CVD PVD. Deposição de Vapor Químico. I Motivação e Aplicações. I.1 - Introdução. Condensação de vapor. PVD Deposição Física de Vapor

1

CVD CVD

Deposi

Deposiç ção de Vapor Qu ão de Vapor Quí ímico mico

2

I – Motivação e Aplicações Deposição de Vapor Químico

3

I.1 - Introdução

PVD – Deposição Física de Vapor

“Physical Vapor Deposition”

CVD – Deposição Química de Vapor

“Chemical Vapor Deposition”

4

PVD

Condensação de vapor

5

CVD – Reação química na superfície

Ex: oxidação

Reator Simples

Yu-Cardona

VANTAGENS DO CVD

• Filmes de alta qualidade (estrutural/eletrônica)

• Taxas de deposição maiores que evaporação ou sputtering

• Controle de estequiometria relativamente fácil

• Facilidade de dopagem

7

VANTAGENS DO CVD

• Produção em grandes áreas / várias amostras

• Simplicidade do sistema de bombeamento (p ~ atm)

• Objetos de forma complexa podem ser recobertos

8

9

DESVANTAGENS \ PROBLEMAS

• As deposições possíveis são limitadas

• Cinética das reações complicada

• Uso de fontes térmicas / contaminação

• T altas => restrição dos substratos

• Gases reativos, tóxicos e corrosivos

10

DESVANTAGENS \ PROBLEMAS

• Alguns reagentes caros (metalorgânicos)

• Cuidados com

homogeneidade/uniformidade

• Deposições em regiões internas

Aplicações

11

•Transistores MOS à base de Si p/ microeletrônica

•Chips de computadores

•Lasers à base de GaAs

•LEDs e lasers azuis à base de GaN

•Nitretos de Si para camadas isolantes de transitores de monitores de tela plana

•Endurecimento de superfícies – filmes tipo diamante e carbetos

12

Aplicações: transistor MOS

LEDs

13 ¹⁴

CVD

Filme => Produto de Rea

Filme => Produto de Reaçção Quão Quíímicamica

15

Adsorção (fisisorção) ↔↔↔↔Ligação (quimisorção)

16

Forma de reatores (Si)

17

II – Exemplos de Reações Deposição de Vapor Químico

18

Exemplos

Monoatômicos =

Óxidos =

Nitretos =

Carbetos =

Reaçoes no Quadro 19 20

I- Introdução

II – Exemplos de Reações III- Termodinâmica / reações

IV- Solução de problemas práticos

V- Conclusões

21

III – Termodinâmica e Reações Químicas

22

Ao relento....

Oxida mais ou sai o óxido ?

23

O que diz se uma reação pode ou não ocorrer espontaneamente?

R: Espontânea se a G dos produtos for menor do que a G dos reagentes!

24

Termodinâmica de materiais

TS H G = −

Energia livre de Gibbs

E - Energia S – Entropia T - Temperatura

Entalpia

PV E H = +

25

Produtos aA + bB ∆G

cC + dD

Reagentes

26

Termodinâmica de materiais

•

TS H G = −

i

f

G

G G = −

∆

S T H G = ∆ − ∆

∆

Delta G menor que zero => minimiza G => favorece reação/ formação

27

Reações Químicas cC bB

aA + ↔

B A

C

aG bG

cG

G = − −

∆

) ln(

o i

i

G RT a

G = +

ai= atividade da espécie i = concentração termodinâmica específica Ex:

c c

C C

a =[ ]

28





 + 

∆

=

∆ _b

B a A c C o

i a a

RT a G

G ln

























































=

∆ _b

eq B

B a

eq A

A c

eq C

C

a a a

a a

a RT

G

) ( ) (

)

ln (

1

) (

>

eq i

i

a a

=> supersaturação da espécie i 1

) (

<

eq i

i

a a

=> subsaturação da espécie i

29

K RT G= ln

∆

−

GRT

e K= ^−∆

K = Constante de equilíbrio da reação

( )

( ) ( )

GRT

Al O

Al e

O P a

K a = ^−∆











=

2 3 / 4

3 / 2 3 2

3 2 2 (2/3) )

3 / 4

( Al+O → AlO

Exemplo:

