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Revista Colombiana de Física, vol. 44, No. 3, 2012
Estudio morfológico y estructural de películas delgadas de nitruro de aluminio
obtenidas a partir de plasmas de aluminio en ambiente de N2
Morphological and Structural Study of Thin Films of Aluminum Nitride obtained from
Aluminum Plasma in N2 Atmosphere
J.A. Pérez*1, H.Riascos1, L. Ipaz 2 F. N. Jiménez-García3
1
Departamento de Física, Universidad Tecnologica de Pereira A.A 097
2
Universidad del Valle, Laboratorio Películas Delgadas
3
Universidad Autónoma de Manizales, Departamento de Física y Matemática
Recibido abril 27 de 2010; aceptado diciembre 8 de 2010.
Resumen
Se han obtenido películas delgadas de AlN mediante el método de Deposición por Láser Pulsado (PLD) con un láser
Nd:YAG (λ=1064 nm), en un gas reactivo (N2), usando como blanco aluminio de alta pureza (4N) y como sustrato Si3N4
(100). La presión del gas ambiente se varió de 4 mTorr y 5 mTorr. Mientras la fluencia del láser se mantuvo constante a 7
J/cm2, el espesor de las películas fue de 50 nm, medido con un perfilómetro. El tiempo de deposición fue de 10 minutos.
La nanoestructura de las películas fue estudiada usando difracción de rayos X (DRX), el estudio morfológico se llevó a cabo por medio de las técnicas AFM, SEM y composicional EDX. El tamaño de grano fue de 85,2 nm con una rugosidad de
3,8 nm para una presión de 5 mTorr y de 78,1 nm con una rugosidad de 6,7 nm para una presión de 4 mTorr ambas obtenidas a temperatura ambiente. Las especies presentes en el plasma fueron identificadas por medio de espectroscopia de emisión óptica (EOS), encontrándose las bandas AlN (0,0) y AlN (0,1) para una presión de nitrógeno de 4 mTorr.
Palabras claves: nitruro de aluminio, nanoestructura, AFM, DRX, EOS.
Abstract
AlN thin films have been obtained by the method of Pulsed Laser Deposition (PLD) with a Nd: YAG laser (λ = 1064 nm)
in a reactive gas (N2), using as a target aluminium of high purity (4N) and Si3N4 substrates (100). The ambient gas pressure
was varied from 4 mTorr and 5 mTorr. As the laser fluence was constant at 7 J/cm2, the thickness of the films was 50 nm,
measured with a profilometer, the deposition time was 15 minutes. The nanostructure of the films was studied using X-ray
diffraction (XRD), the morphological study was carried out using the AFM and SEM techniques, and compositional EDX.
The grain size was 85.2 nm with a roughness of 3.8 nm for a pressure of 5 mTorr at room temperature. The species in the
plasma were identified by optical emission spectroscopy (EOS), finding bands AlN (0.0) and AlN (0.1) for a nitrogen pressure of 4 mTorr.
Keywords: aluminum nitride, nanostructure, AFM, XRD, EOS.
1. Introducción
En los últimos años se ha realizado un esfuerzo importante
en la búsqueda de nuevos materiales con estructuras cada
vez más complejas, que presenten a la vez propiedades de
* [email protected]
conducción iónica y electrónica. Este tipo de materiales
tienen aplicaciones en campos importantes de la tecnología
como componentes de diversos dispositivos optoelectrónicos. De entre los nuevos materiales estudiados se destacan
los nitruros metálicos, sobre este tipo de compuestos no
existe todavía un conocimiento profundo de los mecanismos
de transporte de carga, por lo que se hace necesario un estu-
J. A. Pérez et al.: Estudio morfológico y estructural de películas…
dio fundamental en muestras de gran calidad cristalina. [1,2]
Por sus propiedades físicas y químicas, el nitruro de aluminio (AlN), es un material muy versátil, posee una gran variedad de aplicaciones en el área de electrónica y optoelectrónica. El nitruro de aluminio cristaliza en el sistema hexagonal, con una estructura de tipo wurtzita (caracterizada por
sus constantes de red a y c). El nitruro de aluminio es el
material de banda más ancha a temperatura ambiente (Eg =
6.2 eV) que es considerado un semiconductor del grupo IIIV [3,4], lo que le confiere propiedades luminiscentes, una
dureza alta (2x103 kgf mm-2), una temperatura de fusión alta
(2400ºC), así como una velocidad acústica alta (5760 m/s)
[5-9]. Como película policristalina orientada en el eje c, el
AlN se puede implementar como componente en sensores
ópticos en el rango de ultra violeta (UV), así como en dispositivos óptico-acústicos [5-10].
