estudios Ópticos en el procesamiento de pelí películas delgadas … · 2005. 1. 17. · i taller...
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-
Estudios Ópticos en el Procesamiento de Películas Delgadas
Arturo Mendoza Galván
CINVESTAV-IPN, Unidad Querétaro
Estudios Estudios ÓÓpticos en el Procesamiento de pticos en el Procesamiento de PelPelíículas Delgadasculas Delgadas
Arturo Mendoza GalvArturo Mendoza Galváánn
CINVESTAVCINVESTAV--IPN, Unidad QuerIPN, Unidad Queréétarotaro
I Taller Internacional de Ciencia de MaterialesI Taller Internacional de Ciencia de MaterialesUniversidad Autónoma de PueblaUniversidad Autónoma de Puebla
Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas”Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas”Enero de 2005Enero de 2005
-
Contenido:1. ITO: Efecto de la temperatura de
tratamiento. Cuauhtémoc Trejo (M) y Miguel Gracia (IFUAP).
2. Co-SiO2: Efectos de composición y temperatura de tratamiento. Alicia Ramos (M) y Hugo Tototzintle (M).
3. Ni-SiO2: Efectos de composición y temperatura de tratamiento. Julián Hernández (D).
4. Oxidación de Ni. Ana María López (D).
Contenido:Contenido:1.1. ITO: Efecto de la temperatura de ITO: Efecto de la temperatura de
tratamiento. tratamiento. Cuauhtémoc Cuauhtémoc Trejo (M) y Trejo (M) y Miguel Gracia (IFUAP).Miguel Gracia (IFUAP).
2.2. CoCo--SiOSiO22: Efectos de composición y : Efectos de composición y temperatura de tratamiento. temperatura de tratamiento. Alicia Alicia Ramos (M) y Hugo Ramos (M) y Hugo TototzintleTototzintle (M).(M).
3.3. NiNi--SiOSiO22: Efectos de composición y : Efectos de composición y temperatura de tratamiento. temperatura de tratamiento. Julián Julián Hernández (D).Hernández (D).
4.4. Oxidación de Ni. Oxidación de Ni. Ana María López (D).Ana María López (D).
-
AnAnáálisis de Datoslisis de Datos
substrato
capa #1
capa #2
capa # n
DatosExperimentales
Ajuste deDatos
DatosGeneradosdel Modelo
Paso 3:Comparar los datos generadosy experimentales, ajustar losparámetros del modelo para
minimizar la diferencia.
ModeloPaso 2:
Usar la estructura delmodelo para predecir
datos de la teoría.
Paso 1:Tomar mediciones,
construir un modelo físicopara describir a la muestra
-
Ejemplos: Ejemplos: Efecto de reflexiones en la cara posterior del substrato sobre las mediciones elipsomètricas.
• Óxido de indio estaño (ITO) sobre vidrio
0
5
10
15
20
25
Ψ (g
rado
s)
rugosa plana
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
∆ (g
rado
s)
λ (nm)
-
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.50
5
10
15
20
Sin tratamiento TT=300 °C; 1 hr.
Energía (eV)
Ψ (g
rado
s)
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
0
30
60
90
120
150
180
Energía (eV)
∆ (g
rado
s)
Ejemplos: ITO sobre vidrioEjemplos: ITO sobre vidrioDatos experimentales
-
Ajustes para tres Ajustes para tres áángulos de incidenciangulos de incidencia
0
5
10
15
20
25
Ψ (g
rado
s)
200 300 400 500 600 700 800 9000
30
60
90
120
150
180 θi = 70° θi = 65° θi = 60° Fit
∆ (g
rado
s)
λ (nm)
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
Ψ (g
rado
s)
θ i = 70° θ i = 65° θ i = 60° F it
2 00 30 0 400 5 00 600 7 00 80 0 9 000
2 0
4 0
6 0
8 0
10 0
12 0
14 0
16 0
18 0
∆ (g
rado
s)
λ (n m )
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
Ψ (g
rado
s)
θ i = 70° θ i = 65° θ i = 60° F it
2 00 30 0 400 5 00 600 7 00 80 0 9 000
2 0
4 0
6 0
8 0
10 0
12 0
14 0
16 0
18 0
∆ (g
rado
s)
λ (n m )
-
200 300 400 500 600 700 800 900
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
ST TT = 300 °C
n y
k
λ (nm)
n
k
Efecto sobre las constantes Efecto sobre las constantes óópticas pticas del ITOdel ITO
Oscilador de Lorentz generalizado
-
1 2 3 4 50
20
40
60
80
100
T (%
)
Exp Fit
λ (µm)
ST
300 °C
0 5 10 15 20 25
R (%
)
λ (µm)
ST
300 °C
1 2 30
20
40
60
80
ST300 °C
400 °C
Ajustes de R y T en el infrarrojoAjustes de R y T en el infrarrojo
,;)(
)(2
02
νωεε
σωωωε
εωεh
pIR
p
iv∞∞
∞ =+−=
-
0 1 2 3 4 5
0
1
2
3
4
ST TT = 300 °C
n y
k
Energía (eV)
ElipsometríaR y T
k
n
Constantes Constantes óópticas del ITO ypticas del ITO y
frecuencia de plasmafrecuencia de plasma
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0
1
2
3
4
ST TT = 300 °C
n y
k
Energía (eV)
k
n
