LÁMINAS DELGADAS Y RECUBRIMIENTOS: PREPARACIÓN, PROPIEDADES y APLICACIONES

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2 LÁMINAS DELGADAS Y RECUBRIMIENTOS: PREPARACIÓN, PROPIEDADES y APLICACIONES ÍNDICE de MATERIAS I. GENERALIDADES INTRODUCCIÓN: CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE CAPAS DELGADAS (J. M. Albella) 1. QUÉ SE ENTIENDE POR CAPA DELGADA LA TECNOLOGÍA DE LOS RECUBRIMIENTOS Y CAPAS DELGADAS EN LOS MODERNOS PROCESOS DE FABRICACIÓN Aplicaciones de los recubrimientos Requerimientos exigidos en el sistema recubrimiento/substrato TÉCNICAS DE PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE CAPAS DELGADAS Deposición de recubrimientos y capas delgadas Criterios de selección de las técnicas de deposición Caracterización estructural de las capas delgadas OBJETIVOS Y ORGANIZACIÓN DEL LIBRO BIBLIOGRAFÍA TECNOLOGÍA DE VACÍO (J. L. De Segovia) 1. INTRODUCCIÓN COMPORTAMIENTO DE LOS GASES A PRESIÓN REDUCIDA Régimen de la circulación o de movimiento de los gases Flujo de gas Conductancia Número de moléculas incidentes sobre una superficie: Tasas de adsorción y desorción de moléculas Clasificación de los sistemas de vacío DINÁMICA Y COMPONENTES BÁSICOS DEL SISTEMA DE VACÍO Evacuación de un sistema de vacío BOMBAS DE VACÍO Bombas de desplazamiento positivo Bombas de captura... 59

3 10 5. MEDIDA DEL VACÍO Manómetro de capacitancia Manómetros de conductividad térmica Manómetros de ionización Analizador de gas residual. Espectrómetro de masas DETECCIÓN DE FUGAS BIBLIOGRAFÍA DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES: PLASMAS (F. J. Gordillo Vázquez y J. M. Albella) 1. DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES: CONCEPTOS BÁSICOS Definición de plasma y algunas de sus características Utilidad de los plasmas en el procesado de materiales DESCARGAS EN CORRIENTE CONTINUA Plasmas producidos en descargas de corriente continua Zonas luminosas en las descargas de corriente continua entre dos electrodos Ley de Paschen Descargas en arco PLASMAS PRODUCIDOS EN DESCARGAS DE CORRIENTE ALTERNA Plasmas producidos entre dos electrodos: descargas capacitivas Plasmas producidos por inducción: descargas inductivas de RF Plasmas producidos por microondas TÉCNICAS DE DIAGNOSIS DEL PLASMA: SONDA DE LANGMUIR APLICACIÓN DE LOS PLASMAS AL PROCESADO DE MATERIALES Depósito en fase vapor asistido por plasma Ataque por plasma ( plasma etching ) Concepto de plasmatrón en corriente continua y alterna. Usos industriales RESUMEN Y CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA MECANISMOS DE NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE CAPAS DELGADAS (J. M. Albella) 1. INTRODUCCIÓN: ETAPAS EN EL CRECIMIENTO DE CAPAS DELGADAS LLEGADA Y ACOMODACIÓN DE ÁTOMOS SOBRE LA SUPERFICIE ADSORCIÓN/ DESORCIÓN SOBRE LA SUPERFICIE DEL SUBSTRATO DIFUSIÓN SUPERFICIAL (HASTA LA INCORPORACIÓN) NUCLEACIÓN Y PRIMEROS ESTADIOS DEL CRECIMIENTO DE LA PELÍCULA Mecanismo de nucleación de Volmer-Weber (formación de islas) Mecanismo de Frank-van der Merwe (monocapas) CRECIMIENTO DE CAPAS CONTINUAS: INFLUENCIA DE LAS VARIABLES DEL PROCESO Evolución de la microestructura de las capas depositadas (según el modelo MD) BIBLIOGRAFÍA