Figura. 1 Esquema experimental utilizado durante la deposición
por láser pulsado en el crecimiento y análisis del plasma de las
películas delgadas de AlN. [11]
2.1 Caracterización
Para el estudio morfológico se utilizó un microscopio electrónico de barrido Philips XL 30. Se determinó el tamaño de
grano y la rugosidad por medio de Microscopia de Fuerza
Atómica (AFM) con medidas realizadas en un microscopio
de fuerza atómica Asylum Research MFP-3D-SA. El espesor de las películas fue medido con un perfilómetro Dektak
8000. La estructura cristalina de las películas se determinó
por difracción de rayos X, (DRX) usando un equipo SIEMENS D5000 con un blanco de Cu (=1.5406 Å).
3. Resultados y discusión
3.1 Análisis morfológico y elemental
2. Detalles experimentales
Se crecieron películas de AlN por el método de deposición por láser pulsado desde un blanco de Al en un ambiente de nitrógeno. La deposición se llevó a cabo en un sistema
de vacío que consiste en una cámara de vacío, una bomba
mecánica seca modelo ACP 28 con una velocidad de evacuación de 140 l/s y una bomba turbomolecular (280 l/s de
velocidad de bombeo). Las películas se crecieron en una
atmosfera de nitrógeno (99.99% de pureza), cuya presión se
varió entre 4 mTorr y 5 mTorr. Como material del blanco se
utilizó un disco de aluminio (1” de diámetro, 0.123” de
espesor, 99.99% de pureza). El blanco se hizo girar a una
frecuencia de 2.2 Hz para evitar la formación de grandes
cráteres y alcanzar una buena uniformidad en la deposición.
La distancia blanco-substrato fue de 5,4 cm. Se utilizó para
la ablación un láser Nd:YAG modelo INDI-30 Spectra
Physics (longitud de onda 1064 nm, energía 500 mJ y ancho
de pulso 9 ns), el haz del láser impacta al blanco en un ángulo 45°. La figura 1 muestra un esquema del montaje experimental. La fluencia del láser se obtuvo enfocando y desenfocando el haz del láser en el blanco mediante una lente
de vidrio (con distancia focal de 24.5cm), la cual se mantuvo constante a 7 J/cm2, obteniendo una mayor fluencia con
el láser enfocado en el área más pequeña posible del blanco.
La obtención de películas de AlN con buena calidad morfológica por la técnica de PLD es un reto. Autores como
Kitahara T. et al- han reportado que para fluencias superiores a 5 J/cm2 aumenta la producción de gotas de ebullición o
dropplets en las películas de AlN [12]. Estas salpicaduras
son propias de la técnica de PLD y son ocasionadas por el
desprendimiento de macropartículas que al impactar con el
sustrato generan este tipo de imperfecciones en las películas.
Para determinar la rugosidad de nuestras películas hemos
utilizado microscopia de fuerza atómica (AFM), la cual
proporciona información sobre el perfil topográfico de la
superficie de la muestra determinando su rugosidad y tamaño de grano. Los cambios en la morfología del AlN dependen de la variación en la presión de depósito, para pequeñas variaciones de presión (4mTorr y 5mTorr). La figura 2
muestra la micrografía AFM para la superficie de una película de AlN crecida sobre un sustrato de Si3N4 a una presión de 5 mTorr y temperatura ambiente, obteniendo para
estas condiciones una rugosidad de 3.8 nm y un tamaño de
grano de 85.2 nm.
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Figura. 2 Imagen AFM para una película de AlN crecida sobre un
sustrato de Si3N4 a una presión de 5 mTorr y temperatura ambiente, con una rugosidad de 3.8 nm y un tamaño de grano de 85.2 nm
para una fluencia de 7 J/cm2 .
Figura. 4 Imagen SEM para una película de AlN crecida a una
presión de 5 mTorr, temperatura ambiente para un sustrato de
Si3N4 se observa el fenómeno de dropplets típico de la técnica
PLD.
Figura. 3 Imagen AFM para una película de AlN crecida sobre
Si3N4 a una presión de 4 mTorr y temperatura ambiente para una
fluencia de 7 J/cm2 .
Figura. 5 Imagen SEM para una película de AlN crecida a una
presión de 4 mTorr, a temperatura ambiente se observa un incremento en el número de dropplets.
