Películas Delgadas (física) FÍS.

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Física

Introducción. Reciben el nombre de p. d. y también de capas delgadas aquellas porciones de un material sólido, cuyo espesor no sobrepasa algunos millares de angstroms (101.0. Las aplicaciones de estas capas delgadas son tantas que son muchos los laboratorios, repartidos en todo el mundo, que dedican una atención muy especial a su estudio. Además, actualmente existen técnicas nuevas que permiten profundizar en el estudio de tales películas. Se consigue entonces no solamente conocer su estructura íntima sino también el mecanismo de su crecimiento, así como multitud de sus propiedades eléctricas, magnéticas, elásticas, etc.

Obtención. Existen dos métodos fundamentales para preparar p. d., los químicos y los físicos. En ambos casos, la p. d. se forma sobre un sustrato apropiado que puede ser cristalino o amorfo. Entre los primeros citaremos el electrolítico, el de anodización y de condensación del vapor. En cuanto a los métodos físicos, sólo fijaremosnuestra atención en el de evaporación en vacío y en el del bombardeo catódico (Sputtering).

Método electrolítico. Fue el primer método que se utilizó para obtener p. d. Se funda y está gobernado por las leyes de la electrólisis (v.). Las películas tienen que obtenerse sobre un sustrato metálico que actúa como cátodo en el proceso de la electrólisis. Pueden emplearse una gran diversidad de electrolitos. En cada caso hay que elegir el más conveniente para el objeto que se persigue, como puede ser, p. ej., un tamaño apropiado de los cristales que forman la película, uniformidad, etc. El depósito obtenido puede variar desde el constituido por Cristales únicos hasta el formado por agregados policristalinos. La velocidad de crecimiento puede oscilar entre límites muy amplios, desde algunos A/seg. hasta algunos cientos o incluso miles de A/seg. Con una corriente eléctrica de 1 Amp/cmz de densidad, puede conseguirse en un segundo una capa de plata de 1g de espesor.

Anodización. Se utiliza para conseguir p. d. de óxidos. Su fundamento es la emigración de iones (v. I0NIZAClÓN) de oxígeno al metal que hace de ánodo, a través de un medio que generalmente contiene agua, aunque ello no es condición indispensable. El oxígeno se combina con el metal en su superficie, formando la película de óxido metálico. En el metal tiene lugar el proceso más electronegativo, por lo que no siempre se consigue la formación del óxido deseado y en ocasiones, aun cuando se obtiene, el depósito que se forma no puede ser utilizado bien por su poca adherencia o bien por resultar demasiado poroso. El método de anodización suele dar buenos resultados en metales tales como el aluminio, tántalo, niobio, zirconio, titanio y silicio. Durante la obtención, la corriente eléctrica debe mantenerse muy constante. Ocurre entonces que la película crece proporcionalmente al voltaje aplicado, por lo que mediante una calibración previa se puede conocer el espesor de la película (dato de importancia extraordinaria) si se mide la caída de tensión a través del depósito. En general, las películas obtenidas utilizando este método son amorfas, lo que contribuye a que las características eléctricas de estos depósitos sean francamente buenas. Sin embargo, tornando precauciones especiales puéden conseguirse películas cristalinas de óxidos. Con respecto a la velocidad de crecimiento, se consiguen valores análogos a los consignados en el método de la electrólisis.

Evaporación. En los métodos físicos empleados para preparar p. d., es el de la vaporización el más generalizado. Su campo de utilización es muy amplio, pues se extiende a la mayor parte de compuestos químicos, incluyendo también, como es lógico, a los metales. Ocurre, además, que el depósito puede obtenerse sobre superficies cristalinas y amorfas, calentadas o enfriadas a tempe-, raturas convenientes. Precisamente es la elección de la temperatura la que determina, en muchos casos, la estructura de la película obtenida. Este aspecto se trata a continuación, en el apartado titulado epitaxia. El material a evaporar puede disponerse en cestillas apropiadas, construidas con wolframio, o bien sublimarlas directamente como cuando se trata de magnesio, cadmio, sulfuro de cinc, etc. También permite obtener p. d. de aleaciones cuyos componentes entran en una proporción prefijada. Cuando el metal a evaporar es susceptible de contaminarse con el material de que está hecha la cestilla, puede utilizarse un microhorno de inducción que se sitúa dentro del propio sistema evaporador.

El proceso se lleva a cabo en vacío por una serie de razones fáciles de comprender: 1) Conseguir que el material se volatilice a una temperatura menor de, la que se requiere para llevar a cabo la operación a la presión atmosférica. 2) Evitar lo más posible la formación de óxidos. 3) Evitar la presencia de moléculas extrañas que, al condensarse, junto con el material que se evapora, contaminarían la película. La presión que se utiliza es muy varia. En los artificios más normalmente empleados se suele trabajar con presiones comprendidas entre 10-4 Torr y 10-6 Torr (v. VACíO, TÉCNICA DEL). Ahora bien, en algunas ocasiones es preciso trabajar con presiones aún menores. Puede llegarse hasta una presión de 10-IZ Torr. Las velocidades de evaporación pueden variarse entre límites mucho más amplios todavía que los considerados anteriormente. La medida del espesor puede realizarse incluso durante la formación del depósito. En general suele hacerse cuando ya se ha conseguido la película que se desea.