4 11 II. PREPARACIÓN DE CAPAS DELGADAS 4. EVAPORACIÓN TÉRMICA Y OTRAS TÉCNICAS DE EVAPORACIÓN (J. M. Albella) 1. EVAPORACIÓN TÉRMICA EN VACÍO: FUNDAMENTOS Modelo de Hertz-Knundsen para la evaporación en vacío Cálculo del espesor depositado: Efecto de la direccionalidad MÉTODOS DE EVAPORACIÓN TÉRMICA Calentamiento resistivo Evaporación mediante bombardeo de electrones EVAPORACIÓN DE ALEACIONES, MEZCLAS Y COMPUESTOS Evaporación directa Evaporación reactiva OTROS MÉTODOS DE EVAPORACIÓN Plateado iónico ( ion plating ) Evaporación por arco catódico Proyección térmica ( Thermal spraying ) BIBLIOGRAFÍA DEPOSICIÓN MEDIANTE PULVERIZACIÓN CATÓDICA ('SPUTTERING') (J. M. Albella) 1. INTRODUCCIÓN: FUNDAMENTOS DE LA TÉCNICA DE PULVERIZACIÓN CATÓDICA O SPUTTERING MECANISMOS BÁSICOS DE 'SPUTTERING' Modelo de colisión entre dos partículas Consideraciones energéticas Rendimiento de sputtering SPUTTERING DE ALEACIONES Y COMPUESTOS TÉCNICAS DE SPUTTERING EN CORRIENTE CONTINUA Diodo planar Sputtering magnetrón: diferentes configuraciones Sputtering magnetrón no-balanceado SPUTTERING EN CORRIENTE ALTERNA (RF) SPUTTERING REACTIVO RESUMEN Y CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA DEPÓSITO Y MODIFICACIÓN DE CAPAS MEDIANTE HACES DE IONES (I. Jiménez y R. Gago) 1. INTRODUCCIÓN INTERACCIÓN IÓN-SÓLIDO Procesos inducidos por el bombardeo iónico en superficies Efectos del bombardeo iónico sobre las propiedades de las capas

5 12 3. INSTRUMENTACIÓN Fuentes de iones Diagnóstico del haz de iones TÉCNICAS DE MODIFICACIÓN Y DEPOSICIÓN Limpieza de muestras y ataque por iones Deposición directa Pulverización por haz de iones Deposición asistida con iones (IBAD) Implantación de iones BIBLIOGRAFÍA EPITAXIA POR HACES MOLECULARES (MOLECULAR BEAM EPITAXY), MBE (A. Ruiz y L. González) 1. INTRODUCCIÓN: CRECIMIENTO EPITAXIAL DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA Definición y fundamentos Configuración general y características básicas de un equipo MBE Condiciones de UHV Elementos de evaporación Manipulador y sistemas de transferencia Técnicas de caracterización más usuales PROCESO DE CRECIMIENTO MODIFICACIONES AL PROCESO DE CRECIMIENTO MBE Atomic layer MBE (ALMBE), migration enhanced epitaxy (MEE) Gas-source MBE (GSMBE), metalorganic MBE (MOMBE), chemical beam epitaxy (CBE), plasma-assisted MBE (PA-MBE) CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA DEPÓSITO POR LÁSER PULSADO (PLD) (C. N. Afonso y J. Gonzalo) 1. INTRODUCCIÓN Características de la técnica de PLD ASPECTOS BÁSICOS DE LA TÉCNICA DE PLD Interacción láser-blanco Interacción láser-material eyectado Expansión del plasma Síntesis de láminas delgadas EJEMPLOS DE MATERIALES PRODUCIDOS POR PLD BIBLIOGRAFÍA