Para la muestra crecida sobre Si3N4 a una presión de 4
mTorr, la rugosidad aumentó a 6.7 nm pero el tamaño de
grano disminuyó a 78.1 nm. El aumento en la rugosidad
puede ser atribuido a la disminución del confinamiento del
plasma al reducirse la presión ambiente de 5mTorr a 4
mTorr. La disminución de la presión del N2, aumenta el
camino libre medio de las partículas constituyentes del
plasma aumentando la energía cinética de las partículas que
llegan al sustrato afectando la calidad superficial de las
películas. En resumen, las películas crecidas a 4 y 5 mTorr
presentan una buena calidad morfológica ubicándose
dentro de los valores reportados en la literatura para películas depositadas por PLD que es un método altamente energético [13].
La figura 4 muestra la imagen SEM para la película crecida
a una presión de 5 mTorr en donde se observan cráteres o
islas. La forma en la que crece una película tendrá una gran
influencia en sus propiedades morfológicas y estructurales
finales. El material empieza a crecer formando islas tridimensionales; cuanto mayor sea la movilidad en la superficie, más grandes serán estas islas y, por lo tanto, hará falta
aportar más material hasta que la película se vuelva continua. Por otra parte, una mayor movilidad implica un menor
número de defectos cristalinos y un tamaño de grano menor.
En la figura 3 se muestra la micrografía de la película crecida a una presión 4 mTorr sobre un sustrato de Si3N4, la
superficie de la película es mucho más homogénea que para
la de 5mTorr pero con un menor contenido de nitrógeno
debido a la disminución de la presión de depósito.
Lo anterior sugiere que, en nuestro caso la movilidad de las
partículas es muy elevada, por lo que la técnica de PLD es
apropiada para conseguir películas delgadas con un tamaño
de grano pequeño.
Las figuras 4 y 5 muestran las micrografías de las muestras
crecidas a 4 y 5 mTorr en donde se aprecian sus superficies,
películas suaves, uniformes y lisas indicando una buena
calidad superficial.
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J. A. Pérez et al.: Estudio morfológico y estructural de películas…
Figura. 6 Análisis químico por EDX para una película de AlN
crecida a una presión de 4 mTorr y temperatura ambiente a una
fluencia láser de 7 J/cm2.
Se presenta igualmente producción de gotas de ebullición o
dropplets. Estas gotas son propias de la técnica de PLD y
son ocasionadas por el desprendimiento de macropartículas
que al impactar con el sustrato generan este tipo de imperfecciones en la superficie de las películas [5]
El análisis por EDX demuestra una relación entre la incorporación del nitrógeno en las películas de AlN y la presión
de depósito. La imagen 6 muestra la composición química
de la película crecida a una presión de 4 mTorr sobre sustrato de Si3N4, realizada por medio de la técnica de energía
dispersiva de rayos X (EDX).
Para las crecidas a 4 mTorr se observa una incorporación
del N2 de 50% mientras para las películas crecidas a 5
mTorr es de 59%. Ambas películas presentan impurezas
como carbono y oxígeno, atribuible a contaminantes durante
el proceso de caracterización y manipulación de las películas. La formación de óxidos de aluminio es esperada debido
al proceso típico de protección del aluminio al formar alúmina.
La calidad cristalina de un material policristalino viene dada
por su tamaño de grano, el menor tamaño de grano es para
la película de 4mTorr con 78.1 nm. Esto puede estar relacionado con el mejoramiento de su calidad cristalina como
se observa en el difractograma mostrado en la figura 8.
La figura 8 muestra el difractograma obtenido para una
película de 4 mTorr sobre un sustrato de Si3N4 a temperatura ambiente. Desde el difractograma se observa que la película es policristalina, atribuible a un sistema heterogéneo en
formación, que además de los granos cristalinos desorientados presenta un mayor número de fronteras de grano, como
se analizó anteriormente para la película crecida a 4 mTorr.
Estos cristales presentan una estructura tipo mosaico, que
consiste en que los átomos no forman una red perfectamente
regular en toda la extensión del cristal sustrato, sino que se
forman pequeños bloques ligeramente desorientados entre
sí. Los picos de difracción se encuentran ligeramente desplazados según los picos teóricos del AlN, desplazamiento
asociado a microtensiones en los cristales fuera de su posición debido a la existencia de estrés en el material por la
diferencia entre el parámetro de red del AlN (a = 3,111 Å,
c = 4,979 Å) y el sustrato Si3N4 (a = 7,753 Å y c = 5,618
Å). El difractograma presenta las fases cúbicas [α (200), α
(110)] y fases hexagonales [h (002), h(006)] atribuibles a la
formación de alúmina Al2O3
Figura. 7 Análisis químico por EDX para una película de AlN
crecida a una presión de 5 mTorr y temperatura ambiente para un
sustrato de Si3N4.
