Efecto de la temperatura del sustrato sobre el índice de refracción y estructura de películas delgadas de nitruro de tantalio

Abstract

Las variaciones que se pueden presentar en la estequiometria y propiedades de las películas delgadas (morfología, microestructura, propiedades ópticas, etc.) son variadas y dependen en gran medida del método y las condiciones de deposición. El objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto de la temperatura de sustrato (de silicio tipo n) sobre el índice de refracción y la estructura de las películas delgadas de nitruro de tantalio (TaN). Películas delgadas de TaN fueron depositadas sobre obleas de silicio (100) y (111), por la técnica de pulverización magnética reactiva con corriente continua, utilizando una mezcla de gases argón-nitrógeno, a temperaturas de sustratos de 200 °C, 300 °C y 400 °C respectivamente. Como parte del estudió también se depositó una película de tantalio puro (Ta). La caracterización de las muestras fue realizada con un difractómetro de rayos X (XRD), un espectroscopio de electrón Auger (AES), un microscopio electrónico de barrido (SEM), un elipsómetro espectral (SE) y un microscopio de fuerza atómica (AFM). Las muestras depositadas estuvieron compuestas de tantalio (65 %), nitrógeno (28 %), oxígeno (5,3 %), carbono y argón. Las películas delgadas de TaN sintetizadas tuvieron una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc), que no cambió con el aumento de temperatura, sin embargo, aparecieron nuevas direcciones preferenciales de los planos cristalográficos con disminución de las intensidades de los picos de difracción, el índice de refracción disminuyó con el incremento de temperatura para longitudes de onda entre el rango visible e infrarrojo cercano 400 nm - 1200 nm, mientras que la rugosidad aumentó a medida que la temperatura se incrementó, evidenciando en tal sentido un comportamiento no estable.

Variations that can occur in the stoichiometry and properties of thin films (morphology, microstructure, optical properties, etc.) are varied and depend largely on the method and conditions of deposition. The objective of the present work was to study the effect of the substrate temperature (silicon type n) on the refractive index and the structure of the thin films of tantalum nitride (TaN). Thin films of TaN were deposited on silicon wafers (100) and (111), by the reactive magnetic sputtering technique with direct current, using a mixture of argon-nitrogen gases, at substrate temperatures of 200 ° C, 300 ° C and 400 ° C respectively. As part of the study, a film of pure tantalum (Ta) was also deposited. The characterization of the samples was carried out with an X-ray diffractometer (XRD), an Auger electron spectroscope (AES), a scanning electron microscope (SEM), a spectral ellipsometer (SE) and an atomic force microscope (AFM). . The deposited samples were composed of tantalum (65%), nitrogen (28%), oxygen (5.3%), carbon and argon. The synthesized TaN thin films had a face-centered cubic crystalline structure (fcc), which did not change with increasing temperature, however, new preferential directions of crystallographic planes appeared with decreasing intensities of the diffraction peaks, the refractive index decreased with the increase in temperature for wavelengths between the visible and near infrared ranges 400 nm - 1200 nm, while the roughness increased as the temperature increased, evidencing in this sense a non-stable behavior.