6 13 9. PREPARACIÓN DE RECUBRIMIENTOS MEDIANTE DEPOSICIÓN QUÍMICA EN FASE VAPOR (CVD) C. Gómez-Aleixandre y S. I. Castañeda) 1. INTRODUCCIÓN FUNDAMENTO DE LOS PROCESOS DE CVD Tipos de reacción de CVD Reacciones químicas en CVD Cinética de las reacciones de CVD CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE CVD Activación térmica Activación por plasma Activación por fotones EQUIPOS DE PRODUCCIÓN MEDIANTE LA TÉCNICA DE CVD ALGUNOS EJEMPLOS DE PROCESOS DE CVD Recubrimientos basados en óxido y nitruro de silicio Recubrimientos de nitruro de boro (BN) y compuestos ternarios relacionados (Si-B- N y C-B-N) RESUMEN Y CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA TÉCNICAS DE CVD ASISTIDAS POR PLASMA (PECVD) Y LÁSER (F. J. Gordillo Vázquez y O. Sánchez Garrido) 1. INTRODUCCIÓN: ASPECTOS GENERALES MECANISMOS DE ACTIVACIÓN DEL PLASMA Procesos de ruptura eléctrica: transformación de un gas en un plasma Procesos de colisiones en plasmas: colisiones elásticas e inelásticas Procesos radiativos PLASMAS PRODUCIDOS EN DESCARGAS DE CORRIENTE ALTERNA Fenómenos producidos en descargas de corriente alterna TÉCNICAS DE CVD ASISTIDAS POR PLASMA (PECVD) Etapas principales en el proceso de depósito mediante técnicas de PECVD Equipos de CVD asistido por plasma Reactores de PECVD en corriente alterna TÉCNICAS DE DEPÓSITO ASISTIDAS POR LÁSER (FOTO-CVD o LÁSER-CVD) Modos de activación Fuentes ópticas ALGUNOS EJEMPLOS DE PROCESOS PECVD Películas delgadas de oxinitruros de silicio Recubrimiento de diamante policristalino Ejemplos de materiales crecidos por foto-cvd BIBLIOGRAFÍA

7 PREPARACIÓN DE RECUBRIMIENTOS MEDIANTE DEPOSICIÓN QUÍMICA EN FASE LÍQUIDA (I. Montero Herrero) 1. INTRODUCCIÓN. Crecimiento de películas inorgánicas a partir de la fase líquida PROCESOS ELECTROQUÍMICOS Celdas o reactores químicos Teoría de la doble capa. Escala absoluta de potenciales Cinética de electrodo Métodos experimentales de estudio de los procesos electroquímicos MÉTODOS QUÍMICOS Y ELECTROQUÍMICOS DE DEPÓSITO Depósito por reacción química Electrodeposición de metales, aleaciones y semiconductores Comparación de los métodos químicos y electroquímicos de deposición de recubrimientos TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Pulido electroquímico y químico Recubrimientos de conversión Procesos de oxidación de metales y semiconductores Procesos termoquímicos de cementación, nitruración y carbonitruración del acero La hidruración Tratamientos por ataque químico. Silicio poroso SIMULACIÓN DE PROCESOS SUPERFICIALES. DINÁMICA MOLECULAR Y MÉTODOS DE MONTECARLO BIBLIOGRAFÍA PREPARACIÓN DE RECUBRIMIENTOS POR SOL-GEL (M. Zayat y D. Levy) 1. INTRODUCCIÓN El proceso Sol-Gel Etapas del proceso Sol-Gel Cerámicas modificadas orgánicamente (ormocers) Matrices Sol-Gel dopadas Ventajas fundamentales del proceso Sol-Gel Preparación típica de materiales vía Sol-Gel PREPARACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS POR SOL-GEL Recubrimientos Sol-Gel Las técnicas de inmersión Dip-Coating (DC) y centrifugado ó Spin-Coating (SC) Otros Parámetros que Afectan a las Técnicas de Deposición APLICACIONES Y EJEMPLOS MÁS REPRESENTATIVOS RESUMEN Y CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