Un aumento de la presión implica un aumento de la cantidad de especies de nitrógeno ionizadas que bombardean el
blanco y, por tanto, del número de átomos de aluminio
extraídos, lo cual hace que la velocidad de depósito sea
mayor. Para presiones elevadas, fuera del margen estudiado,
se produciría un gran número de choques entre las partículas del gas ambiente y los átomos de aluminio procedentes
del blanco, reduciendo la velocidad de depósito al dispersarse el material extraído en su camino hacia el sustrato.
3.2 Análisis estructural
Figura. 8 Difractograma de una película policristalina de nitruro
de aluminio con una presión de nitrógeno de 4 mTorr a temperatura ambiente.
La fase hexagonal (0002) corresponde a la estructura tipo
wurtzita de las películas de AlN, la cual es la fase más estable de las estructuras posibles en los compuestos de AlN,
debido a que se presenta acortamiento en la distancia entre
los planos de la estructura generando un apilamiento de
estos en la fase zincblende.
3.3 Diagnóstico del plasma
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Establecer una relación entre las propiedades morfológicas
de las películas de AlN y el plasma que produce dicho crecimiento es de suma importancia. El plasma es de naturaleza transitoria, con parámetros característicos dependientes
de las especies que lo componen y que evolucionan rápidamente. Estos parámetros son muy dependientes de las condiciones de irradiación, como la intensidad del láser y la
duración del pulso y su longitud de onda, igualmente el
plasma es afectado por la composición y presión del gas
ambiente, etc [14]. En nuestro caso hemos utilizado una
fluencia constante de 7 J/cm2 y una distancia blanco-sustrato
fija de 5.6 cm. Nuestro estudio de espectroscopia de emisión óptica se realizó para los casos en que la presión de N2
fue de 4 mTorr y 5 mTorr. Figuras 9 y 10.
Se identifican un gran número de líneas de emisión atribuibles a bandas de emisión del nitruro de aluminio atómico,
igualmente se encuentran líneas espectrales que indican la
presencia de Al y N2 atómico (Figuras 9 y 10). Se observa
en ambos casos la presencia de oxígeno el cual es producto
de contaminación en la cámara de crecimiento. Todas las
líneas de emisión atómica fueron identificadas gracias a la
base de datos del National Institute of Standards and Technology –NIST.
Para poder determinar de dónde procede la energía suministrada a los átomos en la superficie del sustrato es necesario
estudiar las distintas especies presentes en un proceso de
deposición por plasma de nitruro de aluminio producido por
láser pulsado.
En el plasma hay distintos tipos de partículas que colisionan
con el sustrato durante el proceso:
- Nitrógeno proveniente del gas ambiente.
- Electrones, generados durante la ablación del blanco. Su
energía de bombardeo es muy alta, pero sin embargo no
transfieren momento cinético a los átomos de la película
durante el crecimiento debido a su baja masa. Su único
efecto es el de calentar el sustrato siendo ésta una de las
principales ventajas de crecer por PLD.
- Átomos retrodispersados por el blanco, los iones de nitrógeno que inciden en el blanco tienen una alta probabilidad
de neutralizarse y ser retrodispersados por los átomos de
aluminio que lo forman, perdiendo en la colisión sólo parte
de su energía. A pesar de sufrir algunos choques con el gas
ambiente presente en la ablación, estos átomos retrodispersados pueden llegar al sustrato con una energía considerable. Sus efectos han sido estudiados por numerosos autores
que utilizan nitrógeno como único gas en la descarga como
en nuestro caso [15-18].
- Átomos de aluminio, extraídos del blanco con densidades
de energía por pulso entre 166 y 1010 W cm-2, densidad de
energía necesaria para realizar la ablación del material. Tras
unos pocos choques estos átomos quedan termalizados en el
plasma y se puede despreciar su contribución energética en
el sustrato durante el crecimiento.
Figura. 9 Espectro de emisión óptica del aluminio en un ambiente
de nitrógeno con una presión de 4 mTorr. Se observan las bandas
del AlN (0,0) y AlN (1,0) debido a la reconfiguración de las especies del plasma.
