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ES2622461B1 - Thin layer deposition procedure of controlled stoichiometry on substrates by flush-angle reactive sputtering - Google Patents

Thin layer deposition procedure of controlled stoichiometry on substrates by flush-angle reactive sputtering Download PDF

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ES2622461B1
ES2622461B1 ES201531939A ES201531939A ES2622461B1 ES 2622461 B1 ES2622461 B1 ES 2622461B1 ES 201531939 A ES201531939 A ES 201531939A ES 201531939 A ES201531939 A ES 201531939A ES 2622461 B1 ES2622461 B1 ES 2622461B1
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reactive
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sputtering
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ES2622461A2 (en
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Rafael ÁLVAREZ MOLINA
Victor Joaquin RICO GAVIRA
Maria Del Carmen LOPEZ SANTOS
Agustín Rodriguez González-Elipe
Alberto PALMERO ACEBEDO
Mercedes ALCON-CAMAS
María Elena GUILLÉN RODRÍGUEZ
Ramon ESCOBAR GALINDO
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Abengoa Research SL
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Abengoa Research SL
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Abstract

Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante.#El objeto de la invención se refiere a un procedimiento para la deposición de capas finas sobre un sustrato, basada en la técnica de pulverización catódica reactiva, con el objetivo de controlar la composición química del material depositado y, en paralelo, aumentar la tasa de deposición respecto a la que se obtendría mediante este procedimiento en su modo convencional de uso.#Se consigue evitar el envenenamiento del cátodo mediante la determinación del valor crítico de flujo de gas reactivo en el reactor a partir del cual se produce dicho fenómeno y disponiendo el sustrato en una configuración geométrica respecto del cátodo de forma que las especies pulverizadas de este lleguen a la superficie del sustrato según un ángulo rasante promedio, medido respecto de esta, con valores comprendidos entre 0º y 85º.Method of deposition of thin layers of controlled stoichiometry on substrates by reactive sputtering sputtering. # The object of the invention relates to a procedure for the deposition of thin layers on a substrate, based on the technique of reactive sputtering, with The objective is to control the chemical composition of the deposited material and, in parallel, to increase the deposition rate with respect to what would be obtained by this procedure in its conventional mode of use. # It is possible to avoid cathode poisoning by determining the critical value of reactive gas flow in the reactor from which said phenomenon occurs and arranging the substrate in a geometric configuration with respect to the cathode so that the pulverized species thereof reach the surface of the substrate according to an average flush angle, measured with respect to this, with values between 0º and 85º.

Description

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Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasanteThin layer deposition procedure of controlled stoichiometry on substrates by flush-angle reactive sputtering

DESCRIPCIONDESCRIPTION

SECTOR Y OBJETO DE LA INVENCIONSECTOR AND OBJECT OF THE INVENTION

La invención se enmarca en el sector de la ciencia y la tecnología de materiales y, más concretamente, en el ámbito del tratamiento de superficies con capas depositadas sobre las mismas.The invention is part of the field of materials science and technology and, more specifically, in the field of surface treatment with layers deposited on them.

Específicamente, la invención se refiere a un procedimiento para la deposición de capas finas sobre un sustrato, basada en la técnica de pulverización catódica reactiva, con el objetivo de controlar la composición química del material depositado y, en paralelo, aumentar la tasa de deposición respecto a la que se obtendría mediante este procedimiento en su modo convencional de uso. El procedimiento reivindicado se puede utilizar para depositar un rango amplio de materiales y tiene aplicación a escala industrial.Specifically, the invention relates to a process for the deposition of thin layers on a substrate, based on the technique of reactive sputtering, with the aim of controlling the chemical composition of the deposited material and, in parallel, increasing the deposition rate with respect to which would be obtained by this procedure in its conventional mode of use. The claimed process can be used to deposit a wide range of materials and has an industrial scale application.

ESTADO DE LA TECNICASTATE OF THE TECHNIQUE

La pulverización catódica de magnetrón o "magnetrón sputtering” (MS) es una técnica de deposición física de capas delgadas ampliamente utilizada en la industria para aplicaciones de gran valor añadido, tanto para recubrir superficies pequeñas, por ejemplo, en óptica, electrónica y otras aplicaciones nanotecnológicas, como para grandes superficies, como es el caso de vidrio arquitectónico o paneles solares. En esta técnica se usa un blanco o cátodo como fuente del material a depositar que se expone a un plasma de un gas inerte, preferiblemente Ar, a presión reducida y desarrollándose el proceso sin necesidad de calentar externamente dicho blanco o cátodo. Este plasma lo pulveriza, emitiendo especies con energías en el rango de los 10 eV, preferencialmente en la dirección perpendicular a su superficie. Estas especies pasan a través del plasma, experimentando un número variable de procesos de interacción dispersiva con los átomos y moléculas del gas del plasma antes de llegar a una superficie o sustrato donde se depositan en forma de película delgada.Magnetron or "magnetron sputtering" (MS) sputtering is a thin-layer physical deposition technique widely used in the industry for high value-added applications, both for coating small surfaces, for example, in optics, electronics and other applications nanotechnological, such as for large surfaces, such as architectural glass or solar panels.This technique uses a blank or cathode as a source of the material to be deposited that is exposed to a plasma of an inert gas, preferably Ar, under reduced pressure and developing the process without the need to heat said target or cathode externally.This plasma pulverizes it, emitting species with energies in the range of 10 eV, preferably in the direction perpendicular to its surface.These species pass through the plasma, experiencing a variable number of processes of dispersive interaction with the atoms and molecules of plasma gas at before reaching a surface or substrate where they are deposited in the form of a thin film.

Un modo de trabajo particular es el llamado "reactivo”, de gran utilidad para preparar capas de óxidos, nitruros u otros compuestos a partir de blancos de un elemento metálico. Este modo de trabajo es compatible con modos de operación en los que el blanco se excita mediante la aplicación de potenciales DC, DC pulsado o radiofrecuencias. En el modo deA particular way of working is the so-called "reagent", very useful for preparing layers of oxides, nitrides or other compounds from targets of a metallic element. This way of working is compatible with modes of operation in which the target is excites by applying potential DC, pulsed DC or radio frequencies.

trabajo "reactivo”, además de un gas noble (típicamente Ar), se introduce una pequeña"reactive" work, in addition to a noble gas (typically Ar), a small

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cantidad de gases reactivos en el plasma (por ejemplo, gas de oxígeno y/o nitrógeno), lo que produce una alteración de la composición química de la película y, por lo tanto, de su estequiometria. Este es el procedimiento habitual en el caso de la síntesis de capas de óxidos, como SiO2 o TiO2 a partir de blancos o cátodos de Ti y Si metálicos y un plasma que contiene una mezcla de Ar+O2.quantity of reactive gases in the plasma (for example, oxygen and / or nitrogen gas), which results in an alteration of the chemical composition of the film and, therefore, of its stoichiometry. This is the usual procedure in the case of the synthesis of layers of oxides, such as SiO2 or TiO2 from targets or metal Ti and Si cathodes and a plasma containing a mixture of Ar + O2.

