Deposição Física de Vapores Physical Vapour Deposition (PVD)

Transcrição

1 Deposição Física de Vapores Physical Vapour Deposition (PVD) Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 1

2 Sumário Tecnologia de Vácuo para Microfabricação Revisões de Física dos Gases Perfeitos Deposição de Películas Finas - Por Evaporação Térmica - Por Evaporação Térmica Reactiva - Por Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma - Por Pulverização Catódica - Por Pulverização Catódica Reactiva Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 2

3 Tecnologia de Vácuo para Microfabricação Meio de Transporte de Massa -Low-Pressure Chemical Vapour Deposition (LP-CVD) Meio de Criação de Plasmas -Sputtering - Plasma Enhanced CVD (PE-CVD) - Reactive Ion Etching (RIE) - Plasma Enhanced RTE (rf-perte) Meio de transporte de partículas com grande livre percurso médio - Implantação Iónica (II) - Litografia de feixe de electrões (EBL) Ambiente de Processamento sem Contaminantes - Evaporação Térmica (TE) - Epitaxia de Feixes Moleculares (MBE) Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 3

4 Tecnologia de Vácuo para Microfabricação Bombas Rotatórias Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 4

5 Tecnologia de Vácuo para Microfabricação Bombas Difusoras Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 5

6 Tecnologia de Vácuo para Microfabricação Bombas Turbomoleculares Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 6

7 Tecnologia de Vácuo para Microfabricação Bombas Roots Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 7

8 Revisões de Física dos Gases Perfeitos 1. Unidades 1 atmosfera = 760 Torr = 1,015 bar 1 Torr = 1 mm Hg =1,33 mbar Em unidades MKS (SI) 1 Pa = 1 Newton/m 2 = 7,5 mtorr 1 Pa = 10-2 mbar 2. Lei dos gases perfeitos PV = NkT k = 1,38x10-23 J/K por molécula N = Número de moléculas T = Temperatura absoluta em K Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 8

9 Revisões de Física dos Gases Perfeitos 3. Lei de Dalton das Pressões Parciais Numa mistura de gases não reactivos contidos num recipiente, cada gas exerce a sua pressão de forma independente dos outros. P total = P 1 + P P N (Pressão Total = soma das pressões parciais) N total = N 1 + N N N P 1 V = N 1 kt P 2 V = N 2 kt... P N V = N N kt Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9

10 Revisões de Física dos Gases Perfeitos 4. Velocidade Molecular Média Assumindo a distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzman v = 8kT π m onde m = peso molecular do gas 5. Livre percurso médio entre colisões moleculares onde: n = densidade molecular = N/V, d o = diâmetro molecular Nota: Para o ar a 300 K, Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 10

11 Revisões de Física dos Gases Perfeitos 6. Taxa de colisões com uma superfície, Φ = nº de moléculas que atingem uma unidade de superfície por unidade de tempo P = 3,5x10 22, em cm -2 s -1 ; com P em Torr e m em u.m.a. mt Para o ar a 300 K, Φ = 3,8x10 20 P (em cm -2 s -1 ) Φ = nv 4 Exemplo - Cálculo da contaminação dos gases residuais em vácuo: Para uma pressão residual de 10-6 Torr, Φ = 3,8x10 14 cm -2 s -1 Se considerarmos que todas as moléculas que atingem o substrato ficam depositadas, então obteremos 1 monocamada em cada 15 segundos!!! diam N = 1,3 A; 1cm comporta 77 x10 6 átomos em linha; 1cm 2 tem 6x10 15 átomos; t = 6x10 15 /3,8x10 14 = 15 s. Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 11

12 Revisões de Física dos Gases Perfeitos Fluxo de moléculas de gas que atingem uma superfície, tempo para formar uma monocamada de gas depositado numa superfície e livre percurso médio de uma molécula em função da pressão do gás, à temperatura ambiente Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 12

13 Deposição de Películas Finas Métodos Físicos (PVD) Métodos Químicos (CVD) - Evaporação Térmica -Sputtering Métodos Físico-químicos - Deposição Química de Vapores (CVD) - CVD de baixa pressão LP-CVD - CVD assistido por plasma PE-CVD - Sputtering Reactivo - Evaporação Térmica Reactiva - Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma (rf-perte) película fina Aplicações: Metalização (p. ex. Al, TiN, W, silicetos) Silício policristalino (Poly-Si) Camadas epitaxiais monocristalinas Camadas dieléctricas e passivação da superfície Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 13

14 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Pressão de Vapor: P = 0 P e H kt P Taxa de evaporação (máx) = 2πmkT m = peso molecular do vapor Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 14

