CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS DE SI XGE1

CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS DE SI XGE1-X CON LA
TÉCNICA DE ESPECTROMETRÍA DE MASAS POR IONES
SECUNDARIOS (SIMS)
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRA EN TECNOLOGÍA AVANZADA
PRESENTA
ING. MARÍA GEORGINA RAMÍREZ CRUZ
Directores de Tesis:
Dra. Lilia Martínez Pérez
Dr. Iouri Koudriavtsev
MÉXICO. D. F., JULIO 2010
Agradecimientos
Al
Instituto
Politécnico
Nacional,
a
la
Unidad
Profesional
Interdisciplinaria de Ingeniería y Tecnología Avanzada UPIITA-IPN y al
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico
Nacional CINVESTAV, IPN, por todo el apoyo brindado durante la
realización de mis estudios.
Mi reconocimiento y agradecimiento a:
Dra. Lilia Martínez Pérez y el Dr. Iouri Koudriavtsev, por su gran
enseñanza, apoyo y energía.
Al Dr. José Pablo René Asomoza y Palacio por ser un pilar en este proyecto
de superación.
Al Dr. Andrey Kosarev y a los técnicos del laboratorio de PECVD, del
INAOE, Puebla por permitirme participar en la fabricación de las películas
delgadas de Si Ge y por sus valiosos comentarios y sugerencias.
A la Dra. Jana Douda y al Dr. José Luis Casas quienes me enseñaron con
paciencia y dedicación sin ser parte de mi profesorado.
Al Dr. Miguel Ángel Aguilar Frutis a quien admiro, amo y respeto, que me
ha apoyado de manera incondicional moral, espiritual y científicamente.
Y a todos mis profesores de UPIITA, que con su gran empeño lograron darle
forma a mi persona.
DEDICATORIA
A
DIOS,
Porque es mi todo y guía mi vida de manera dulce y sabia.
A mis padres a quienes amo,
Porque son los seres más maravillosos en mi vida
A mis hermanos,
Alicia, Angélica, Irene y Miguel Ángel, por su apoyo, comprensión y amor.
A mis amigas y amigos,
Angélica Andrade, Arturo Rizo, Josefina Casarrubias, Margarita Huerta, Martha
Velázquez, Miguel Avendaño, Raúl Rizo y Sara Cruz porque cuento con ellos en las
buenas y en las malas. A la Maestra Blanca, a la Maestra Griselda y a la Srta.
Norma Díaz, por su apoyo en todo momento y circunstancia.
A mis amores que se encuentran en el cielo y que viven en mi
corazón!
Índice
SIMBOLOGIA ................................................................................................................................ - 1 - GLOSARIO..................................................................................................................................... - 2 - RESUMEN ...................................................................................................................................... - 5 - ABSTRACT .................................................................................................................................... - 7 - CAPÍTULO 1 .................................................................................................................................. - 9 - INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... - 9 - Estado del arte ............................................................................................................................... - 11 - CAPÍTULO 2 ................................................................................................................................ - 13 - OBJETIVOS ................................................................................................................................. - 13 - 2.1 Objetivo general .................................................................................................................. - 13 - 2.2 Objetivos particulares. ......................................................................................................... - 13 - CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................ - 14 - JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................... - 14 - CAPITULO 4 ................................................................................................................................ - 16 - MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... - 16 - Introducción. ................................................................................................................................. - 16 - 4.1. Principios de la técnica de depósito de vapor por enriquecimiento de plasma, (Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition) PECVD. ..................................................................... - 17 - 4.2 Técnica de depósito PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) ................. - 20 - 4.3 Espectrometría de masas por iones secundarios (SIMS) ..................................................... - 23 - 4.3.1 Fundamento de la técnica ................................................................................................. - 24 - 4.3.1.1Proceso de erosión atómica .................................................................................... - 24 - 4.3.1.2 Factores inherentes al proceso de erosión. ............................................................ - 26 - 4.3.1.3 Rendimiento de erosión atómica “Sputtering Yield”. ........................................... - 29 - 4.3.1.4 Dependencia de los parámetros del ion primario incidente................................... - 30 - 4.3.1.5 Iones de Cs+ .......................................................................................................... - 31 - 4.3.1.6 Distribución de energía de los iones secundarios. ................................................. - 31 - 4.3.1.7 Relación entre la intensidad de iones secundarios y la concentración .................. - 33 - 4.3.1.8 Sensibilidad ........................................................................................................... - 34 - 4.3.2 Modos de medición ...................................................................................................... - 35 - i