8 15 III. CARACTERIZACIÓN DE CAPAS DELGADAS 13. MEDIDA DEL ESPESOR Y ANÁLISIS DE LA RUGOSIDAD (L. Vázquez) 1. INTRODUCCIÓN MÉTODOS DE MEDIDA DE ESPESORES Métodos de pesada Resonador de cuarzo Métodos eléctricos Métodos ópticos MÉTODOS DE MEDIDA Y ANÁLISIS DE LA RUGOSIDAD Parámetros que describen una superficie Medida de la rugosidad Comparación de las distintas técnicas APÉNDICE: TEORÍA DEL ESCALADO DINÁMICO BIBLIOGRAFÍA MÉTODOS ÓPTICOS (F. Agulló-Rueda y R. Serna) 1. INTRODUCCIÓN La luz y el espectro electromagnético INTERACCIÓN DE LA LUZ CON LOS MATERIALES Coeficientes ópticos Dispersión Reflexión y refracción en una intercara plana Absorción Luminiscencia Interferencia Esparcimiento o dispersión El color de los materiales TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN ÓPTICA Reflectancia y transmitancia (infrarrojo, visible y ultravioleta) Elipsometría Espectroscopía de fluorescencia Espectroscopía vibracional: infrarrojo y Raman BIBLIOGRAFÍA TÉCNICAS DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X (C. Prieto y A. de Andrés) 1. INTRODUCCIÓN: ESTRUCTURA MICROSCÓPICA Y PROPIEDADES DE UN MATERIAL Sólidos cristalinos y amorfos Cristales: Redes de Bravais. Vectores de red. Celda unidad. Red recíproca DIFRACCIÓN DE RAYOS X ( ALTO ÁNGULO ) Difracción de rayos X por una red periódica. Ley de Bragg

9 Factor electrónico, factor de forma atómico y factor de estructura Geometría Bragg-Brentano: Sistemas experimentales para láminas delgadas Geometría de incidencia rasante Identificación de fases cristalográficas. Grado de cristalinidad. Orientación preferencial. Análisis de texturas REFLECTIVIDAD DE RAYOS X ( BAJO ANGULO ) Introducción Geometría especular de reflexión de rayos X. Determinación del grosor de una película delgada Geometría no-especular de reflexión de rayos X Aplicación en sistemas multicapa. Determinación de la periodicidad y de la calidad de las interfases Análisis de los datos de sistemas multicapa BIBLIOGRAFÍA ESPECTROSCOPÍAS ELECTRÓNICAS (Auger y XPS) (M. Fernández) 1. INTRODUCCIÓN ESPECTROSCOPÍAS DE SUPERFICIE. INSTRUMENTACIÓN Procesos electrónicos básicos Instrumentación: Fuentes de excitación. Analizador INFORMACIÓN ESPECTRAL El espectro de electrones secundarios El espectro de fotoelectrones de rayos x. Estructura primaria CUANTIFICACIÓN DE ESPECTROS EN AES Y XPS Cálculo de la intensidad. Formalismo básico Perfiles de concentración APLICACIONES BIBLIOGRAFÍA ANÁLISIS CON HACES DE IONES: RBS, ERDA, PIXE, NRA Y SIMS (I. Montero Herrero y R. Gago) 1. CONCEPTOS GENERALES DE LAS TÉCNICAS DE ANÁLISIS CON HACES DE IONES INSTRUMENTACIÓN PARA EL ANÁLISIS CON HACES DE IONES Aceleradores lineales del haz de iones ESPECTROSCOPÍA DE RETRODISPERSIÓN RUTHERFORD (RBS) Conceptos generales de la técnica RBS Principios básicos. Expresiones analíticas Interpretación de espectros de RBS. Ejemplos de análisis de películas delgadas Efecto de canalización o channeling. Ordenamiento atómico en el sólido RETROCESO ELÁSTICO DE IONES (ERDA) Conceptos generales de la técnica ERDA Expresiones analíticas: Factor cinemático y sección eficaz del proceso Distintas configuraciones experimentales

