha determinado la cinética de la oxidación superficial.

<i>A spectroscopic ellipsometer (visible-UV) of rotating analyzer, which allows the optical characterization of bulk materials, thin films and multilayer structures, was designed and constructed. The optical properties (refractive index, absorption coefficient, optical gap, and associated functions) of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin films, obtained by plasma rf decomposition of methane, were measured. These properties were interpreted by assuming the presence of a distribution of graphitic c1usters sizes. The absorption edge was theoretically reproduced, and this provided information about the films microstructure.<br/><br/>The optical properties of a-C:H thin films can be controlled by the deposition conditions analyzed: substrate temperature, self-bias voltage, dilution with hydrogen or argon, pressure and flux. a-C:H thin film s analyzed in this work have, in general, refractive index about 2 and are absorbent in the visible range. Optical band gap values from 1.6 eV to near zero were obtained.<br/><br/>The changes induced by the increase of the substrate temperature were interpreted by an increase of the graphitic clusters size. The self-bias voltage determines three types of material depending on the dominating component. The dilution of the methane by hydrogen produces, for concentrations over 30%, a decrease of the graphitic cluster size, but the dilution with argon slightly reduces the sizes and increases the roughness. Pressure increases the graphitic and polymeric component, and flux has little influence.<br/><br/>Moreover, spectroscopic ellipsometry provided the optical parameters and the analysis of the films surface of Zn(3)P(2) gold and TiN thin films. Time evolution of the Zn(3)P(2) films was studied by real time ellipsometry, and the kinetics of the surface oxidation was determined. </i>