4.3.2.1 Espectro de masas ................................................................................................. - 35 - 4.3.2.2 Perfil en profundidad ............................................................................................. - 37 - 4.3.2.3. Imágenes en 3D .................................................................................................... - 39 - 4.3.2.3.1 Modo micro prueba y modo microscopio .......................................................... - 39 - 4.3.3 Detección de masas ...................................................................................................... - 40 - 4.3.3.1 Fuerzas de Lorentz. ............................................................................................... - 41 - 4.3.3.2 Analizadores de Sector Magnético y Doble enfoque ............................................ - 42 - 4.3.4 Efecto de matriz ........................................................................................................... - 44 - 4.3.4.1 ¿Que es el efecto de matriz? ...................................................................................... - 44 - 4.3.5 Emisión de clústeres de iones Cs M+ ............................................................................ - 45 - 4.3.6 Modelos de ionización ................................................................................................. - 52 - 4.3.6.1 Modelo de Sroubek. .............................................................................................. - 52 - 4.3.6.2 Modelo de Schroeer (Ionización adiabática de la superficie). .............................. - 53 - 4.3.6.3 Modelo de Gries (Ionización adiabática de la superficie). .................................... - 55 - 4.3.6.4 Trabajo de A. Wucher ........................................................................................... - 57 - 4.3.6.5 Ionización adiabática y No adiabática. .................................................................. - 59 - 4.3.7 Espectroscopia de Energía de Rayos X Dispersados (EDX)........................................ - 62 - CAPITULO 5 ................................................................................................................................ - 65 - DESARROLLO EXPERIMENTAL. ............................................................................................ - 65 - 5.1 Síntesis de las películas delgadas de Si Ge ......................................................................... - 65 - 5.1.1. Condiciones de depósito.............................................................................................. - 67 - 5.1.2 Descripción del sistema del depósito utilizado. ........................................................... - 68 - 5.1.3 Mezcla de gases............................................................................................................ - 69 - 5.1.4 Diluyentes .................................................................................................................... - 69 - 5.2 Descripción básica de la técnica SIMS. .............................................................................. - 70 - 5.2.1. Condiciones de operación para la obtención de perfiles en profundidad. ................... - 72 - 5.2.2 Efectos de cráter. .......................................................................................................... - 74 - 5.2.3 Cuantificación .............................................................................................................. - 76 - 5.2.4 Conversión de tiempo de erosión a profundidad. ......................................................... - 76 - 5.2.5 Conversión de intensidad de corriente a concentración atómica.................................. - 78 - 5.2.6 Regímenes de medición. .............................................................................................. - 79 - 5.2.7 Energías utilizadas en el haz primario. ......................................................................... - 80 - 5.2.8 Ángulo de incidencia .................................................................................................... - 82 - ii
5.2.9 Generación del haz primario. ....................................................................................... - 83 - 5.2.10 Corriente y densidad de corriente de iones primarios. ............................................... - 84 - 5.2.11 Medición de la razón de erosión en Six Ge1-x. ......................................................... - 85 - 5.2.12 Tiempos estimados de erosión ................................................................................... - 86 - 5.3 Caracterización con EDX. ................................................................................................... - 88 - 5.4 Descripción general de la técnica aplicada para el análisis SIMS....................................... - 88 - 5.4.1 Espectro de masas ........................................................................................................ - 88 - 5.4.2 Perfil en profundidad .................................................................................................... - 89 - 5.4.3 Distribución de energía. ............................................................................................... - 90 - 5.4.4 Cañón de Iones ............................................................................................................. - 90 - 5.4.5 Iones primarios ............................................................................................................. - 90 - CAPITULO 6 ................................................................................................................................ - 91 - RESULTADOS ............................................................................................................................. - 91 - 6.1 Resultados de los depósitos obtenidos por PECVD para SixGe1-x. ..................................... - 91 - 6.2 Resultados de Espectro de masas ........................................................................................ - 92 - 6.3 Resultados de EDX ............................................................................................................. - 94 - 6.4 Mediciones del Perfil en Profundidad. ............................................................................... - 97 - 6.5 Análisis de los resultados experimentales obtenidos de la caracterización por SIMS de las