Análogamente, en el caso de nitruros como el AlN o el Si3N4, se añade nitrógeno al Ar para conseguir la composición deseada a partir de blancos de Al o Si. Otros tipos de compuestos como carburos, oxinitruros, etc. se pueden preparar usando esta metodología. Pueden ser de un solo elemento metálico o de varios, usando en este caso blancos de aleaciones, mezclas metálicas homogéneas o heterogéneas, así como compuestos. De esta manera, ajustando la cantidad de gas reactivo en el plasma se pueden preparar películas total o parcialmente nitruradas u oxidadas, por ejemplo, TiO2, SiO2, AlN o, alternativamente, TiOx, SiOx o AlNx donde x es menor que el valor correspondiente en el óxido o nitruro completamente estequiométrico.Similarly, in the case of nitrides such as AlN or Si3N4, nitrogen is added to the Ar to achieve the desired composition from Al or Si targets. Other types of compounds such as carbides, oxynitrides, etc. They can be prepared using this methodology. They can be of a single metallic element or of several, using in this case alloy targets, homogeneous or heterogeneous metal mixtures, as well as compounds. Thus, by adjusting the amount of reactive gas in the plasma, fully or partially nitrated or oxidized films can be prepared, for example, TiO2, SiO2, AlN or, alternatively, TiOx, SiOx or AlNx where x is less than the corresponding value in the completely stoichiometric oxide or nitride.

Sin embargo, el control de la estequiometría de la capa, es decir el valor de x o, lo que es lo mismo la relación O/M o N/M, siendo M el elemento metálico, se consigue ajustando la presión parcial del gas reactivo en el plasma, lo que produce fenómenos indeseados de envenenamiento del cátodo, esto es, cambios de composición de su superficie debido a la reacción con dichos gases reactivos. Estos fenómenos se ponen de manifiesto en las llamadas curvas de histéresis, cuya representación genérica se muestra en la Figura 1. Las curvas especificas a cada situación particular dependen de las condiciones experimentales utilizadas: potencia electromagnética para mantener el plasma, presión del gas inerte, composición, tamaño y diseño del blanco, distancia relativa entre el blanco y el sustrato, geometría del reactor y la velocidad de bombeo de las bombas de vacío, y se obtienen al aumentar progresivamente el flujo de gas reactivo en el reactor. Para el caso del crecimiento de un óxido, trabajando con señales eléctricas DC, DC pulsada o de radiofrecuencias, las distintas etapas o tramos de dicha curva se ilustran en la Figura 1. Las consideraciones serían análogas para el caso de nitruros, oxinitruros, carburos u otros materiales compuestos, siendo en este caso los gases reactivos nitrógeno o combinación de oxígeno y nitrógeno u otros gases.However, the control of the stoichiometry of the layer, that is to say the value of xo, which is the same as the ratio O / M or N / M, where M is the metallic element, is achieved by adjusting the partial pressure of the reactive gas in the plasma, which produces unwanted phenomena of cathode poisoning, that is, changes in surface composition due to the reaction with said reactive gases. These phenomena are revealed in the so-called hysteresis curves, whose generic representation is shown in Figure 1. The specific curves for each particular situation depend on the experimental conditions used: electromagnetic power to maintain the plasma, inert gas pressure, composition , size and design of the target, relative distance between the target and the substrate, geometry of the reactor and the pumping speed of the vacuum pumps, and are obtained by progressively increasing the flow of reactive gas in the reactor. In the case of the growth of an oxide, working with electrical signals DC, pulsed DC or radiofrequency, the different stages or sections of said curve are illustrated in Figure 1. The considerations would be analogous in the case of nitrides, oxynitrides, carbides or other composite materials, being in this case the reactive gases nitrogen or combination of oxygen and nitrogen or other gases.

Se diferencian en esta curva una serie de tramos definidos por el rango de flujo de gas reactivo, su aumento o disminución y la presión parcial resultante.A series of sections defined by the reactive gas flow range, its increase or decrease and the resulting partial pressure are differentiated in this curve.

• Tramo A: Para flujos bajos de oxígeno, el blanco apenas se oxida, ya que el plasma consigue pulverizar el poco oxígeno que se hubiere incorporado en su superficie. En• Section A: For low oxygen flows, the target barely oxidizes, since the plasma manages to pulverize the little oxygen that has been incorporated into its surface. In

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consecuencia, el blanco o cátodo funciona como si no hubiese gas reactivo en el reactor y las especies de oxígeno se incorporan a la película delgada. En esta situación, las tasas de deposición son altas, tal y como corresponde a un proceso a partir de un cátodo metálico. Esta fase es conocida como modo metálico, donde las películas crecen incorporando una baja proporción de especies reactivas.Consequently, the blank or cathode functions as if there is no reactive gas in the reactor and the oxygen species are incorporated into the thin film. In this situation, the deposition rates are high, as corresponds to a process from a metal cathode. This phase is known as metallic mode, where the films grow incorporating a low proportion of reactive species.

• Tramo B: el rango de flujos del gas reactivo (en esta ilustración el oxígeno) tienen valores intermedios y la presión parcial sigue siendo mayormente baja. El cátodo continúa en modo metálico hasta que la presión parcial de oxígeno en el reactor es lo suficientemente alta como para comenzar a oxidarlo, alterándose su composición efectiva resultando en que las capas más externas se oxidan (o nitruran si se utilizara nitrógeno como gas reactivo). La formación de esta capa de óxido (nitruro) da lugar a diferentes fenómenos no lineales que se refuerzan entre sí, entre los que destacan: i) la tasa de pulverización de especies metálicas disminuye al aumentar la cantidad de oxígeno o elemento reactivo incorporado a la superficie del blanco, y ii) la conductividad del cátodo disminuye significativamente, al estar su superficie formada por una capa de óxido de carácter aislante, alterando el plasma y disminuyendo todavía más la tasa de pulverización. Como consecuencia de todo ello, la presión parcial de oxígeno en la cámara aumenta rápidamente, hecho que se manifiesta gráficamente por el salto en la presión al subir ligeramente el flujo de gas reactivo. El valor crítico de flujo de gas reactivo Oc está determinado por este punto. Este salto representa la transición del modo metálico al llamado modo reactivo del cátodo, y se caracteriza por el crecimiento de películas delgadas con una proporción alta de átomos de especies reactivas, aunque no llegando a la composición completamente estequiométrica, es decir, se obtienen estequiometrías tipo MOx donde, para los casos de TiOx o SiOx, el valor de x sería menor que dos.• Section B: the range of reactive gas flows (in this illustration oxygen) have intermediate values and the partial pressure is still mostly low. The cathode continues in metallic mode until the partial pressure of oxygen in the reactor is high enough to begin to oxidize it, its effective composition altering resulting in the outermost layers oxidizing (or nitriding if nitrogen was used as a reactive gas) . The formation of this oxide (nitride) layer gives rise to different non-linear phenomena that reinforce each other, among which the following stand out: i) the rate of pulverization of metallic species decreases with increasing the amount of oxygen or reactive element incorporated into the target surface, and ii) the conductivity of the cathode decreases significantly, since its surface is formed by an insulating oxide layer, altering the plasma and further decreasing the spray rate. As a consequence of all this, the partial pressure of oxygen in the chamber increases rapidly, a fact that is manifested graphically by the jump in pressure when the reactive gas flow rises slightly. The critical reactive gas flow value Oc is determined by this point. This jump represents the transition from the metallic mode to the so-called reactive mode of the cathode, and is characterized by the growth of thin films with a high proportion of atoms of reactive species, although not reaching the completely stoichiometric composition, that is, stoichiometry type is obtained. MOx where, for TiOx or SiOx cases, the value of x would be less than two.

• Tramo C: al seguir aumentando el flujo del gas reactivo, el blanco o cátodo se oxida todavía más y la presión parcial de oxígeno aumenta con el flujo de oxígeno. Esta fase es conocida como modo reactivo o “envenenado”. La tasa de deposición disminuye drásticamente, se obtienen capas con altas proporciones de oxígeno con respecto al metal, alcanzándose generalmente la composición estequiométrica.• Section C: as the flow of reactive gas continues to increase, the target or cathode oxidizes further and the partial pressure of oxygen increases with the flow of oxygen. This phase is known as reactive or "poisoned" mode. The deposition rate decreases dramatically, layers with high oxygen proportions with respect to the metal are obtained, the stoichiometric composition being generally achieved.

