Transporte de impurezas hidrogénicas en oro y óxido de zinc altamente degenerado

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Capítulo 1

Introducción

La electromigración es un fenómeno de transporte de masa, consistente en el ar-

rastre de iones, átomos, moléculas, clusters de átomos o de vacancias inmersas en

un medio material, que es ocasionado por la acción de un campo eléctrico y por la

densidad de corriente eléctrica que surca el material [1;2].

Este proceso puede producir cambios estructurales en el volumen del material,

como también a nivel de la super…cie del mismo; puede imaginarse este proceso de

una manera simple, haciendo uso de una analogía extendida a las escalas geológicas,

donde el viento remueve grandes porciones de arena, produciendo nuevas con…gu-

raciones en el relieve, o lo que ocurre en las riveras de los ríos donde la corriente de

agua constantemente modi…ca la rivera de los mismos[3]. El problema de la electro-
migración es de larga data. Desde el punto de vista físico
despierta considerable
interés, y nínguna teoría completa ha sido presentada para dar una explicación

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amplia del ‡ujo de impurezas bajo la in‡uencia de un “viento electrónico”.
Desde el punto de vista tecnológico, el problema de la electromigración es de gran
importancia práctica, ya que este fenómeno es el principal causante de fallas en
los dispositivos electrónicos de muy alta integración (VLSI), ya que con el adven-
imiento de escalas de miniaturización cada vez mayores, las densidades de corriente
en los caminos metálicos sobre un chip pueden alcanzar valores enormes[3]. También
es importante resaltar que por las propiedades que presenta dicho fenómeno, sus apli-
caciones también son de gran alcance, que van desde aplicaciones en metalurgía en la
puri…cación de metales, separación de isótopos, hasta aplicaciones en bioquímica, y
química, donde se separan iones y macromoléculas (proteínas) en medios coloidales,
también es de destacar su aplicación en ciencias ambientales y en la llamada ciencia
de materiales, entre otras muchas más[4;5].
En películas delgadas se observan regiones de agotamiento del material (vacíos),
en tanto que en otros sectores del mismo se produce una fuerte acumulación de
material (montículos), generando toda suerte de esfuerzos internos en el material
[6;7;8]. En la super…cie de la película se puede notar toda una gama de fenómenos
sobre la misma, desde la aparición de agujeros (vacíos) y montículos en la super…cie
hasta la formación de microcristales sobre la super…cie, entre otros muchos[9].
Son variados y distintos los puntos de vista y los enfoques en el estudio de la
electromigración, en lo que respecta a este trabajo, se parte de algunas consideraciones
físicas y de algunos resultados experimentales previos para hacer un estudio en el

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campo de la electromigración, siempre en primera aproximación, o como preámbulo
al tema en sí mismo, para entender y abordar de manera más apropiada, este tan
sugestivo tema cientí…co.
No es del alcance de esté trabajo, encontrar o reproducir todos los resultados
teóricos y experimentales, ni siquiera los más notables encontrados durante el curso
de la investigación cientí…ca, tampoco el de resolver alguna cuestión fundamental
o aspecto aún abierto dentro del campo de la electromigración, por el contrario, se
aborda el tema desde el punto de vista experimental, siempre de manera aproximada o
empírica, como también el de hacer una corta revisión de tipo teórico y experimental,
con el …n hacer menos oscuro el tema que se trata.
Parecería simple explicar el experimento y los resultados experimentales obtenidos
(experimento de electromigración propuesto)[10], pero no es así, a pesar de contar
con un sistema físico “simple”(película delgada y electrodos ) que en principio parece
predecible y claro en su comportamiento, se encuentra que lejos de ello, aparecen ras-
gos interesantes y algo complejos, que el experimento mismo no permite esclarecer.
A pesar de todo, la metodología elegida, inspirada tanto práctica como conceptual-
mente en los métodos propios de las colisiones atómicas, permite extraer información
preciosa del comportamiento eléctrico de algunos materiales antes y después de efec-
tuar un proceso de dopado, mismo que se lleva a cabo de manera controlada mediante
la técnica de implantación de iones, utilizando para ello el equipo implantador de iones
del Depto de Física de la Universidad Nacional de Colombia.

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1.1.
Objetivos propuestos
Los objetivos propuestos en el proyecto general de este trabajo, eran:

1. Veri…car que el proceso de electromigración de hidrógeno en películas

delgadas de ZnO y en oro se presenta de manera observable, en las muestras

implantadas, basados en la diferencia sistemática entre la característica eléctrica

de las muestras de referencia e implantadas.

2. Estudiar el fenómeno de la electromigración, en una primera aproximación,

considerando el medio material como un gas de electrones (película delgada) y

tomando la interacción de la impureza (hidrógeno) con el medio, en el marco

del modelo de arrastre viscoso.

3. Obtener información en cuanto a la utilidad real del modelo del gas de elec-

trones en lo referente al transporte de impurezas, y como modelo aproximado

en el fenómeno de la electromigración.

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Capítulo 2

De…nición de electromigración y

fuerza de arrastre

La electromigración en términos generales es el transporte de impurezas: áto-

mos, móleculas, o iones, como result