Deposição de Filmes. Introdução

Transcrição

1 Deposição de Filmes 1 Introdução 2

2 3 4

3 Por que depositar outro material?? Abrir o tema para discussão. 5 6

4 7 Bombas para Equipamentos a Vácuo para MEMS e Microeletrônica 8

5 9 10

6 11 12

7 13 14

8 Gás - Vapor / Ponto Crítico Pressão de saturação de vapor 15 Modos de Armazenamento de Energia das Partículas Translacional Rotacional Vibracional Eletrônica Importantes em plasmas e deposição ativada por fótons Energia de translação ε = tx mv x 16

9 Cinética de Gases Distribuição de Maxwell-Boltzmann: as moléculas estão continuamente colidindo entre si e com as paredes do recipiente. Em regime: dn dc N onde : N mc m = 4πc exp 2 2 πkbt kbt = número total de moléculas na distribuição c = velocidade da molécula (m/s) dn/dc = m = massa molecular (kg) k B número incremental de moléculas dn dentro de um incremento de velocidade dc = constante de Boltzmann = 1.38x10 T = temperatura absoluta (K) -23 J / K 17 Curva de Distribuição c = c 2 8kBT = πm 3kBT = πm 8RT πm 3RT = M R = k N N A B A = constante do gás = número de Avogadro M = mn A = massa molar (peso molecular) 18

10 Fluxo de Impingimento Molecular 1 J i = nv x 2 1 J i = 4 nc 19 Gás Ideal Considerando colisões elásticas, A força num processo de colisão é proporcional ao fluxo de impingimento: Lembrando que Variação de momento = 2mv x F / A = J (2mv i ) = nmv 2 x vx = v Portanto, F / A = nmv 3 x 2 3k BT 3RT c = = πm M 20

11 Lei do Gás Ideal 3 ε t = 2 k B T 21 Equação de Knudsen Devemos expressar o fluxo de impingimento em termos de quantidades macroscópicas. 22

12 Caminho Livre Médio É a distância média que uma partícula percorre num gás antes de se colidir com uma molécula do gás. 23 Exemplo 24

13 Número de Knudsen 25 Adsorção 26

14 27 Evaporação 28

15 Step Coverage 29 Evaporadores 30

16 Troca de Calor num Cadinho 31 Evaporação 32

17 Evaporação 33 Feixes Energéticos 34

18 Deposição por Feixes Energéticos São métodos não térmicos de energia direcionados aos processos. Etapas: vaporização de um material fonte; ativação do material fonte durante o transporte; modificação da estrutura do filme durante a deposição A energia pode ser passada, transmitida por elétrons, fótons, ou íons (em geral, íons positivos) O diâmetro do feixe varia conforme a técnica. Dessa forma, seguindo a tabela 8.1, nota-se que as quatro primeiras técnicas (feixe de elétrons, arco catódico, arco anódico, laser pulsado) usam um feixe fino, enquanto sputtering usa feixe com diâmetro bem maior. Técnicas que usam feixe fino concentram mais a energia, sendo que o mecanismo de vaporização (geração do vapor) é térmico apesar da entrada de energia ser não térmica 35 Vantagens qualquer material (mesmo refratários) pode ser vaporizado, tanto no caso do uso de feixes estreitos como em sputtering. Além disso, como o feixe é dirigido, pode-se evitar a admissão de energia em partes vizinhas à fonte, resultando num evaporante mais puro. em sputtering e laser pulsado, a profundidade ativada do material fonte pode ser de apenas décimos de nm, resultando numa vaporização estequiométrica (congruente) de materiais multi-elementos. a energia adquirida pelo evaporante é muito maior nessas técnicas do que por evaporação convencional. Das técnicas deste capítulo, átomos termicamente evaporados adquirem energia extra após evaporação com a subsequente interação com o feixe energético já na fase vapor. Vapores ionizados podem adquirir energia extra pela aceleração com um campo elétrico (substrato negativo). Com relação a processos na superfície do substrato, a condensação de átomos energizados ou o bombardeamento de íons pode melhorar a aderência e a estrutura do filme. 36

19 Geração de Elétrons Podem ser gerados por emissão de uma superfície ou por ionização de átomos de gás ou moléculas (A A + + e) Emissão de superfícies: o emissor é denominado catodo, e o coletor de elétrons é o anodo Para metais, a curva de distribuição de energia dos elétrons f(e) em função da energia potencial E tem o formato Fermi-Dirac na seguinte. A energia média está no nível de Fermi E F. A função de trabalho φ W é a diferença entre E F e o nível de energia de um elétron livre no vácuo E 0, ou seja, é a barreira para emissão de elétrons. Três maneiras para o elétron escapar: emissão termiônica; emissão de campo e emissão de potencial; fotoemissão ou emissão de elétron secundário