• Tramo D: en la fase descendente disminuye el flujo de oxígeno, el cátodo sigue aún oxidado, siendo el valor de la presión parcial de oxígeno en la cámara similar a la del caso anterior. El blanco trabaja en las condiciones típicas de un modo reactivo, y las películas siguen creciendo con composición completamente estequiométrica y a tasas muy bajas de crecimiento.• Section D: in the descending phase the flow of oxygen decreases, the cathode is still oxidized, the value of the partial pressure of oxygen in the chamber being similar to that of the previous case. White works under typical conditions in a reactive manner, and the films continue to grow with a completely stoichiometric composition and at very low growth rates.

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• Tramo E: al disminuir aún más el flujo de oxígeno, el cátodo sigue estando oxidado, incluso para valores de flujo de gas reactivo por debajo de Oc para los que en la fase ascendente inicial, aquél operaba en el modo metálico. En este tramo, el blanco sigue totalmente oxidado (o nitrurado), la tasa de deposición sigue siendo muy baja y el material depositado es completamente estequiométrico.• Section E: by decreasing the oxygen flow further, the cathode is still oxidized, even for reactive gas flow values below Oc for those in the initial ascending phase, which operated in the metallic mode. In this section, the target is still completely oxidized (or nitride), the deposition rate is still very low and the deposited material is completely stoichiometric.

• Tramo F: cuando el flujo de oxígeno, o gas reactivo, es suficientemente bajo, el blanco vuelve de nuevo al modo metálico, reproduciéndose lo que ocurría en el tramo A.• Section F: when the flow of oxygen, or reactive gas, is sufficiently low, the target returns to the metallic mode, reproducing what happened in section A.

El envenenamiento del cátodo en la pulverización catódica reactiva se conoce desde hace décadas, habiéndose dedicado un gran esfuerzo a disminuir o eliminar problemas asociados con este fenómeno, en particular,Cathode poisoning in reactive cathodic spraying has been known for decades, with great effort being devoted to reducing or eliminating problems associated with this phenomenon, in particular,

i ) la baja eficiencia del proceso al disminuir la tasa de deposición en la parte reactiva del tramo B, C, D y E, yi) the low efficiency of the process by reducing the deposition rate in the reactive part of section B, C, D and E, and

ii) la falta de estabilidad y control del proceso en la transición entre el modo metálico y el reactivo, que hace que una pequeña fluctuación de los flujos de los gases en el reactor altere fuertemente la estequiometría de la película, con la consiguiente variación de la tasa de deposición.ii) the lack of stability and control of the process in the transition between the metallic mode and the reagent, which causes a small fluctuation of the gas flows in the reactor to strongly alter the stoichiometry of the film, with the consequent variation of the deposition rate

Los procedimientos más relevantes para evitar esta problemática se basan en:The most relevant procedures to avoid this problem are based on:

• El aumento de la velocidad de bombeo [Danroc J. et al. “Reactive magnetron sputtering of TiN: Analysis of the deposition process". Surface and Coatings Technology, Volume 33, 1(1987); Spencer A.G. et al. “Pressure stability in reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films, Volume 158, (1988)] en la cámara de vacío, de forma que el consumo del gas reactivo por el sistema de bombeo domine al de crecimiento de la capa. El principal problema de este procedimiento, en particular en la industria, es el incremento en costes de un sistema de bombeo adaptado para grandes cámaras de vacío.• Increased pumping speed [Danroc J. et al. "Reactive magnetron sputtering of TiN: Analysis of the deposition process". Surface and Coatings Technology, Volume 33, 1 (1987); Spencer AG et al. "Pressure stability in reactive magnetron sputtering", Thin Solid Films, Volume 158, (1988 )] in the vacuum chamber, so that the consumption of reactive gas by the pumping system dominates the growth of the layer.The main problem of this procedure, particularly in the industry, is the increase in costs of a system pumping adapted for large vacuum chambers.

• Aumentar la distancia blanco-a-sustrato [Schiller S. et al. “Reactive high rate D.C. sputtering: Deposition rate, stoichiometry and features of TiOx and TiNx films with respect to the target mode”; Thin Solid Films, Volume 111, (1984)]. Al hacer esta distancia mayor se puede modular la tasa de deposición del material pulverizado del cátodo, y controlar su composición. Sin embargo, desde un punto de vista de eficiencia industrial, esta aproximación no resulta práctica ya que disminuye la tasa de deposición e implica trabajar con cámaras de vacío aún más grandes, con el consecuente aumento de costes.• Increase the white-to-substrate distance [Schiller S. et al. “Reactive high rate D.C. sputtering: Deposition rate, stoichiometry and features of TiOx and TiNx films with respect to the target mode ”; Thin Solid Films, Volume 111, (1984)]. By making this distance greater, the deposition rate of the pulverized cathode material can be modulated and its composition controlled. However, from an industrial efficiency point of view, this approach is not practical since it reduces the deposition rate and involves working with even larger vacuum chambers, with the consequent increase in costs.

• La obstrucción selectiva del flujo de gas reactivo al cátodo [Maniv S. et al. “High rate deposition of transparent conducting films by modified reactive planar magnetron sputtering of Cd2Sn alloy’; Journal of Vacuum Science and Technology 04; 18 (2-18), (1981) ; Scherer• Selective obstruction of the flow of reactive gas to the cathode [Maniv S. et al. “High rate deposition of transparent conducting films by modified reactive planar magnetron sputtering of Cd2Sn alloy’; Journal of Vacuum Science and Technology 04; 18 (2-18), (1981); Scherer

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M. et al., “Reactive high rate d.c. sputtering of oxides’’, Thin Solid Films 119, (1984)], introduciendo una rendija o deflector entre el cátodo y el sustrato que propicie la entrada del gas reactivo en el sistema justo al lado del sustrato . De este modo es posible depositar capas de alta estequiometría antes de que el cátodo se envenene completamente. Por el contrario, este procedimiento requiere una limpieza frecuente de la rendija o reflector, produciéndose además una reducción del flujo metálico hacia el sustrato.M. et al., “Reactive high rate d.c. sputtering of oxides ’’, Thin Solid Films 119, (1984)], introducing a slit or deflector between the cathode and the substrate that facilitates the entry of the reactive gas into the system right next to the substrate. In this way it is possible to deposit layers of high stoichiometry before the cathode is completely poisoned. On the contrary, this procedure requires frequent cleaning of the slit or reflector, also producing a reduction of the metallic flow to the substrate.

• Pulsar el flujo de gas reactivo [Aronson A.J. et al.“Preparation of titanium nitride by a pulsed d.c. magnetron reactive deposition techniques using the moving mode of depositionThin Solid Films 72 (1980) ; US4428811; US4428812; Sproul W.D. et al. “High rate reactive sputtering process control’, Surface Coatings Technol. 33 (1987)] para operar en modo metálico de forma estable. Esto se consigue activando y desactivando de forma periódica y en intervalos cortos el flujo del gas reactivo usando una válvula piezoeléctrica. El intervalo donde el flujo de gas reactivo esta desactivado permite la eliminación de compuestos formados sobre la superficie del cátodo antes de que se acumulen propiciando su envenenamiento. Las principales desventajas de esta técnica están asociadas a la necesidad de un extenso trabajo de optimización del proceso previamente a la deposición de capas con la estequiometria requerida, y a la necesidad de revisar y ajustar continuamente los parámetros del mismo.• Press the flow of reactive gas [Aronson A.J. et al. “Preparation of titanium nitride by a pulsed d.c. magnetron reactive deposition techniques using the moving mode of depositionThin Solid Films 72 (1980); US4428811; US4428812; Sproul W.D. et al. “High rate reactive sputtering process control’, Surface Coatings Technol. 33 (1987)] to operate in metallic mode stably. This is achieved by activating and deactivating periodically and in short intervals the flow of the reactive gas using a piezoelectric valve. The interval where the flow of reactive gas is deactivated allows the elimination of compounds formed on the cathode surface before they accumulate causing their poisoning. The main disadvantages of this technique are associated with the need for extensive process optimization work prior to the deposition of layers with the required stoichiometry, and the need to continuously review and adjust its parameters.