ωp
-
ParParáámetros de ajuste y conductividad elmetros de ajuste y conductividad elééctricactrica
0 100 200 300 400 500
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
ν (e
V)
TT (°C)
,;)(
)(2
02
νωεε
σωωωε
εωεh
pIR
p
iv∞∞
∞ =+−=
0 100 200 300 400 500
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
ωp
(eV
)
TT (°C)
0 100 200 300 400 500
2000
4000
6000
8000
TT (ºC)
σ DC (Ω
-cm
)-1
DC
2000
4000
6000
8000
IR
σIR
(Ω-c
m)-1
-
PelPelíículas compuestas culas compuestas CoCo--SiOSiO22Sitios tetraédricos y octaédricos
0.04
0.05(a) as-deposited gel
0.04
0.06
0.08Si/Co=3.1
Si/Co=7.1
(b) Si/Co=7.1 and 3.1, 500°C
400 500 600 700 8000.08
0.12
0.16
(c) Si/Co=1.3, 300°C
A=-
log 1
0(T)
λ (nm)
T
O
Campoesférico
ion asiladoetetraédrico
t2goctaédrico
094∆=∆T
T∆52
T∆53
053∆
052∆
t2
eg
-
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
λ (nm)
K=3.1, 500 °C
K=1.3, 300 °C
K=1.3, 500 °C
Exp. Cal.
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
50
K = 3.1, 500 °C
K = 1.3, 300 °C
K = 1.3, 500 °C
Exp. Cal.
R (%
)
λ (nm)
PelPelíículas compuestas culas compuestas CoCo--SiOSiO22
Co3O4SiO2:Co2+ vidrio
SiO2:Co2+
vidrio
-
0
20
40
60
80
100
500 ºC
450 ºC
400 ºC
300 ºC
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
Formación de Co3O4 sobre SiO2
400 ºC
450 ºC
500 ºC
300 ºC
R (%
)
λ (nm)
300 350 400 450 500
T (°C)
05
10152025303540
0 50 100 150 200 250
espe
sor (
nm)
tiempo (min)
200 300 400 500 600 700 800 900
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Constantes ópticas del Co3O4
λ (nm)
n k
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 50 100 150 200 250
d (n
m)
time (min)
300 350 400 450 500
(a)
T (°C)
1.4 1.6 1.81
2
3
4
ln (d
)
103/T (K-1)
0 20 40 600
20
40
60
80
100
silicon
cobalt
oxygen
500 °C, 10 min(b)
depth (nm)
at.
(%)
-
0 96 192 288 384 480 5760
5
10
15
20
25
30
35
40
32
1
ta (hours)
η (c
P)
Efecto de la viscosidad de la soluciEfecto de la viscosidad de la solucióón precursora. n precursora. FormaciFormacióón de n de CoCo33OO44 en la superficie y en el volumen en la superficie y en el volumen de de SiOSiO22..
SiO2
vidrio
243
243
3
2
2
22 4 SiOOCoSiOOCo
OCoSiO
SiO fεεεε
εεεε
+−
=+−
0
10
20
30
40
50
60
(a)
η = 12.5 cP
η = 5.5 cP Exp. Cal.
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 90010
20
30
40 (b)
η = 12.5 cP
η = 5.5 cP
R (%
)
λ (nm)
Co3O4SiO2:Co2+
vidrio
-
2
4
6
8
10
12
R
T
Exp Cal
(a)
R (%
)
70
80
90
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 9001.45
1.46
1.47
1.48
1.49
1.50
1.51
kn
(b)
n
λ (nm)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
k (x
10-3)
6
7
8
9
10
(a)
R(%
)
70
80
90
R
T
Exp Cal Substrate
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 9001.48
1.50
1.52
1.54
1.56
k
n
(b)
λ (nm)
n
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
k (x
10-2)
10NiO+90SiO2
vidrioSiO2:Ni2+ SiO2:Ni2+
NiO
cuarzo
20NiO+80SiO2
Compuestos NiCompuestos Ni--SiOSiO22
-
Infrarrojo: SiO2 sobre Si
1400 1200 1000 800 600 400
10
20
30
40
50
60
70
Si SiO2/Si
ω3
ω1ω4 Si-O-SI
Si-OH T
(%)
Número de onda (cm-1)
1400 1200 1000 800 600
0.30
0.35
0.40
0.45
O-i
Número de onda (cm-1)
O-i
Silicio
A
ω4 TO 1060 cm-1 LO 1190 cm-1
ω1 450 cm-1
ω3 TO 790 cm-1LO 810 cm-1
oxígeno
silicio
-
Compuestos NiCompuestos Ni--SiOSiO22
600 900 1200 1500 1800
180 °C
Abs
orba
nce
(arb
. uni
ts)
250 °C
Wavenumber (cm-1)
300 °C
as-deposited
H2OR
B
AS
(NO3)-
Si-OH
(a)
2800 3200 3600 4000
Wavenumber (cm-1)
as-deposited
180 °C
250 °C
300 °C
(b)
0
1
2
A (%
)
(a)as-deposited
0
4
8
A (%
)
(b)TT=180 °C
400 500 600 700 8000
4
8
A(%
)
λ (nm)
(c)TT=300 °C
SiO2
vidrio
40NiO+60SiO2
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
0
20
40
60
80
λ (nm)
300 °C
R (%
)
Exp Cal
R (%
)
180 °C
SiO2
vidrio
-
FormaciFormacióón de partn de partíículas de culas de NiONiO en en SiOSiO2
700 800 900 1000 1100 1200 1300 2500 3000 3500 4000
700 800 900 1000 1100 1200 1300
Si-OH
B
AS2
AS1
300 °C 500 °C 800 °C
Wavenumber (cm-1)
-log(
T/T S
i)
300 °C 500 °C 800 °C
Wavenumber (cm-1)
Wavenumber (cm-1)
TT=800 °C
NiO-SIO2 SiO2
2
0
20
40
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
0
20
40
300 °C
R (%
)
λ (nm)
800 °C
R (%
) R
(%)
500 °C
SiO2
vidrio
-
Transformación de partículas de NiO en partículas de Ni.
