En los apartados anteriores, se mostró cómo las consideraciones termodinámicas ycinéticas gobernaban una reacción de CVD. En este apartado, se examina la naturaleza dela deposición, es decir, su microestructura y cómo se controla mediante las condiciones delproceso de deposición.
La manera en la que se forma una película sobre una superficie por CVD siguesiendo un tema de controversia y varias teorías han sido propuestas para describir estefenómeno. Una teoría termodinámica propone que un núcleo sólido se forma a partir devapor sobresaturado como resultado de la diferencia entre la energía libre superficial y laenergía libre de granel del núcleo. Otra teoría más reciente se basa en la nucleaciónatómica y combina uniones químicas de superficies sólidas con la estadística. Estas teoríasson sin duda valiosas en sí mismas pero quedan fuera de alcance de este proyecto.
Hay, sin embargo, tres factores importantes que controlan las propiedades y lanaturaleza del depósito: epitaxia, precipitación en fase gaseosa y la expansión térmica.
EPITAXIA
La naturaleza de la deposición y la velocidad de nucleación al principio de ladeposición se ven afectados, entre otros factores, por la naturaleza del substrato (se puededecir que la estructura del substrato esencialmente controla la estructura de la deposición).
cristalina sobre unsubstrato cristalino, con el substrato actuando como una “semilla de cristal”. Cuando tantoel substrato como la capa depositada son del mismo material (por ejemplo de silicio sobresilicio) o cuando sus estructuras cristalinas son idénticas o similares, el fenómeno esconocido como homoepitaxia. Cuando los parámetros de red son diferentes, se denominaheteroepitaxia. El crecimiento epitaxial no puede ocurrir si las diferenciasestructurales son demasiado grandes. En la figura 2.32 se puede ver un esquema decrecimiento epitaxial.
En general, las películas epitaxiales tienen propiedades superiores y, cuando esposible, el crecimiento epitaxial debe ser promovido. La deposición química de vaporesepitaxial del silicio es ahora un gran proceso en la industria de los semiconductores y seespera que desempeñe un papel cada vez más importante en la mejora del rendimiento delos diseños de semiconductores y la optoelectrónica.
FIGURA 2.32. Esquema de crecimiento epitaxial FUENTE: Uso de la tecnología CVD, Borja Berlanga de la Mata PRECIPITACIÓN EN FASE GASEOSA
producirse en lafase gaseosa en lugar de en la superficie del substrato si la sobresaturación de los gasesreactivos y la temperatura son suficientemente altas. Esto es generalmente perjudicialdebido a que las partículas precipitadas en fase gaseosa, en forma de hollín, se incorporan en el depósito, causando deformidades en la estructura, rugosidad de la superficie y unapobre adhesión. En algunos casos, esta precipitación en fase gaseosa se utiliza a propósito, como en la producción de polvos extremadamente finos.
EXPANSIÓN TÉRMICA
Tensiones grandes pueden ser generadas en un recubrimiento de CVD durante elperíodo de enfriamiento desde la temperatura de deposición hasta la temperatura ambiente, si hay una diferencia sustancial entre el coeficiente de dilatación térmica (CTE) deldepósito y del substrato. Estas tensiones pueden causar grietas y desprendimiento delrecubrimiento. Si las diferencias son muy grandes, puede ser necesario el uso de unrecubrimiento amortiguador, con un CTE intermedio o una ductilidad elevada.
ESTRUCTURA Y MORFOLOGÍA DE LOS MATERIALES DE CVD
Las propiedades de un material obtenido por CVD están directamente relacionadascon la naturaleza de su estructura que es, a su vez, controlada por las condiciones de ladeposición. La estructura de un material obtenido por CVD se puede clasificar en tresprincipales grupos que se muestran esquemáticamente en la figura 2.33.
a) Granos columnares de base circular (base del crecimiento de CNT’s). b) Granos con aspecto columnar no homogéneos.
c) Granos finos circulares.
FIGURA 2.33. Tipos de estructuras de los materiales de CVD FUENTE: Uso de la tecnología CVD, Borja Berlanga de la Mata
Como cabía esperar, la microestructura varía dependiendo del material que estásiendo depositado. En general, la cerámica obtenida por CVD como SiO2, Al2O3, Si3N4 yla mayoría de los materiales dieléctricos tienden a ser amorfos o, al menos, tener unamicroestructura de tipo C. Depósitos de metal tienden a ser más cristalinos, con la típicaestructura columnar de tipo A o B. El tamaño del cristal de los depósitos es tambiénfunción de las condiciones de deposición, especialmente la temperatura.
Generalmente, la estructura más deseable es la de tipo C, que tiene las mejorespropiedades mecánicas, tales como la dureza y la tenacidad a la fractura.
Muy a menudo, un depósito puede tener una estructura mixta de dos o incluso lostres tipos. Esto puede ocurrir en depósitos gruesos donde una estructura uniforme es másdifícil de obtener.
adecuadamanipulación de los parámetros de deposición tales como temperatura, presión, concentración de los gases y la selección de la reacción de CVD.
La presión controla el espesor de la capa límite y en consecuencia el grado dedifusión como se dijo anteriormente. Al operar a baja presión, el proceso de difusión puedeser minimizado y la cinética de la superficie del substrato se convierten en el factorcontrolador de la velocidad. Bajo estas condiciones, las estructuras depositadas tienden aser de grano fino, que, en general, es una condición deseable. Estas estructuras de granofino pueden ser también obtenidas a baja temperatura y una alta sobresaturación de losgases.
A altas temperaturas, los depósitos tienden a ser cilíndricos como resultado delcrecimiento de grano ininterrumpido en la dirección de la fuente reactante. La estructuradepende también a menudo del espesor del depósito. Por ejemplo, el tamaño de granoaumenta a medida que aumenta el espesor. Una estructura columnar de grano se desarrollay se pronuncia a medida que la película se vuelve más gruesa.
Estructuras columnares son generalmente indeseables, ya que pueden generarefectos nocivos durante su crecimiento. Es posible reducir o eliminar este tipo dedeposición columnar y obtener el crecimiento de grano fino por medios mecánicos talescomo frotar o cepillar a intervalos regulares para renuclear la superficie de deposición.