) 1000 ( 202kcal C

G=− °

∆ ;P(O2)=2x10⁻³⁵atm 30

CVD

III –Reação favorável / desfavorável?

rD pC nB mA+ → +

GRT n m

r p

B e A

D K C

∆

−

=







= ] .[

] [

] .[

] [

alta prob K

G<<0, >>1⇒ ._

∆

baixa prob

K

G>>0, <<1⇒ ._

∆

) ( 1

,

0 ≅ ⇒ ↔

≅

∆G K reversível

31 32

Exercício:

Filmes Epitaxiais de Si por CVD

Filmes epitaxiais de Si podem ser obtidos por redução com H₂, ou por pirólise de tetracloreto de Si, silano, ou de clorosilanos (SiCl₄). Pelo cálculo da energia livre de Gibbs encontrar em quais destes compostos pode ser aplicado o método pirolítico para precipitação de Si a 1.500 K.

Obs: trabalhar com todas as reações indicadas na tabela 5.1 e usar como referência os dados da tabela 5.2.

33

tabelas / exemplo

34

5.1

35

5.2

36

IV

Dificuldades, complexidade

e

solução de problemas práticos

37

Cinética da reação de deposição de Si

38

Fluxo de gás / Inomogeneidades

39

Distribuição de velocidades nas proximidades do susceptor (porta substratos).

40

+ complexidade :

esquema de um reator real

41

O que posso fazer para resolver problemas de homogeneidade nos filmes produzidos por CVD ?

42

CVD assitido por plasma (PECVD)

• Cilíndrico – fluxo radial / dep. de Si₃N₄

43

Linhas de fluxo de

gás / simetria

axial

44

Pensar ... e ser criativo...

Ou investir ...

45

Reator comercial

(www.aixtrom.com)

46 D180 GaN MOCVD System / Veeco

Exceptional GaN material development and production Get proven advantages for the growth of advanced GaN- based devices, including UV LEDs, blue spectrum lasers and FETs -- and meet the challenges of Al-containing compounds -- with the Veeco Discovery D180 GaN. It's ideally suited to provide fast growth rates for quality GaN deposition and provides stable growth chamber conditions from run-to-run with minimal build-up of deposits above wafers. The D180 GaN optimizes repeatability with integrated RealTemp^®200 in-situ wafer temperature measurement.

47

Reator complexo (comercial)

48

Comercial:

49

Reator horizontal comercial

50 Reator PECVD - Wikipedia

PECVD lab

51

CVD – Conclusões /Resumo

I -Pressões próximas da atmosférica

Simplifica bombeamento Reator simples (?!) Baixo “sticking” (Sc)

Pode cobrir superficies complexas/rugosas

52

CVD – Conclusões /Resumo

II –Uniformidade da deposição depende das uniformidades de:

- Fluxo de gás

- Temperatura ( Grad(T(r))~0).

53

CVD – Conclusões /Resumo

III –Reação favorável / desfavorável?

rD pC nB mA+ → +

GRT n m

r p

B e A

D K C

∆

−

=







= ] .[

] [

] .[

] [

alta prob K

G<<0, >>1⇒ ._

∆

baixa prob

K

G>>0, <<1⇒ ._

∆

) ( 1

,

0 ≅ ⇒ ↔

≅

∆G K reversível

54

CVD – Conclusões /Resumo

IV -Cinética de reação pode ser complexa

- Depende de produtos intermediários

55

CVD - Resumo

V – Altas temperaturas de substrato

Pode excluir alguns materiais

Para contornar / otimizar

Precursores metalorgânicos M-(CH₃)_n– MOCVD Deposição assistida por plasma – PECVD ( plasma

usado para “quebrar” moléculas).

56

CVD – Conclusões /Resumo

I - Pressões próximas da atmosférica II - Uniformidade da deposição

complexidade do sistema III – Reação favorável =>

IV - Cinética de reação produtos intermediários

V – Altas temperaturas vs. MOCVD / PECVD

0

<<

∆G

57

• http://www.timedomaincvd.com

• http://www.aixtron.com

Bibliografia

Smith – Cap. 7

Alguns sites de interesse

Ohring – Caps. 1 e 4

58

• Final – CVD