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