10 17 5. EMISIÓN DE RAYOS-X INDUCIDA POR EL BOMBARDEO DE PARTÍCULAS ENERGÉTICAS (PIXE) Conceptos generales de la técnica PIXE Microanálisis PIXE Cuantificación de los espectros PIXE. Utilización de muestras de referencia ANÁLISIS MEDIANTE REACCIONES NUCLEARES (NRA) Reacciones nucleares. Resolución de la interacción nuclear Ejemplos de reacciones nucleares Tipos de análisis NRA. Perfiles de concentración ESPECTROMETRÍA DE MASAS DE IONES SECUNDARIOS (SIMS) Introducción a la técnica SIMS SIMS estático y dinámico Equipo de análisis: analizadores magnéticos y cuadrupolos BIBLIOGRAFÍA TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN CON RADIACIÓN SINCROTRÓN (I. Jiménez) 1. INTRODUCCIÓN La radiación sincrotrón Características de la radiación sincrotrón INSTALACIONES Y EQUIPAMIENTO Aceleradores de partículas Dispositivos de inserción: osciladores y onduladores Líneas de luz ASPECTOS DE LA INTERACIÓN RADIACIÓN-MATERIA Interacción inelástica fotón-materia: absorción y emisión Aspectos de la interacción elástica radiación-materia: difracción INTERACCIÓN INELÁSTICA: TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS Absorción de rayos X Fotoemisión Fluorescencia o emisión de rayos X Dicroísmo magnético Técnicas con imagen: espectro-microscopías INTERACCIÓN ELÁSTICA: TÉCNICAS DE DIFRACCIÓN Técnicas basadas en el alto flujo de fotones Técnicas basadas en la selección de la energía del fotón Técnicas basadas en la estructura de tiempos del haz de rayos X Técnicas basadas en la polarización de la luz BIBLIOGRAFÍA LA MICROSCOPÍA PARA EL ESTUDIO DE MATERIALES Y LÁMINAS DELGADAS ( J.A. Martín Gago) 1. INTRODUCCIÓN A LA MICROSCOPÍA DE MATERIALES EL MICROSCOPIO ÓPTICO

11 18 3. MICROSCOPIOS ELECTRÓNICOS El Microscopio electrónico de barrido (SEM) Análisis cuantitativo de Rayos X Microscopio de transmisión electrónico (TEM) Microscopías con resolución química: Microscopía Auger y de rayos X MICROSCOPIOS DE CAMPO CERCANO: STM Y AFM BIBLIOGRAFÍA CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS RECUBRIMIENTOS (J. M. Albella) 1. INTRODUCCIÓN PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Propiedades elásticas Otras magnitudes elásticas PROPIEDADES TRIBOLÓGICAS Y OTRAS MAGNITUDES MECÁNICAS ASOCIADAS A CAPAS DELGADAS Fricción ó rozamiento Desgaste Tensiones residuales Adherencia MEDIDA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE RECUBRIMIENTOS Modulo elástico y dureza: Técnica de indentación Coeficiente de desgaste y de fricción: Técnica de Punta sobre Disco Adhesión y rayado Tensiones residuales RESUMEN Y CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA IV. PROPIEDADES Y APLICACIONES 21. APLICACIONES MECÁNICAS DE LOS RECUBRIMIENTOS ( J. M. Albella) 1. INTRODUCCIÓN SELECCIÓN DE MATERIALES Recubrimientos duros Recubrimientos blandos ESTRUCTURA DE LOS RECUBRIMIENTOS TÉCNICAS DE DEPOSICIÓN DE RECUBRIMIENTOS PARA APLICACIONES MECÁNICAS APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DE LOS RECUBRIMIENTOS Herramientas de corte