• Utilizar sistemas de control de estabilidad basados en la monitorización de la emisión del plasma (PEM) [J. Musil et al.’’Reactive magnetron sputtering of thin films: present status and trends”; Thin Solid Films 475 (2005) 208-218] para poder controlar de forma automática la presión y así poder trabajar en la zona de transición entre el modo metálico y reactivo. Estos sistemas de control se vuelven inestables para altos flujos de gas reactivo.• Use stability control systems based on plasma emission monitoring (PEM) [J. Musil et al. ’’ Reactive magnetron sputtering of thin films: present status and trends ”; Thin Solid Films 475 (2005) 208-218] to be able to automatically control the pressure and thus be able to work in the transition zone between metallic and reactive mode. These control systems become unstable for high reactive gas flows.

EXPLICACION DE LA INVENCIONEXPLANATION OF THE INVENTION

Constituye el objeto de la presente invención un procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante que comprende los siguientes pasos:The object of the present invention is a method of deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by sputtering angle reactive sputtering comprising the following steps:

- colocación del sustrato sobre el que se va a producir la deposición de la capa delgada en el reactor que contiene un blanco que actúa como cátodo, el cual aporta material a depositar.- placing the substrate on which the deposition of the thin layer in the reactor that contains a blank that acts as a cathode, which provides material to deposit, will occur.

- aplicación de una potencia electromagnética que induce un voltaje promedio en el cátodo comprendido entre 50 V y 10 kV en presencia de una mezcla de gases inerte y reactivo a- application of an electromagnetic power that induces an average cathode voltage between 50 V and 10 kV in the presence of a mixture of inert and reactive gases a

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una presión total comprendida entre 10-2 Pa y 10 Pa donde la contribución del gas reactivo está comprendida entre el 0,1% y el 50%.a total pressure between 10-2 Pa and 10 Pa where the contribution of the reactive gas is between 0.1% and 50%.

- ignición de un plasma que pulveriza el cátodo emitiendo especies que salen del mismo con energías comprendidas entre 10-2 eV y 100 eV.- ignition of a plasma that pulverizes the cathode emitting species that leave it with energies between 10-2 eV and 100 eV.

- deposición de dichas especies, junto con otras procedentes del gas reactivo, en forma de capa delgada sobre el sustrato- deposition of said species, together with others from the reactive gas, in the form of a thin layer on the substrate

- determinación del valor crítico de flujo de gas reactivo en el reactor a partir del cual se produce el envenenamiento del cátodo resultando en una variación superior al 5% de la presión total en el reactor y una disminución de la tasa de deposición superior al 50%. El flujo del gas reactivo en el reactor se selecciona para que quede comprendido entre el 0% y el 99% de su valor crítico determinado previamente, y el sustrato se dispone en una configuración geométrica respecto del cátodo, de forma que las especies pulverizadas de éste lleguen a la superficie del sustrato según un ángulo rasante promedio medido respecto de ésta con valores comprendidos entre 0° y 85°.- determination of the critical value of reactive gas flow in the reactor from which cathode poisoning occurs resulting in a variation greater than 5% of the total pressure in the reactor and a decrease in deposition rate greater than 50% . The flow of reactive gas in the reactor is selected to be between 0% and 99% of its previously determined critical value, and the substrate is arranged in a geometric configuration with respect to the cathode, so that the species sprayed from it they reach the surface of the substrate according to an average flush angle measured with respect to it with values between 0 ° and 85 °.

La potencia electromagnética se aplica por una fuente que opera en DC, DC pulsado o radiofrecuencia.The electromagnetic power is applied by a source that operates in DC, pulsed DC or radiofrequency.

Los materiales para el sustrato se seleccionan entre metales, acero inoxidable, polímeros, silicio y otros semiconductores, zafiro, vidrio o cuarzo o compuestos semejantes.The materials for the substrate are selected from metals, stainless steel, polymers, silicon and other semiconductors, sapphire, glass or quartz or similar compounds.

Los materiales a depositar se seleccionan entre Ti, Si, Al, Cr, V, Zr, otros metales, así como mezclas de los mismos y aleaciones.The materials to be deposited are selected from Ti, Si, Al, Cr, V, Zr, other metals, as well as mixtures thereof and alloys.

El gas inerte se selecciona entre Ar, He, Kr o combinaciones de los mismos y el gas reactivo se selecciona entre O2, N2 , hidrocarburos o combinaciones de los mismos.The inert gas is selected from Ar, He, Kr or combinations thereof and the reactive gas is selected from O2, N2, hydrocarbons or combinations thereof.

En operación, el ángulo rasante promedio con el que las especies pulverizadas llegan a la superficie del sustrato está comprendido, preferentemente, entre 0,1° y 45°.In operation, the average flush angle with which the pulverized species reach the surface of the substrate is preferably between 0.1 ° and 45 °.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Figura 1: Esquema de una curva de histéresis genérica mostrando la variación de la presión en un reactor de magnetrón sputtenng reactivo cuando se cambia el flujo de gas reactivo, en este caso oxígeno. Se indican los distintos tramos típicos del proceso de histéresis.Figure 1: Scheme of a generic hysteresis curve showing the pressure variation in a reactive sputtenng magnetron reactor when the reactive gas flow is changed, in this case oxygen. The different typical sections of the hysteresis process are indicated.

Figura 2: Valor de v que define el límite de L/Á (siendo L la distancia blanco-sustrato y Á el recorrido libre medio de la especies dentro del plasma/gas) en función del cociente entre la masa de las especies del plasma, Mg, y las pulverizadas del cátodo, Ms.Figure 2: Value of v that defines the limit of L / Á (where L is the white-substrate distance and Á the mean free path of the species within the plasma / gas) as a function of the ratio between the mass of the plasma species, Mg, and the powdered cathode, Ms.

Figura 3: Ciclo de histéresis para la deposición por magnetrón sputtenng reactivo de óxidos de titanio (3a) y óxidos de silicio (3b) en la configuración normal clásica (sustrato paralelo alFigure 3: Hysteresis cycle for deposition by reactive magnetron sputtenng of titanium oxides (3a) and silicon oxides (3b) in the classical normal configuration (substrate parallel to

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blanco). Se indica en cada caso el valor de la proporción entre oxígeno y el metal para los diferentes flujos de O2. Las condiciones experimentales en el caso de TiOx son: Potencia electromagnética 300 W (DC), presión parcial de argón: 0,2 Pa, distancia blanco-película: 7 cm, ángulo de inclinación del sustrato: 0°. Para el caso de SiOx son: potencia electromagnética 200 W (DC pulsado, 80 kHz, Tiempo “off” 5 ^s), presión parcial de argón: 0,2 Pa, distancia blanco-película: 7 cm, ángulo de inclinación del sustrato: 0°.White). The value of the ratio between oxygen and metal for the different O2 flows is indicated in each case. The experimental conditions in the case of TiOx are: Electromagnetic power 300 W (DC), argon partial pressure: 0.2 Pa, white-film distance: 7 cm, angle of inclination of the substrate: 0 °. In the case of SiOx they are: electromagnetic power 200 W (pulsed DC, 80 kHz, “off” time 5 ^ s), argon partial pressure: 0.2 Pa, white-film distance: 7 cm, substrate inclination angle : 0 °.