20 Emissão Termiônica elétrons com energia acima de E 0. A densidade de corrente dos elétrons emitidos por unidade de área é dado pela equação de Richardson-Dushman eq. 8.1, semelhante à expressão de Arrhenius. a constante B e φ W variam com a composição da superfície e com a topografia. Em geral usa-se tungstênio W como metal do emissor porque pode ser operado a temperaturas altas; entretanto, ele se pode se oxidar se for usado em ambientes com O 2 ou outros gases reativos o que causa diminuição de φ W, e nestes casos deve-se escolher um metal menos reativo. Entretanto, a eq. 8.1 só vale para campos elétricos E=-dV/dx altos aplicados durante a emissão termiônica. Se o campo E não for suficientemente alto, elétrons vão se empilhar na superfície e produzir um região de cargas negativas, limitando a corrente. 39 Rendimento: Fotoemissão e elétrons secundários Y e 0.032(0.78E i - 2φ W ) + A + e A + 2e 40

21 Electron Beam 41 42

22 Wet X Dry Etching Wet Etching (corrosão por via úmida) foi muito utilizado na indústria de semicondutores nos anos 1970 e Fatores limitantes: na corrosão de metais e óxidos o processo é isotrópico, ou seja, a corrosão das laterais é da mesma ordem da vertical, em geral, deve-se passar por vários banhos com diferentes reagentes. O tempo de troca de banho alonga o tempo total de fabricação, encarecendo o produto, o processo oferece riscos à saúde dos funcionários Atualmente, é usado na limpeza de wafers e remoção de finas camadas de óxido na preparação de wafers. Dry Etching (corrosão a seco) é o processo dominante na indústria de semicondutores atualmente. Muito utilizado desde o final dos anos boa seletividade resulta em baixa contaminação agiliza o processamento 43 Wet Etching Deve-se controlar: temperatura do banho, contaminação (fazer filtragem) tempo de imersão composição do reagente 44

23 Dry Etching com Vapor (1) Corrosão com difluoreto de xenônio 2XeF 2 + Si 2Xe + SiF 4 inicialmente, o sólido XeF2 é sublimado em vácuo de 1Torr, a temperatura ambiente é uma corrosão isotrópica altas taxas (1 a 3 µm/min) não necessita equipamentos sofisticados e caros praticamente não ataca máscaras de fotoresiste, SiO2 (oxidação térmica), PSG (silício amorfo dopado com boro), Al, Au desvantagem: a superfície fica rugosa 45 Dry Etching com Vapor (2) Corrosão com interhalogênios BrF 3 análogo ao anterior (XeF 2 ), mas não deixa rugosidades máscaras: LPCVD SiO 2, nitreto de silício, alguns fotoresistes, Al, Au, Cu, Ni 46

24 Dry Etching com Vapor (3) Corrosão ativada por Laser conhecida como LACE atmosfera de Cl 2 máscara SiO 2 não é muito rápido pode ser usada para fabricar estruturas complexas, mas não suspensas 47 Baixa Dry Etching Processos com Plasma Alta Processo a plasma físico Sputter etching Pressão Energia dos íons Processo balanceado Reactive ion etching Alta Baixa Processo a plasma químico Plasma etching 48

25 Dry Etching Resultados no Wafer Sputter etching (Físico) Alta Baixa Alto Strip isotrópico Reactive ion etching Anisotropia Seletividade Danos potenciais Strip de fotoresistes; corrosão de metais e silício policristalino Plasma etching (Químico) Baixa Alta Baixo Corrosão de dielétricos 49 Dry Etching com Plasma A maioria dos processos usa radicais livres de fluor para corroer o silício, formando SiF 4 (volátil) SF 6 é usado com frequência 50

26 Reactive Ion Etching (RIE) Nesse método, energia do plasma (RF) é utilizada para ativar as reações químicas Pode ser realizado a temperatura ambiente ou até poucas centenas de C Pode ser etching isotrópico ou anisotrópico Reagentes comuns são clorofluorcarbonetos, brometos, SF 6, 51 52

27 Comparação Entre Reagentes para Corrosão de Volume de Silício 53 Deposição por Métodos Químicos: CVD 54

28 CVD 55 CVD - Métodos 56

29 Equipamento 57 Medidor de Vazão 58

30 Tipos de Reatores 59 60

31 61 62

32 63 Deposição de Si 64

33 Eletrodeposição 65 Eletrólise 66

34 Eletrodeposição 67 Os resultados das investigações de Faraday sobre o fenômeno da eletrólise podem ser resumidos em suas duas leis para a eletrólise. 1) A quantidade de produto primário formado num eletrodo pela eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa pela solução. Q = Idt = mnf Onde F=96500 C. O número de moles do material depositado é obtido pela razão entre o peso do material depositado P, e seu peso atômico, A, ou seja: P m = A O Faraday é, portanto, por definição, a carga necessária para se depositar um equivalente eletroquímico de um material, ou seja,. m = e n 68

35 O equivalente eletroquímico e, é usualmente expresso em miligramas ou em gramas por Ampére por hora (g/ah). A quantidade de energia é, normalmente, medida em Ah e o Faraday é igual a 26,8 Ah. As quantidades de diferentes produtos primários formados num eletrodo pela mesma quantidade de eletricidade são proporcionais a suas massas moleculares relativas, ou massas atômicas relativas, divididas pela variação de seu número de oxidação durante o processo eletrolítico

36 71 72

37 73 74