15 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Pressão de Vapor em função da Temperatura. A pressão de vapor traduz a facilidade de evaporação de uma substância. Por exemplo, o In evapora mais facilmente que o Al. Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 15

16 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Fluxo de Evaporação 1. Fontes pontuais O fluxo F é uniforme em todas as direcções e independente de θ 1. Fontes planares O fluxo F que deixa a superfície é proporcional a cos(θ ) Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 16

17 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Deposição Espessura depositada F.cos( φ) é = F'.cos( φ) 2 r F = F/r 2 é o fluxo à distância r da superfície Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 17

18 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Exemplo: Deposição num substrato plano sobre a fonte planar Para esta geometria, θ = φ. A espessura t em x=0 é: cos(φ)/r 2 =1/R 2 Porque φ = 0 para x = 0 Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 18

19 Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 19 Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Exemplo: Deposição num substrato plano colocado sobre a fonte planar ( ) ( ) ) cos( ) cos( l R l R + = + = θ φ A espessura t em x=+l é: 2 ) cos( R φ 3 0 R R = ) ( ) ( + = = = + l R R x t l x t

20 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Exemplo: Deposição numa superfície esférica tangencial à fonte planar θ = φ 1 Fluxo F cos( θ ) 2 r Espessura F cos (φ) 1 cos( θ )cos( φ) 2 r Como cos(θ) = (r/2)/r 1 2 cos ( θ ) 2 r Então a espessura obtida é 1 r r R 2 e é constante Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 20

21 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Sistema de Evaporação Térmica Reactiva Substrate Holder/Heater Utilizado para deposição de ITO Film Deposition Reacting Gases Metal evaporante: In:Sn (90%:10%) Gás reactivo: O 2 Temperatura do Substrato ~180ºC Material Depositado ITO (Indium-Tin Oxide) ->É um TCO (transparent-conductive Oxide) Crucible Gas Inlet Vacuum Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 21

22 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Sistema de Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 22

23 Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica Sistema de Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma Utilizado para deposição de InO x (Óxido de Índio não estequiométrico) - Tem caraterísticas electro-ópticas semelhantes ao ITO. - Possibilidade de deposição à temperatura ambiente (e portanto em substratos flexíveis). Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 23

24 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Reactor de Placas Paralelas para Geração de Plasma Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 24

25 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Propriedades Básicas de um Plasma O volume de um plasma é quasi-neutro, contendo aproximadamente o mesmo número de electrões e de iões positivos. O Potencial eléctrico é aprox. constante no volume do plasma. A queda de potencial está nas regiões de baínha. O plasma utilizado nos processos de microelectrónica é um plasma fraco na medida em que contem uma fracção ionizada muito pequena (10-3 a 10-6 iões por molécula) Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 25

26 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 26

27 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Resultados possíveis de uma colisão iónica com o substrato Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 27

28 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Sistema de Pulverização Catódica Pressão do gás: 1-10 mtorr Razão de crescimento: Cte. I. S Corrente iónica Rendimento do processo Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 28

29 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Sistema de Pulverização Catódica Rendimento do Processo (S) S nº de átomos de Al ejectados do substrato nº de átomos de Ar que atingem o substrato 0,1<S<30 Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 29

30 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Sistema de Pulverização Catódica Rendimento do Processo (S) O Rendimento do Processo depende também de: - Do ião incidente - Da energia utilizada - Do ângulo de incidência Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 30

31 Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica Sistema de Pulverização Catódica Reactiva Sputtering na presença de gases reactivos (ex. N 2, O 2, etc). Exemplo: Formação de TiN 1- Um ião altamente energético (árgon ou gás reactivo) colide com o alvo. 2- O vapor de metal do alvo entra no plasma com o gás reactivo reactivo e reage quimicamente. 3- O produto de reacção difunde para fora do plasma e deposita-se Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 31

32 Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Problema de recobrimento de degraus Quer a evaporação térmica, quer a pulverização catódica têm fluxos direccionais. levando à descontinuidade dos filmes... Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 32

33 Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Problema de recobrimento de degraus Quer a evaporação térmica, quer a pulverização catódica têm fluxos direccionais.... e à desuniformidade dos bordos. Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 33

34 Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Problema de recobrimento de degraus Resolução do problema: aquecendo e rodando o substrato. Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 34

35 Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Problema de recobrimento de degraus Consequência: Formação de perfis que podem ser fechados no topo deixando um vazio. Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 35

36 Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Problema de recobrimento de degraus Métodos de resolução alternativos: 1. Utilização de fontes de deposição de grande área Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 36

37 Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD Problema de recobrimento de degraus Métodos de resolução alternativos: 1. Colimação do feixe Microelectrónica III Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 37