Figura 4: Cambio de la proporción oxígeno/metal en el caso del crecimiento de TiOx (4a) y SiOx (4b) al variar el ángulo del sustrato con respecto al blanco para un flujo de oxígeno de 2 sccm (centímetros cúbicos por minuto en unidades estándar, scm3.min-1), menor que el flujo crítico en cada caso (medidas realizadas mediante espectroscopía Rutherford de retrodispersión). Las condiciones experimentales adicionales en el caso de TiOx son: Potencia electromagnética 300 W (DC), presión parcial de argón: 0,2 Pa, distancia blanco- película: 7 cm. Para el caso de SiOx son: potencia electromagnética 200 W (DC pulsado, 80 KHz, Tiempo “off” 5 ^s), presión parcial de argón: 0,2 Pa, distancia blanco-película: 7 cm. Figura 5: Tasa de crecimiento en los casos de depositar TiO2 y SiO2 utilizando el método convencional en geometría normal y el propuesto en esta invención a geometría rasante (medidas realizadas mediante espectroscopía Rutherford de retrodispersión). En ambos casos, se obtiene un incremento de la tasa aproximadamente cuatro veces mayor. Las condiciones experimentales de crecimiento en cada caso vienen detalladas en la Tabla I. Figura 6: Imágenes de microscopía electrónica de barrido en sección transversal de capas de SiO2 (6a) y TiO2 (6b) preparadas mediante magnetrón sputtenng a ángulo rasante (incidencia media de 17° con respecto a la superficie del sustrato) controlando la proporción de oxígeno de forma que el proceso transcurra en el modo metálico de deposición.Figure 4: Change of the oxygen / metal ratio in the case of the growth of TiOx (4a) and SiOx (4b) by varying the angle of the substrate with respect to the target for an oxygen flow of 2 sccm (cubic centimeters per minute in units standard, scm3.min-1), less than the critical flow in each case (measurements made by Rutherford backscatter spectroscopy). Additional experimental conditions in the case of TiOx are: Electromagnetic power 300 W (DC), argon partial pressure: 0.2 Pa, white-film distance: 7 cm. In the case of SiOx they are: electromagnetic power 200 W (pulsed DC, 80 KHz, “off” time 5 ^ s), argon partial pressure: 0.2 Pa, white-film distance: 7 cm. Figure 5: Growth rate in the cases of depositing TiO2 and SiO2 using the conventional method in normal geometry and the one proposed in this invention to flush geometry (measurements performed by Rutherford backscatter spectroscopy). In both cases, an increase of the rate approximately four times greater is obtained. The experimental growth conditions in each case are detailed in Table I. Figure 6: Scanning electron microscopy images in cross-section of layers of SiO2 (6a) and TiO2 (6b) prepared by magnetron sputtenng at flush angle (mean incidence of 17 ° with respect to the surface of the substrate) controlling the proportion of oxygen so that the process takes place in the metal deposition mode.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención propone un nuevo procedimiento basado en el uso de geometrías de deposición en ángulo rasante u oblicuo (“oblique angle deposition”, OAD), también llamado “glancing angle deposition (GLAD)”, en la cual las especies que se emiten del blanco se hacen incidir a ángulos rasantes sobre el sustrato . Esta posibilidad se puede conseguir cambiando la posición y/u orientación del sustrato con respecto a la superficie del cátodo, por ejemplo rotando uno con respecto al otro. Mediante esta técnica es posible controlar con gran precisión y reproducibilidad la relación atómica O/M en el caso de óxidos, o N/M en el caso de nitruros (M elemento metálico), de forma que se pueden conseguir tanto capasThe present invention proposes a new method based on the use of flush or oblique angle deposition geometries ("oblique angle deposition", OAD), also called "glancing angle deposition (GLAD)", in which the species that are emitted from the white are made to incline at flush angles on the substrate. This possibility can be achieved by changing the position and / or orientation of the substrate with respect to the cathode surface, for example by rotating one with respect to the other. Through this technique it is possible to control with great precision and reproducibility the O / M atomic ratio in the case of oxides, or N / M in the case of nitrides (M metal element), so that both layers can be achieved

subestequiométricas como completamente estequiométricas utilizando flujos de gas reactivoSub-stoichiometric as completely stoichiometric using reactive gas flows

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bajos o intermedios, esto es operando el sistema en el modo metálico del cátodo. De esta forma se alcanzan tasas de deposición más altas que las que se obtendrían mediante el procedimiento tradicional en una geometría no rasante y elevando el flujo de gas reactivo hasta alcanzar altas proporciones de especies reactivas en la película, y propiciando así el envenenamiento del cátodo. El procedimiento objeto de la invención es mucho más preciso y reproducible que otros métodos alternativos, presentando la ventaja adicional de permitir optimizar la velocidad de deposición y obviar los fenómenos de histéresis que restringen el uso de la técnica de magnetrón sputtenng reactivo.low or intermediate, this is operating the system in the cathode metal mode. In this way, higher deposition rates are achieved than those that would be obtained by the traditional procedure in a non-flush geometry and raising the flow of reactive gas until reaching high proportions of reactive species in the film, and thus promoting cathode poisoning. The process object of the invention is much more precise and reproducible than other alternative methods, presenting the additional advantage of optimizing the deposition rate and avoiding hysteresis phenomena that restrict the use of the reactive sputtenng magnetron technique.

El procedimiento objeto de la invención permite controlar la estequiometría de capas finas sobre sustratos a altas tasas de deposición empleando la técnica de pulverización catódica reactiva en un modo de trabajo en el que se evita el envenenamiento del cátodo. El procedimiento de deposición está basado en el control de dos parámetros que resultan fundamentales en el proceso:The process object of the invention allows to control the stoichiometry of thin layers on substrates at high deposition rates using the technique of reactive sputtering in a working mode in which cathode poisoning is avoided. The deposition procedure is based on the control of two parameters that are fundamental in the process:

i) el ángulo de incidencia de las partículas del cátodo o blanco sobre el sustrato (a ), yi) the angle of incidence of the cathode or blank particles on the substrate (a), and

ii) la presión parcial de los gases en el reactor (p), a través del control directo de los flujos de entrada de gases y velocidad de bombeo.ii) the partial pressure of the gases in the reactor (p), through direct control of the gas inlet flows and pumping speed.

El valor de esta última magnitud está directamente relacionado con la presión total en el sistema que regula el recorrido libre medio de las especies extraídas del cátodo mediante pulverización catódica (Á), entendiéndose este parámetro como la distancia promedio que recorren estas especies en el seno del plasma/gas sin sufrir ningún proceso de dispersión colisional. El valor del recorrido libre medio disminuye con la presión del gas en la cámara, de forma que la magnitud que realmente controla el proceso es el cociente L/Á, siendo L la distancia entre blanco y sustrato que suele ser una constante para un reactor específico dado. Las condiciones de presión que se aplican en la presente invención son aquellas para las cuales el valor de L/Á no supera el valor de v, (número de colisiones medio requerido para que las especies del cátodo se termalicen totalmente y pierdan su dirección preferente) dado en la figura 2, dependiente de la masa de la especie pulverizada del cátodo y de la masa de las especies que conforman el plasma. Esta condición asegura que, mayoritariamente, las especies que salen del cátodo mantienen la dirección original cuando llegan al sustratoThe value of this last magnitude is directly related to the total pressure in the system that regulates the mean free path of the species extracted from the cathode by means of sputtering (Á), this parameter being understood as the average distance that these species travel within the plasma / gas without suffering any collisional dispersion process. The value of the mean free path decreases with the gas pressure in the chamber, so that the magnitude that really controls the process is the ratio L / Á, where L is the distance between white and substrate that is usually a constant for a specific reactor dice. The pressure conditions that are applied in the present invention are those for which the value of L / Á does not exceed the value of v, (number of average collisions required for the cathode species to become totally thermally and lose their preferred direction) given in Figure 2, dependent on the mass of the cathode sprayed species and the mass of the species that make up the plasma. This condition ensures that, mostly, the species that leave the cathode maintain the original direction when they reach the substrate