Muchas veces el material a evaporar se dispone sobre un filamento, generalmente de wolframio, que se calienta al ser recorrido por una corriente eléctrica apropiada. La sustancia, que siempre tiene un punto de fusión mucho más bajo que el del filamento, se funde y queda sobre él debido a la tensión superficial. Otras veces, el filamento se hace con el propio material que quiere evaporarse. Al calentarse se subliman, condensándose entonces, las moléculas o átomos que lo forman sobre el sustrato elegido.

Bombardeo jónico (sputtering). El material actúa como cátodo. Sobre él caen partículas dotadas de una gran energía cinética, lo que provoca que muchos átomos abandonen la superficie del material. Se produce entonces un proceso análogo al descrito en el apartado anterior, condensándose los átomos en el correspondiente sustrato.

Epitaxia. Recibe este nombre una forma especial de crecimiento que reúne algunas propiedades especiales. Una definición muy actual es la siguiente: una película es epitaxial cuando está formada por un cristal único o una colección de cristalitos bien orientados, que ha crecido sobre un cristal de diferente material. Sin embargo, el término epitaxia, que fue introducido por Royer en 1928, significa algo más, ya que no es absolutamente necesario que el sustrato sea de diferente naturaleza que el depósito, e incluso el crecimiento puede tener lugar sobre un cuerpo líquido. También se utiliza este término cuando las películas se orientan sobre un sustrato policristalino o amorfo. Ahora bien, en estos casos el crecimiento orientado de las películas no está relacionado íntimamente con las características estructurales del sustrato. En la técnica de los semiconductores se están utilizando muchos monocristales de silicio que se obtienen depositando silicio sobre sustrato monocristalinos también de silicio. A las capas así obtenidas se las llama, asimismo, epitaxiales.

La técnica de la difracción de electrones, complementada con la de la microscopía electrónica, ha permitido estudiar muy a fondo este fenómeno, que cada día presenta mayor interés, dada la posibilidad de reproducir p. d., de propiedades ya fijadas de antemano. El problema de la reproductibilidad es precisamente uno de los muchos, y no de los menos importantes, que se presentan en la técnica actual de los ordenadores electrónicos, que emplean láminas delgadas de materiales ferromagnéticos. Los circuitos de memoria, una de las partes más esenciales de aquellos ordenadores, utilizan p. d. de aleaciones de hierro y níquel.

Royer enunció las primeras leyes por las que se rigen los fenómenos de la epitaxia. Quizá la más fundamental es la referente a las dimensiones que han de tener lasredes cristalinas del sustrato y del depósito. Para Royer, el crecimiento epitaxial exige que los parámetros geométricos de ambas redes sean muy próximos. El desajuste a se define por:a-100 (b-a)la,siendo a y b los espaciados de las redes del sustrato y del depósito. Para Royer el desajuste no podía ser superior al 15%. Sin embargo, se han conseguido crecimientos epitaxiales con desajustes que llegan incluso al 40%, por lo que la ley de Royer ha caído en desuso.

Mecanismo de la formación de las películas. La teoría de Frenkel (1923) revisada recientemente por Hirsch y Pound (1964), razona de la siguiente manera:Los átomos y moléculas que llegan al sustrato son rápidamente absorbidos por éste. Comienza entonces un proceso de difusión (v.) e interacción que da lugar a la formación de colectividades poliatómicas, algunas de las cuales crecen hasta alcanzar un tamaño crítico y, al condensarse, constituyen núcleos estables. Una vez que se han formado los núcleos iniciales, los átomos que siguen llegando tienen la movilidad suficiente como para desplazarse sobre la superficie hasta quedar integrados dentro de los primitivos núcleos iniciales, con lo que su densidad permanece prácticamente constante aun cuando su tamaño aumente. Como consecuencia del aumento de tamaño, algunos núcleos comienzan a asociarse, formando islas, que, al aumentar a su vez de tamaño, forman sobre la superficie una especie de malla, cuyos huecos, mejor diríamos canales, se van cerrando gradualmente hasta llegar, finalmente a formarse la película continua.

El prof. Nicolás Cabrera ha contribuido mucho a establecer la teoría del crecimiento de cristales. A su vez, nosotros, en nuestro laboratorio de la Facultad de Ciencias de la Univ. de Madrid, dedicamos gran parte de nuestra atención a investigar en este campo. Los nombres de Brú, Tejedor, Serna y Ramos, entre otros, no pueden dejar de citarse cuando hay que referirse al estudio de láminas delgadas y al fenómeno de la epitaxia.

L. BRÚ VILLASECA.

BIBL.: L. HOLLAND, Vacilan deposition of tlún films, Londres 1961 ; P. W. ANDERSON, Lectures or the theory of solids, Nueva York 1964; L. BRú y L. TEJEDOR, Estudios de películas delgadas de níquel evaporado en vacío sobre las caras (100) (110) y (111) de NaCl, "Anales de la Real Sociedad Española de Física y Química", Madrid 1968.