6
8
10
12
R
T(a)
Exp Cal
R (%
)
0
20
40
60
80
100
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 900
1.55
1.60
1.65
1.70
k
n
(b)
λ (nm)
n
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
k
SiO2:Ni2+NiO=3.5%
cuarzo
6
8
10(a)
Exp Cal
R (%
)
0
10
20
30
40
50
60
70
800 ºC
500 ºC
T (%
)
200 300 400 500 600 700 800 900
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25 (b)
λ (nm)
500 ºC 800 ºC
k
200 400 600 8001.51.61.71.81.92.0
n
Tratamiento en aire a 500ºC Tratamiento en H2/N2
fNi=10%
dNi=5nm
Ni=10%
dNi
f
=5nm
SiO2Ni
cuarzo
-
200 300 400 500 600 700 800 900
10
15
20
25
30
35
40
v=24.7 cm/min
RT
R(%
)
λ (nm)
Exp. 500°C Cal. 500°C
30
40
50
60
70
80
90
T(%
)
FormaciFormacióón de una capa superficial de n de una capa superficial de NiONiO
NiO, 22 nmSiO2:Ni2+,1036 nm
vidrio
1.5
2.0
2.5
3.0
n
n200 300 400 500 600 700 800 900
1.63
1.64
1.65
1.66
1.67
1.68 Si02:Ni2+
λ (nm)
k (1
0-3 )
n
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0NiO
k
0.0
0.7
1.4
2.1
k
-
Oxidación de NíquelOxidación de Níquel
20
40
Exp Cal
410 ºC
Psi
40
80
120
Exp Cal
Delta
0
25
50
440 ºC
0
20
40
60
470 ºC
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.50
20
500 ºC
Energía (eV)
0
40
80
120
160
200
0
40
80
120
160
200
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.50
40
80
120
160
200
Energía (eV)
Ni:125 nmvidrio
Ni: dNi (T,t)NiO: dox(T,t)
vidrio
-
Oxidación de NíquelOxidación de Níquel
Ni:125 nmvidrio
Ni: dNi (T,t)NiO: dox(T,t)
vidrio
360 390 420 450 480 510 5400
40
80
120
160
200
t = 10 min
T (ºC)d o
x (nm
)
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
4
6
8
10
1000/T
Ln(d
ox2 )
0 20 40 60 80 100 1200
50
100
150
200
T = 450 ºC
tiempo (min)
d ox (
nm)
12
-
SumarioSumario
El análisis de datos ópticos sobre un intervalo amplio de longitudes de onda permite determinar diferentes parámetros ópticos y microestructurales de la muestra.
Con lo anterior es posible estudiar el efecto de las variables del procesamiento sobre las cantidades de interés.
-
Incorporación de diferentes Incorporación de diferentes especies en los poros del especies en los poros del SiOSiO22
-
700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0
0.1
0.2
700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0
0.2
0.3
Fresca 100 ºC 300 ºC 500 ºC 800 ºC
(a)
A
Frecuencia (cm-1)
V = 5 cm/min
(b)
A
Frecuencia (cm-1)
V = 10 cm/min
0.1
2500 3000 3500 40000.00
0.01
0.02
0.03
2500 3000 3500 40000.00
0.01
0.02
0.03
0.04(a)
Abs
orci
ón (%
)
Fresca 100 ºC 300 ºC 500 ºC 800 ºC
Frecuencia (cm-1)
V = 5 cm/min (b)
V = 10 cm/min
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
80
100
120
140
160180
200
220
240
(a)
Espe
sor (
nm)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Temperatura (°C)
(b) O-H
A
v5 v10 v15 v20
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