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La idea fundamental sobre la que se basa la invención reside en modular la tasa de deposición de especies pulverizadas del cátodo variando el ángulo de llegada de las especies del blanco sobre la película que se está creciendo. Esta idea se apoya en la alta direccionalidad del material pulverizado cuando éste es emitido del blanco, preferentemente perpendicular a su superficie y con una energía cinética en el rango de los 10 eV. De esta manera, al inclinar la película con respecto al blanco o usando cualquier otra estrategia que permita variar el ángulo de incidencia de las especies pulverizadas del blanco sobre el sustrato, trabajando en condiciones de presión en que L/A<u, se modifica el factor de área de la superficie (factor coseno), modulando la tasa de deposición de material pulverizado del cátodo, mientras que la probabilidad de llegada de especies que poseen una distribución más isotrópica de velocidades, tales como las especies reactivas en el plasma, no se ve afectada. El control de la presión de los gases en el reactor permite variar el recorrido libre medio A de las especies del blanco pulverizadas y, por lo tanto, el número de colisiones que experimentan antes de ser depositadas. En particular, las colisiones con especies pesadas del plasma producen la disminución de la energía cinética de las especies pulverizadas hasta valores típicamente térmicos (del orden de 0,01 eV), así como la aleatorización de sus velocidades. Por lo tanto, el control de la presión de los gases en el plasma permite controlar la fracción de especies pulverizadas que llegan con alta direccionalidad y cuya tasa de deposición se puede modular inclinando la película o posicionando el sustrato en disposición rasante con respecto a las especies pulverizadas.The fundamental idea on which the invention is based lies in modulating the deposition rate of species sprayed from the cathode by varying the angle of arrival of the target species on the film being grown. This idea is based on the high directionality of the pulverized material when it is emitted from the target, preferably perpendicular to its surface and with a kinetic energy in the range of 10 eV. Thus, by tilting the film with respect to the target or using any other strategy that allows varying the angle of incidence of the species sprayed from the target on the substrate, working under pressure conditions where L / A <u, the surface area factor (cosine factor), modulating the deposition rate of pulverized cathode material, while the probability of arrival of species that have a more isotropic distribution of velocities, such as reactive species in plasma, is not It is affected. The control of the pressure of the gases in the reactor allows to vary the mean free path A of the target species sprayed and, therefore, the number of collisions they experience before being deposited. In particular, collisions with heavy plasma species cause the decrease in kinetic energy of the sprayed species to typically thermal values (of the order of 0.01 eV), as well as the randomization of their velocities. Therefore, the control of the pressure of the gases in the plasma allows to control the fraction of pulverized species that arrive with high directionality and whose deposition rate can be modulated by tilting the film or positioning the substrate in a flush arrangement with respect to the species pulverized

La ecuación matemática que describe la variación de la estequiometria de un material con composición MOx o MNx, al variar el ángulo entre el blanco y la película a y, por lo tanto, el ángulo de incidencia de las especies del blanco sobre el sustrato, es la siguiente:The mathematical equation that describes the variation of the stoichiometry of a material with MOx or MNx composition, by varying the angle between the target and the film a and, therefore, the angle of incidence of the target species on the substrate, is the next:

X0 = PXa ,X0 = PXa,

donde x0 es la estequiometria en la configuración clásica (blanco y película paralelos), xa la estequiometria obtenida al rotar la película un ángulo a , y f3 una función siempre menor que 1, dependiente de la presión en el reactor p, distancia blanco/película L, naturalezawhere x0 is the stoichiometry in the classical configuration (white and parallel film), xa the stoichiometry obtained by rotating the film an angle a, and f3 a function always smaller than 1, dependent on the pressure in the reactor p, white / film distance L, nature

de los gases y ángulo de incidencia de las especies sobre el sustrato. Para el caso de la deposición de óxidos de silicio, f3 , resulta serof the gases and angle of incidence of the species on the substrate. In the case of the deposition of silicon oxides, f3, it turns out to be

exP (E)-1exP (E) -1

(1 - cosa),(1 - thing),

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donde S = 17,2pgL (Pa-1m-1), con pg la presión de los gases en el reactor y L lawhere S = 17.2pgL (Pa-1m-1), with pg the pressure of the gases in the reactor and L the

distancia entre el blanco y la película. De esta manera, para bajas presiones se obtiene la relación xa = x0 / cosa , esto es, una gran variación de la estequiometría con el ángulo de incidencia de las especies del blanco, mientras que a altas presiones se encuentra que xa = x, ie., no se obtiene variación con la presión debido a que al elevado número dedistance between the white and the film. Thus, for low pressures the ratio xa = x0 / thing is obtained, that is, a large variation of stoichiometry with the angle of incidence of the target species, while at high pressures it is found that xa = x, ie ., no variation is obtained with pressure because of the high number of

colisiones entre el material pulverizado y las partículas pesadas del plasma elimina los flujos direccionales.Collisions between the pulverized material and heavy plasma particles eliminates directional flows.

La invención propone operar la deposición en la zona metálica del tramo B de la curva de histéresis (figura 1), donde se obtienen altas tasas de deposición y valores pequeños de x0.The invention proposes to operate the deposition in the metallic zone of section B of the hysteresis curve (figure 1), where high deposition rates and small values of x0 are obtained.

Así, al inclinar la película se permite el crecimiento de películas con estequiometrías altas o totalmente estequiométricas y a tasas de deposición más elevadas que mediante el procedimiento clásico operando en las regiones C, D y E (figura 1). Además, al trabajar siempre en la parte metálica del tramo B, se evitan posibles inestabilidades del plasma y fenómenos de histéresis, por lo que la deposición resulta más estable, controlable y reproducible. Una característica adicional de las capas preparadas mediante la metodología propuesta es su alta estructuración con microestructuras formadas por nanocolumnas bien definidas y relativa baja densidad, ideal para ciertas aplicaciones donde, por ejemplo, interese controlar las propiedades ópticas de las capas. Esta microestructura especial es el resultado de la configuración oblicua durante la deposición que favorece los efectos de "sombra” durante el crecimiento de las capas.Thus, tilting the film allows the growth of films with high or fully stoichiometric stoichiometry and at higher deposition rates than by the classical procedure operating in regions C, D and E (Figure 1). In addition, by always working on the metal part of section B, possible plasma instabilities and hysteresis phenomena are avoided, so that deposition is more stable, controllable and reproducible. An additional feature of the layers prepared by the proposed methodology is their high structuring with microstructures formed by well-defined nanocolumns and relatively low density, ideal for certain applications where, for example, it is interesting to control the optical properties of the layers. This special microstructure is the result of the oblique configuration during deposition that favors the effects of "shadow" during the growth of the layers.

