Instrumentación

Calentador de sustratos compacto y de bajo costo para tratamiento térmico in situ de películas delgadas depositadas por rf–sputtering

A. Márquez–Herrera,ª,* E. Hernández–Rodríguez,ª M.P. Cruz–Jáuregui,^b M. Zapata–Torresª y A. Zapata–Navarroª

ª CICATA–Legaria IPN, Calzada Legaria 694, Col. Irrigación, 11500 México, Distrito Federal, México,

^b CNyN–UNAM, Km. 107 Carretera Tijuana–Ensenada, 22860, Ensenada, B.C. México, *e–mail: amarquez@ipn.mx.

Recibido el 14 de octubre de 2009
Aceptado el 24 de noviembre de 2009

Resumen

En este trabajo se presenta el diseño y construcción de un calentador de sustratos de bajo costo, el cual es capaz de operar en sistemas de alto vacío. Su utilización se centra en proporcionar tratamiento térmico in–situ durante el crecimiento de películas delgadas bajo condiciones de presión controlada y atmósfera corrosiva. El calentador fue construido principalmente de acero inoxidable, cerámica y una resistencia comercial de khantal–A1. El cuerpo del horno es enfriado usando un sistema de aletas y líquido refrigerante, el cual se encuentra completamente aislado de la cámara de depósito. El diseño del calentador también incorpora un sistema de rotación que permite que el sustrato gire durante el proceso de crecimiento proporcionando uniformidad a la película. La temperatura del sustrato es monitoreada mediante un termopar tipo "K" que retroalimenta a un controlador de temperatura, el cual modula una fuente de poder variable que suministra el voltaje a la resistencia. Con el propósito de evaluar la funcionalidad del sistema de calentamiento, éste se montó en un equipo de rf–sputtering y se crecieron películas delgadas de BaTiO₃ con distintas temperaturas de sustrato en una geometría off–axis. El sistema de tratamientos térmicos in–situ es capaz de proveer una temperatura uniforme al sustrato así como de operar por largos periodos de tiempos.

Descriptores: Películas delgadas; tratamientos térmicos; sistema de calentamiento.

Abstract

In this work we present the design, construction and the evaluation of a low cost substrate heater for working at high vacuum. Its use concentrates in providing in–situ annealing during the growth of thin films under conditions of controlled pressure and corrosive atmosphere. The heater was constructed mainly of stainless steel, ceramic and a resistance of khantal–Al. The body of the heater is cooled using a system of fins and cooling liquid which is isolated completely of the vacuum chamber. The design of the heater also incorporates a rotation system that allows that the substrate turns during the process of growth providing uniformity to the film. Temperature of the substrate is recorded by a type "K" thermocouple which feeds back a temperature controller that provides a modulated voltage to the heating resistance. In order to evaluate the functionality of the heating system, this was mounted in a rf–sputtering equipment and thin films of BaTiO₃ were grown under different substrate temperatures in an off–axis geometry. The heating system is able to provide an uniform temperature to the substrate as well as to operate by long periods of times.

Keywords: Thin films; annealing; heater system.

PACS: 81.15.Cd;81.40.Ef

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

Agradecimientos

Este trabajo se realizó con el apoyo del Instituto Politécnico Nacional a través del proyecto SIP–IPN (No. 20090484), de la SEP–CONACYT (SEP–2004–001–47934) y PAPIIT–UNAM ( IN107708–3). Gracias a E. Aparicio, I. Gradilla y P Casillas por todo su apoyo técnico.

Referencias

1. X.H. Zhu et al., J. Eur. Ceram. Soc. (2009).        [ Links ]

2. K. Sreenivas, I. Reaney, T. Maeder y N. Setter, J. Appl. Phys. 75 (1994) 232.        [ Links ]

3. W.J. Lee, Y.M. Kim y H.G. Kim, Thin Solid Films 269 (1995) 75.        [ Links ]

4. S.T. Kim, H.H. Kim, M.Y. Lee y W.J. Lee, Jpn. J. Appl. Phys 36 (1997) 294.        [ Links ]

5. M.P. Cruz et al., Ferroelectrics 225 (1999) 319.        [ Links ]

6. T. Watanabe, Nanoplating: Microstructure Control Theory of Plated Film Microstructure (Elsevier 2004) p. 385.        [ Links ]

7. C.J. Robbie y C.T.H. Stoddart, J. Phys. E: Sci. Instrum. 1 (1968) 56.        [ Links ]

8. M. Herrera et al., Rev. Mex. Fis. 48 (2002) 61.        [ Links ]

9. J.C. Clark, J.P. Maria, K.J. Hubbard y D.G. Schlom, Rev. Sci. Instrum. 68 (1997) 2538.        [ Links ]

10. P.L. Swart, B.M. Lacquet y S. Reynecke, IEEE Trans. on Nucl. Sci. 40 (1993) 3.        [ Links ]

11. A. Ceylan, E. Kaynak, S. Ozcan y T. Firat, Turk J. Phys. 28 (2004) 265.        [ Links ]

12. V. Kumar y A.K. Gupta, Meas. Sci. Technol. 4 (1993) 790.        [ Links ]

13. T.E. Jones, W.C. McGinnyis y J.S. Briggs, Rev. Sci. Instrum. 4 (1994) 65.        [ Links ]

14. V.G. Shengurov, S.P. Svetlov, V.A. Tolomasov y V. Yu. Chalkov, Instruments and Experimental Techniques 47 (2004) 715.        [ Links ]

15. I.H. Kazia, P.M. Wilda, T.N. Moorea y M. Sayerb, Thin Solid Films 433 (2003) 337.        [ Links ]

16. K. handbook, Resistive Heating Alloys and Elements for Industrial Furnaces (Kanthal AB, 1989) p. 10.        [ Links ]

17. V. Torres–Heredia et al. Adv. In Tech. Of Mat. And Mat. Proc. J. (ATM) 2 (2005) 105.        [ Links ]

18. A . Márquez–Herrera, A. Zapata–Navarro y Ma. De La Paz Cruz–Jáuregui, J. of Mat. Sci. (2005) 1.        [ Links ]