12 Prótesis biomédicas BIBLIOGRAFÍA APLICACIONES QUÍMICAS DE LOS RECUBRIMIENTOS: PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN (J. J de Damborenea) 1. ASPECTOS GENERALES: Importancia de la corrosión y de los métodos de protección FUNDAMENTOS BÁSICOS DE CORROSIÓN Nociones de corrosión a alta temperatura Nociones de corrosión electroquímica Formas de corrosión electroquímica y métodos de protección MÉTODOS DE PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN MEDIANTE CAPAS DELGADAS IMPLANTACIÓN IÓNICA TRATAMIENTOS CON LÁSER CONCLUSIONES Y LÍNEAS DE FUTURO BIBLIOGRAFÍA APLICACIONES EN MICROELECTRÓNICA Y FOTÓNICA (F. Agulló-Rueda y J. M. Albella) 1. INTRODUCCIÓN PROPIEDADES GENERALES DE LOS SEMICONDUCTORES Fenómenos de conducción y modelo de bandas de energía Absorción de luz y luminiscencia Semiconductores dopados Diodos de unión Nanoestructuras EJEMPLOS DE MATERIALES USADOS EN MICRO- Y OPTO- ELECTRÓNICA Semiconductores Capas aislantes y conductoras APLICACIONES EN MICROELECTRÓNICA Tecnología planar Fotolitografía APLICACIONES OPTOELECTRÓNICAS Diodo emisor de luz (LED) Diodos láser Paneles electroluminiscentes Fotodetectores Células solares BIBLIOGRAFÍA PROPIEDADES ÓPTICAS DE CAPAS DELGADAS. APLICACIONES (R. Serna y F. Agulló-Rueda) 1. INTRODUCCIÓN Por qué usamos recubrimientos ópticos en capa delgada?

13 Materiales para recubrimientos ópticos: características PROPIEDADES ÓPTICAS DE CAPAS DELGADAS HOMOGÉNEAS Y DE MULTICAPAS Propiedades ópticas de multicapas. Diseño APLICACIONES EN COMPONENTES ÓPTICOS Recubrimientos antirreflectantes Espejos (reflectores) y divisores de haz Atenuadores, partidores de haz y polarizadores Filtros ópticos Aplicaciones en telecomunicaciones y redes locales Aplicaciones relacionadas con la conservación de energía, y en elementos de arquitectura y automoción Efectos medioambientales RECUBRIMIENTOS ÓPTICOS ACTIVOS Recubrimientos termocrómicos, fotocrómicos y electrocrómicos Los recubrimientos electrocrómicos como modelo de recubrimientos activos. Ejemplo de dispositivo Aplicaciones. Pantallas electrocrómicas y ventanas inteligentes BIBLIOGRAFÍA APLICACIONES DE LAS LÁMINAS DELGADAS EN ÓPTICA INTEGRADA (C. N. Afonso y J. Solís) 1. INTRODUCCIÓN LA GUÍA DIELÉCTRICA GUÍAS ACANALADAS El acoplador en Y El acoplador direccional SISTEMAS ACTIVADOS POR MÉTODOS NO-ÓPTICOS Moduladores acusto-ópticos Moduladores electro-ópticos Moduladores en guía de onda SISTEMAS ACTIVADOS ÓPTICAMENTE Sistemas ópticos no lineales Sistemas de ganancia SISTEMAS MIXTOS BIBLIOGRAFÍA PROPIEDADES Y APLICACIONES MAGNÉTICAS (J. M. González) 1. INTRODUCCIÓN: DEL MOMENTO MAGNÉTICO A LA HISTÉRESIS Momentos magnéticos El orden magnético Anisotropías magnéticas La histéresis Temperaturas finitas y propiedades magnéticas

14 21 2. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE SUPERFICIES E INTERCARAS SENSIBLES AL TAMAÑO Super-paramagnetismo Momentos magnéticos, temperaturas de orden y anisotropías de superficie e intercara FENOMENOLOGÍA MAGNÉTICA EN PELÍCULAS DELGADAS DE INTERÉS PARA LA TECNOLOGÍA APLICACIONES DE LAS PELÍCULAS DELGADAS MAGNÉTICAS Transformadores Sensores y actuadores Dispositivos micro-electromecánicos Registro magnético Magneto-electrónica BIBLIOGRAFÍA ÍNDICE DE MATERIAS