Así pues, sólo los iones positivos presentes en la ablación, y
tal vez los átomos neutros de nitrógeno retrodispersados,
son capaces, mediante el bombardeo, de suministrar energía
cinética a los átomos de la superficie de la película en crecimiento para favorecer su movilidad y así poder variar la
velocidad de crecimiento de los distintos planos cristalográficos. Las especies cargadas adquieren su energía a través
de la recombinación de las especies presentes en el plasma
que en las proximidades del sustrato la pierden en los choques con las especies neutras de la ablación.
Los iones correspondientes a especies relacionadas con el
nitrógeno tienen una masa lo suficientemente pequeña como
para que la extracción de material debida a sus choques con
el blanco sea muy baja y como para tener muchas probabilidades de ser despedidos de nuevo hacia el plasma después
de chocar con el blanco, parte de ellos en forma de partículas neutras tras haber sido neutralizados en la colisión.
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Se fabricaron películas delgadas nanoestructuradas de nitruro de aluminio (AlN) por medio de la técnica de deposición
por láser pulsado (PLD). Debido a las condiciones de depósito, las muestras presentan un crecimiento policristalino
con fases cúbica (110), AlN α (200) y AlN hexagonal
(0002).
Figura. 10 Espectro de emisión óptica del aluminio en un ambiente de nitrógeno con una presión de 5 mTorr. Se observa Al XII
Ionizado.
En el espectro de la figura. 9 las líneas más intensas están
relacionadas con la emisión de las especies de aluminio. Al
parecer, las principales especies que se emiten en la ablación son las especies del aluminio, encontrándose aluminio
una vez ionizado (Al II). Las líneas con mayor intensidad en
el espectro de plasma son Al XII en 631,337 nm, para una
configuración electrónica 1s3p - 1s3d. También se observan
líneas de emisión de especies de nitrógeno, tanto neutro
como múltiplemente ionizado, con picos más intensos en
618.909 nm (N I), 644.902 nm (N III), 740.359 nm (NIII).
La presencia de oxígeno es atribuible a contaminación de la
cámara de vacío o a un bajo flujo de gas nitrógeno durante
el purgado de la cámara.
Se observan especies de oxígeno OII en 762.882 nm, O III
751.325 nm y OV en 676.585nm y 743.153 nm. En
509.985nm se observa una banda de emisión del AlN (0,0)
[19]. Una segunda banda de emisión, mucho más débil, se
observa en 523.060 nm para AlN (1,0) [20]. Estas bandas
sólo se presentaron para una presión de 4 mTorr. [14-20]
En la tabla 1, se relacionan las principales propiedades de
las películas delgadas de AlN crecidas con las especies
observadas en los respectivos plasmas formados al ablacionar el blanco de Al en una atmosfera de nitrógeno.
Tabla. 1 Principales características para las películas crecidas a 4
mTorr y 5 mTorr a temperatura ambiente y sus respectivas líneas
de emisión ópticas para el plasma de AlN.
4. Conclusiones
El tamaño de grano fue de 78,1 nm con una rugosidad de
6,7 nm para una presión de 4 mTorr a una temperatura ambiente. La rugosidad disminuyó a 3,8 nm y aumentó el tamaño de grano a 85.2 nm para una presión de 5 mTorr de
N2. La dependencia de la calidad de la superficie y su morfología con la presión de nitrógeno, puede ser explicada por
medio del estudio del plasma. La baja presión del N2, aumenta el camino libre medio de las partículas constituyentes
del plasma lo que significa mayor energía cinética de las
partículas que se adhieren al sustrato. Se observan bandas
propias de AlN para la presión de 4 mTorr donde es mayor
la incorporación de aluminio en las películas y menor el
tamaño de grano. Se observan las bandas del AlN (0,0) y
AlN (1,0) debidas a la reconfiguración de las especies del
plasma. Igualmente se observa que las líneas con mayor
intensidad en el espectro de plasma son de Al (Al XII en
631,337 nm, para una configuración electrónica 1s3p 1s3d. Líneas de emisión, pasando de neutral y de múltiples
ionizado, también se observan con picos más intensos en
618.909 nm (N I), 644.902 nm (N III), 740.359 nm (NIII).
Presión
(mTorr)
Rugosidad
(nm)
Tamaño
Grano (nm)
%At
(Al)
%At
(N2)
4
6.7
78.1
8.14
50.85
5
3.8
85.2
7.70
59.24
EOS
Al XII—N
III—O V
AlN (0,0) AlN
(1,0)
Al XII—N
II—O III
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