MODO DE REALIZACION DE LA INVENCIONMODE OF EMBODIMENT OF THE INVENTION

El procedimiento comprende:The procedure includes:

1. - Caracterización previa del modo de trabajo del blanco o cátodo mediante la obtención de su curva de histéresis característica en el reactor empleado, fijando las condiciones de distancia del sustrato al blanco para un ángulo de incidencia de las partículas de 90° (inclinación del sustrato cero) y una potencia electromagnética dada para mantener el plasma. Se varía el flujo de gas reactivo y se miden los valores de la presión en el reactor. La curva de histéresis depende del material del blanco y del gas reactivo seleccionado.1. - Prior characterization of the working mode of the target or cathode by obtaining its characteristic hysteresis curve in the reactor used, setting the conditions of distance from the substrate to the target for an angle of incidence of the particles of 90 ° (inclination of the zero substrate) and a given electromagnetic power to maintain the plasma. The flow of reactive gas is varied and the pressure values in the reactor are measured. The hysteresis curve depends on the target material and the reactive gas selected.

2. - Identificación del flujo de gas reactivo crítico $c, siendo este el flujo de gas reactivo el que hace pasar de la rama B a la rama C del ciclo de histéresis.2. - Identification of the flow of critical reactive gas $ c, this being the flow of reactive gas that passes from branch B to branch C of the hysteresis cycle.

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3. - Variación del flujo de gas reactivo hasta alcanzar un valor próximo pero inferior al denominado valor del flujo de gas reactivo crítico $c.3. - Variation of the reactive gas flow until reaching a value close to but called the critical reactive gas flow value $ c.

4. - Ajuste del ángulo de incidencia de las especies mediante la inclinación del sustrato, para obtener la estequiometría que se quiere conseguir,4. - Adjusting the angle of incidence of the species through the inclination of the substrate, to obtain the stoichiometry to be achieved,

El modo propuesto de controlar la estequiometría de óxidos, nitruros u otros compuesto usando magnetrón sputtenng reactivo mediante el ajuste del ángulo de incidencia de las especies del blanco se ha probado con éxito para una gran variedad de metales (Ti, Si, Al, Cr, V, etc.) y blancos mixtos, presentándose a continuación dos realizaciones preferentes de la misma para Ti y Si, caracterizados por presentar dos ciclos de histéresis diferentes.The proposed way of controlling the stoichiometry of oxides, nitrides or other compounds using reactive magnetron sputtenng by adjusting the angle of incidence of the target species has been successfully tested for a wide variety of metals (Ti, Si, Al, Cr, V, etc.) and mixed targets, two preferred embodiments of the same being presented for Ti and Si, characterized by presenting two different hysteresis cycles.

Para el caso de la deposición de Ti (Si) y sus óxidos y subóxidos se presenta en la figura 3a (3b) el ciclo de histéresis medido en función del flujo de oxígeno en el reactor. Estas curvas de histéresis son semejantes a la curva genérica representada en la figura 1, siendo posible identificar perfectamente los tramos A-F anteriormente definidos. En estas curvas de histéresis es también posible identificar el flujo de gas reactivo crítico (en este caso oxígeno) $c para el cual se produce el paso del modo metálico al modo reactivo, siendo el valor encontrado en este caso de 2,6 sccm para el caso de Ti, y 3 sccm para el caso de Si.In the case of the deposition of Ti (Si) and its oxides and sub-oxides, the hysteresis cycle measured as a function of the oxygen flow in the reactor is presented in Figure 3a (3b). These hysteresis curves are similar to the generic curve represented in Figure 1, being possible to perfectly identify the A-F sections defined above. In these hysteresis curves it is also possible to identify the critical reactive gas flow (in this case oxygen) $ c for which the transition from the metallic mode to the reactive mode occurs, the value found in this case being 2.6 sccm for the case of Ti, and 3 sccm for the case of Si.

Para la obtención del TiOx y SiOx, donde x puede variar entre 0 y 2, los pasos a seguir para conseguir ajustar la estequiometría serían los siguientes:To obtain TiOx and SiOx, where x can vary between 0 and 2, the steps to be followed in order to adjust the stoichiometry would be the following:

1) Caracterización previa del blanco o cátodo de Ti (Si) mediante la obtención de su curva de histéresis en el reactor empleado, fijando una distancia del sustrato al blanco, potencia electromagnética para mantener el plasma, e inyectando hasta 5 sccm de oxígeno. La curva de histéresis se obtiene representando la presión de los gases en el reactor en función del flujo de gas reactivo.1) Prior characterization of the target or Ti cathode (Si) by obtaining its hysteresis curve in the reactor used, setting a distance from the substrate to the target, electromagnetic power to maintain the plasma, and injecting up to 5 sccm of oxygen. The hysteresis curve is obtained by representing the gas pressure in the reactor as a function of the reactive gas flow.

2) Identificación del flujo de O2 crítico que produce el tránsito en la curva de histéresis del tramo B al C, siendo en este ejemplo concreto 2,6 sccm para el blanco Ti y 3 sccm para el de Si.2) Identification of the critical O2 flow produced by the transit in the hysteresis curve of section B to C, in this example concrete 2.6 sccm for the target Ti and 3 sccm for the Si.

3) Aumento del flujo de O2 hasta alcanzar los 2 sccm en el caso de Ti y Si, asegurándose así la deposición en el modo metálico del cátodo (Zona B de la figura 1).3) Increase in the flow of O2 until reaching 2 sccm in the case of Ti and Si, thus ensuring deposition in the cathode metal mode (Zone B of Figure 1).

4) Modificación del ángulo de incidencia medio de las especies pulverizadas del cátodo, rotando éste con respecto a la superficie del blanco un ángulo comprendido entre 0° y 85°.4) Modification of the average incidence angle of the pulverized species of the cathode, rotating with respect to the surface of the target an angle between 0 ° and 85 °.

En la figura 4a (4b) se puede apreciar el cambio de estequiometría de los recubrimientos al variar el ángulo en el caso del blanco de Ti (Si). En ambos casos podemos ver que seFigure 4a (4b) shows the change in stoichiometry of the coatings by varying the angle in the case of the Ti target (Si). In both cases we can see that

alcanzan valores de x que dependen del ángulo entre blanco y sustrato alcanzándose valores próximos a 2 para valores elevados del ángulo entre blanco y sustrato (por ejemplo x alcanza valores de 1,5 y 1,63 para Ti y Si a un ángulo de 70°, siendo x = 2 a 85° en ambos casos) que en modo convencional únicamente se consiguen en las ramas C, D y E de la 5 gráfica de histéresis.they reach values of x that depend on the angle between white and substrate reaching values close to 2 for high values of the angle between white and substrate (for example x reaches values of 1.5 and 1.63 for Ti and Si at an angle of 70 ° , being x = 2 at 85 ° in both cases) which in conventional mode are only achieved in branches C, D and E of the hysteresis graph.

La figura 5a (5b) muestra las tasas de crecimiento, en átomos por segundo y metro cuadrado, obtenidas mediante la técnica de Espectroscopía Rutherford de retrodispersión (RBS en inglés) de las muestras completamente estequiométricas (TiO2 y SiO2) obtenidas trabajando en el modo reactivo (ramas E/D) y geometría normal y en el modo metálico yFigure 5a (5b) shows the growth rates, in atoms per second and square meter, obtained by the backscatter Rutherford Spectroscopy (RBS) of fully stoichiometric samples (TiO2 and SiO2) obtained by working in the reactive mode (E / D branches) and normal geometry and in metallic mode and

10 geometría rasante (tramo B). En ambos casos el método propuesto mejora la tasa de crecimiento de la técnica convencional en un factor superior a 4. Los datos de la deposición en estos cuatro casos aparecen en la Tabla I, obteniéndose capas estequiométricas de ambos óxidos que presentan una microestructura nanocolumnar tal y como se muestra en la Figura 6.10 flush geometry (section B). In both cases, the proposed method improves the growth rate of the conventional technique by a factor greater than 4. The deposition data in these four cases appears in Table I, obtaining stoichiometric layers of both oxides that have a nanocolumnar microstructure such and as shown in Figure 6.