películas de SixGe1-x................................................................................................................ - 97 - 6.6 Resultados del rendimiento de erosión “Y” (Sputtering Yield). ................................... - 101 - CAPITULO 7 .............................................................................................................................. - 104 - CONCLUSIONES ...................................................................................................................... - 104 - APENDICE 1 .............................................................................................................................. - 114 - iii
Índice de figuras Fig. 1. Diagrama esquemático de un sistema de depósito químico en fase de vapor………. 18 Fig. 2 Diagrama esquemático del sistema de depósito PECVD…………………………………………. 21 Fig. 3 Proceso de Espectrometría de Masas por Iones Secundarios (SIMS)……………………... 24 Fig. 4 Efecto de cascada entre los átomos causa el fenómeno de “Sputtering”.................. 25 Fig. 5 Espectro de masas de una muestra de SiX Ge1‐x…………………………………………………... 36 Fig. 6 Perfil en profundidad de una muestra con multicapas…………………………………………... 38 Fig. 7 Muestra la distribución de AlGa en GaN en el modo micro prueba……………………….. 39 Fig. 8 Muestra la distribución espacial de Al Ga en GaN respectivamente………………………. 39 Fig. 9 Ley de Lorentz sobre una partícula con velocidad V………………………………………………. 41 Fig. 10 Analizador de masas de sector magnético…………………………………………………………... 42 Fig. 11 Parámetros principales de un cráter de SIMS, cuya área de barrido es cuadrada… 43 Fig.12 Muestra la distribución de la velocidad de los isotopos de los átomos de Cs y Si…. 47 Fig. 13 Esquema de la emisión secundaria gracias a la recombinación independiente de los átomos erosionados sobre la superficie. Ver los detalles en el texto……………………………………………. 49 Fig. 14. Muestra la iteración de dipolo‐dipolo entre los átomos de Cs y M durante la formación los clústeres de iones Cs M cercanos a la superficie…………………………………………………………….. 50. Fig.15 Intensidades relativas de Iones de Cs M+……………………………………………………………... 51 Fig. 16 Se muestra un electrón en un átomo con un nivel de ionización Ea en la vecindad de la superficie de un sólido……………………………………………………………………………………………………. 47 Fig. 17 Muestra la probabilidad de ionización de los átomos de los átomos pulverizados emitidos por una superficie metálica limpia bombardeada con iones de Ar + y Ne+. ……………………. 49 Fig. 18 Muestra los niveles de energía sobre la superficie de Si bajo bombardeo iónico con iones de Cesio………………………………………………………………………………………………………………………………. 61 Fig.19 Esquema del proceso de EDS para una estructura con película delgada………………. 62 Fig. 20 Muestra los rayos X característicos……………………………………………………………………... 63 Fig. 21 Sistema de depósito PECVD, INAOE. Puebla………………………………………………………… 68 Fig. 22 Vista superior del equipo utilizado………………………………………………………………………. 70 Fig. 23 Profundidad del cráter…………………………………………………………………………….............. 74 Fig. 24 Muestra el espectro de masas de una muestra del set de muestras M1, donde encontramos Si……………………………………………………………………………………………………………………………………. iv
92 Fig. 25 Muestra el espectro de masas de una muestra del set de muestras M2, donde encontramos Cs……………………………………………………………………………………………………………………………………. 92 Fig.26 Muestra el espectro promedio de masas del set M1……………………………………………. 93 Fig. 27. Mediciones con EDX M2: Si48.77 Ge 51.23………………………………………………………... 94 Fig. 28. Mediciones con EDX M3: Si 6.50 Ge 93.50…………………………………………………………. 95 Fig. 29. Mediciones con EDX del set M1: Si 55.77 Ge 44.23…………………………………………….. 95 Fig. 30. Mediciones con EDX M4: Si6.50 Ge93.50……………………………………………………………. 96 Fig. 31. Muestra los resultados de una de las muestras erosionada con 5 keV……………….. 97 Fig. 32 de los resultados obtenidos bombardeando con iones primarios de Cs+,.……………. Iones secundarios…………………………………………………………………………………………………………… 98 Fig. 33 Resultados obtenidos bombardeando con iones primarios de oxigeno y…………….. un offset de ‐80V……………………………………………………………………………………………………………. 99 Fig. 34 Resultados obtenidos bombardeando con iones CsM+……………………………………….. 99 Fig. 35 Configuración del simulador utilizado para calcular el rendimiento iónico “Y”… …………103 Fig. 36 Resultados por SRIM de “Y”………………………………………………………………………………. …………103 Índice de tablas Tabla 1 Condiciones de depósito de películas delgadas con la técnica PECVD….…………….. 67 Tabla 2 Energías utilizadas………………………………………………………………………...…………………… 80 Tabla 3 tabla de energías con que se midió el set de películas delgadas…………………………. 81 Tabla 4 Tiempos de medición estimados para diferentes clústeres de CsM+………………….. 86 Tabla 5. Muestra los espesores promedio de los sets de muestras de SixGe1‐x………………… 86 Tabla 6. Muestra los espesores promedio de los sets de muestras de SixGe1‐x………………... 91 Tabla 7 Resultados del rendimiento de erosión “Y”………………………………………………………... 101 v
IN
NSTITUT
TO POLIT
TÉCNIC
CO NACIO
ONAL
Unidad
U
Profesional Intterdisciplina
aria en Inge
eniería
y Tecnologías Avanzzadas
SECCIÓ
ÓN DE INVES
STIGACIÓN Y POSGRADO
SIMBO
OLOGIA
a-SiGe:: Silicio Germ
manio amorrfo
a-Si: Siilicio amorfo
o
c-Ge:H
H: Germanio microcristallino
EDX: Electron
E
Disp
perse Spectrroscopy, por sus siglas enn inglés.
keV: Ellectrón voltio
LPCVD
D Low Presssure Chemical Vapor Deeposition
μm: Miicrómetro o micra
m
NH4Cl: Cloruro dee amonio
PECVD
D: Plasma En
nhanced Chemical Vapoor Deposition.
Sccm: Centímetro
C
cúbico
c
por minuto
m
estánddar
O2: Silano
SiH4/O
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