Diseño y construcción de un sistema monitor de espesores basado en cristal de cuarzo

Abstract

Existen diversos métodos de deposición aplicables a la fabricación de capas finas de materiales, como la evaporación por haz de electrones, evaporación térmica y bombardeo iónico o sputtering, entre otras. Estas técnicas tienen como característica común, que generan (por distintos medios) una “nube” del material que se desea depositar, para lograr de esta manera, que se adhiera a un sustrato, obteniendo un contacto a nivel atómico. La técnica de evaporación térmica presenta, como ventaja principal sobre las otras técnicas, un consumo eficiente del material empleado. A su vez, ofrece una mayor versatilidad al momento de intercambiar el material a evaporar, y permite obtener capas finas del orden de los nanómetros, en una amplia gama de materiales. Para una gran variedad de aplicaciones, resulta de interés controlar el espesor del material depositado durante el proceso de fabricación. Este control se realiza implementando un monitor de espesor, utilizando un cristal piezoeléctrico como sensor y una barrera física conocida como shutter, que se emplea para cubrir o exponer, tanto a la muestra como al sensor,a conveniencia con el fin de obtener el espesor deseado. El cristal se dispone próximo al sustrato a recubrir, de manera que una porción de su superficie se encuentre expuesta, y así, al cargarse con material,se alteran las propiedades del cristal, produciendo que su frecuencia característica disminuya, principalmente, en función del espesor sobre él. Un monitor de espesor detecta dichas variaciones para estimar el valor de espesor de la capa. En el presente trabajo se diseñó e implementó un monitor de espesor, compuesto de los sub-sistemas requeridos para su funcionamiento, tales como fuente de alimentación, porta-sustrato, porta-cristal, interfaz gráfica de usuario para visualización, placas de acondicionamiento de señal, potencia y procesamiento y control. La validación del sistema se efectuó depositando capas delgadas de aluminio sobre sustratos de vidrio, para posteriormente caracterizar las muestras obtenidas, midiendo su espesor final de manera directa con el equipo desarrollado, contrastándolas con la estimación de espesor obtenida midiendo la curva de transmitancia de cada muestra y realizando el ajuste por el método Transfer Matrix. Se estableció por contraste las especifi- caciones finales del equipo desarrollado, obteniendo como resultado una resolución de la frecuencia de 1 Hz, que corresponde a una incerteza en la medición de espesor de 0,0 12nm (utilizando aluminio como material depositado), similar a las prestaciones de equipos comerciales estándar.