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Tabla I.- Condiciones experimentales utilizadas para depositar TiO2 y SiO2 mediante el método convencional y la invención propuestaTable I.- Experimental conditions used to deposit TiO2 and SiO2 by the conventional method and the proposed invention.

TiO2 Método TiO2 SiO2 Método SiO2  TiO2 Method TiO2 SiO2 Method SiO2

Convencional Invención Convencional Invención  Conventional Invention Conventional Invention

Propuesta Propuesta  Proposal Proposal

Potencia Electromagnética  Electromagnetic Power
300 W (DC) 200 W (DC pulsado, 80 kHz, Tiempo “off” 5 ^s)  300 W (DC) 200 W (pulsed DC, 80 kHz, “off” time 5 ^ s)

Distancia Blanco- Película  White Distance - Movie
7 cm  7 cm

L/A  THE
0,41 (u=3) 0,36 (u=2)  0.41 (u = 3) 0.36 (u = 2)

Composición y  Composition and
Ti [circular, diámetro:7,62 cm (3 Si [circular, diámetro:7,62 cm (3  Ti [circular, diameter: 7.62 cm (3 Si [circular, diameter: 7.62 cm (3

Tamaño del Blanco  White Size
pulgadas)] pulgadas)]  inches)] inches)]

Presión Parcial Ar  Partial Pressure Ar
0,2 Pa  0.2 Pa

Flujo de O2  O2 flow
2,4 sccm (rama E, fig. 1) 2,4 sccm (rama B, fig. 1) 4 sccm (rama D, fig. 1) 2 sccm (rama B, fig. 1)  2.4 sccm (branch E, fig. 1) 2.4 sccm (branch B, fig. 1) 4 sccm (branch D, fig. 1) 2 sccm (branch B, fig. 1)

Ángulo de inclinación del sustrato 1  Tilt angle of substrate 1
0° 80° 0° 85°  0 ° 80 ° 0 ° 85 °

1.El ángulo de incidencia de las especies del blanco es de 90° y 10° para inclinaciones del sustrato de 0° y de 80° , respectivamente.1.The angle of incidence of the target species is 90 ° and 10 ° for substrate inclinations of 0 ° and 80 °, respectively.

Claims (14)

55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 REIVINDICACIONES 1. - Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante que comprende los siguientes pasos:1. - Procedure for the deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by means of sputtering angle reactive sputtering comprising the following steps: - colocación del sustrato sobre el que se va a producir la deposición de la capa delgada en el reactor que contiene un blanco que actúa como cátodo, el cual aporta material a depositar.- placing the substrate on which the deposition of the thin layer in the reactor that contains a blank that acts as a cathode, which provides material to deposit, will occur. - aplicación de una potencia electromagnética que induce un voltaje promedio en el cátodo comprendido entre 50 V y 10 kV en presencia de una mezcla de gases inerte y reactivo a una presión total comprendida entre 10"2 Pa y 10 Pa donde la contribución del gas reactivo está comprendida entre el 0,1% y el 50%.- application of an electromagnetic power that induces an average cathode voltage between 50 V and 10 kV in the presence of a mixture of inert and reactive gases at a total pressure between 10 "2 Pa and 10 Pa where the contribution of the reactive gas It is between 0.1% and 50%. - ignición de un plasma que pulveriza el cátodo emitiendo especies que salen del mismo con energías comprendidas entre 10"2 eV y 100 eV.- ignition of a plasma that pulverizes the cathode emitting species that leave it with energies between 10 "2 eV and 100 eV. - deposición de dichas especies, junto con otras procedentes del gas reactivo, en forma de capa delgada sobre el sustrato.- deposition of said species, together with others from the reactive gas, as a thin layer on the substrate. - determinación del valor crítico de flujo de gas reactivo en el reactor a partir del cual se produce el envenenamiento del cátodo resultando en una variación superior al 5% de la presión total en el reactor y una disminución de la tasa de deposición superior al 50%, caracterizado porque el flujo del gas reactivo en el reactor se selecciona para que quede comprendida entre el 0% y el 99% de su valor crítico determinado previamente y porque el sustrato se dispone en una configuración geométrica respecto del cátodo de forma que las especies pulverizadas de este lleguen a la superficie del sustrato según un ángulo rasante promedio, medido respecto de ésta, con valores comprendidos entre 0° y 85°.- determination of the critical value of reactive gas flow in the reactor from which cathode poisoning occurs resulting in a variation greater than 5% of the total pressure in the reactor and a decrease in deposition rate greater than 50% , characterized in that the flow of the reactive gas in the reactor is selected to be between 0% and 99% of its previously determined critical value and because the substrate is arranged in a geometric configuration with respect to the cathode so that the pulverized species from this they reach the surface of the substrate according to an average flush angle, measured with respect to it, with values between 0 ° and 85 °. 2. - Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante según la reivindicación 1, caracterizado porque la potencia electromagnética se aplica por una fuente que opera en DC, DC pulsado o radiofrecuencia.2. - Method of deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by means of flush reactive sputtering according to claim 1, characterized in that the electromagnetic power is applied by a source operating in DC, pulsed DC or radiofrequency. 3. - Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque los materiales para el sustrato se seleccionan entre polímeros, vidrio, cuarzo, silicio, metales, acero inoxidable, zafiro u otros semejantes.3. - Procedure of deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by sputtering reactive sputtering according to claims 1 or 2, characterized in that the materials for the substrate are selected from polymers, glass, quartz, silicon, metals, stainless steel , sapphire or similar. 4. - Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los materiales a depositar se seleccionan entre compuestos de Ti, Si, Al, Cr, V, Zr, otros metales o combinaciones de los mismos.4. - Procedure of deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by sputtering reactive sputtering according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the materials to be deposited are selected from compounds of Ti, Si, Al, Cr, V, Zr, other metals or combinations thereof. 55 5. - Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el gas inerte se selecciona entre Ar, He, Kr o combinaciones de los mismos y el gas reactivo se selecciona entre O2, N2,5. - Method of deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by sputtering reactive sputtering according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the inert gas is selected from Ar, He, Kr or combinations thereof and The reactive gas is selected from O2, N2, 10 hidrocarburos o combinaciones de los mismos.10 hydrocarbons or combinations thereof. 6. - Procedimiento de deposición de capas delgadas de estequiometría controlada sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a ángulo rasante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el ángulo rasante promedio con el que6. - Procedure of deposition of thin layers of stoichiometry controlled on substrates by means of reactive sputtering sputtering according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the average flush angle with which 15 las especies pulverizadas llegan a la superficie del sustrato está comprendido entre 0,1° y 45°.15 the pulverized species reach the surface of the substrate is between 0.1 ° and 45 °. imagen1image 1 Figura 1Figure 1 imagen2image2 Figura 2Figure 2 imagen3image3 Flujo O., (sccm)Flow O., (sccm) 3.03.0 Flujo de 02 aumenta02 flow increases •— Flujo de 02 disminuye• - Flow of 02 decreases 2,82.8 •o 2.4• or 2.4 X -0.8 IX -0.8 I x —0.15x —0.15 2.22.2 SOSW 2.02.0 Flujo O, (sccm)Flow O, (sccm) Flujo de 02 aumenta02 flow increases •— Flujo de 02 disminuye• - Flow of 02 decreases 3.03.0 2.8-2.8- x =2x = 2 2.6-2.6- x =0.7x = 0.7 2.2-2.2- TiOUncle 2.0-2.0- Estequiometría (átomos O / átomos Si) Estequiometría (átomos O / átomos Ti)Stoichiometry (O atoms / Si atoms) Stoichiometry (O atoms / Ti atoms) imagen4image4 imagen5image5 Figura 5Figure 5 imagen6image6
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