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Deposição de Filmes
5
Por que depositar outro
material??
7
15
Gás - Vapor / Ponto Crítico
Pressão de saturação de vapor
Modos de Armazenamento de
Energia das Partículas
• Translacional
• Rotacional
• Vibracional
• Eletrônica
2 2 1 x tx = mv εEnergia de translação
Importantes em plasmas e deposição
ativada por fótons
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Cinética de Gases
• Distribuição de Maxwell-Boltzmann:
– as moléculas estão continuamente colidindo entre si e com as
paredes do recipiente. Em regime:
(K) absoluta a temperatur T / 1.38x10 Boltzmann de constante k (kg) molecular massa m dc e velocidad de incremento um de dentro dN moléculas de l incrementa número dN/dc (m/s) molécula da velocidade c ão distribuiç na moléculas de total número N : onde 2 1 exp 2 4 23 -B 2 2 3 2 = = = = = = = = K J T k mc T k m c N dc dN B B π π
Curva de Distribuição
M
RT
m
T
k
c
M
RT
m
T
k
c
B B3
3
8
8
2=
=
=
=
π
π
π
molecular) (peso molar massa Avogadro de número gás do constante = = = = = A A A B mN M N N k R19
Fluxo de Impingimento Molecular
x i nv J 2 1 = c n Ji 4 1 =
Gás Ideal
• Considerando colisões elásticas,
• A força num processo de colisão é proporcional ao fluxo de
impingimento:
• Lembrando que
x mv 2 momento de Variação = 2 2 2 2 3 1 / Portanto, 3 1 ) 2 ( / nmv A F v v nmv mv J A F x x x i = = = = M RT m T k c2 3 B 3 = =π
21
Lei do Gás Ideal
T
k
B t2
3
=
ε
Equação de Knudsen
• Devemos expressar o fluxo de impingimento em termos de
quantidades macroscópicas.
23
• É a distância média que uma partícula percorre num gás
antes de se colidir com uma molécula do gás.
Caminho Livre Médio
25
Número de Knudsen
27
Step Coverage
29
31
Troca de Calor num Cadinho
33
Evaporação
35
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
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).
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• Podem ser gerados por emissão de uma superfície ou por
ionização de átomos de gás ou moléculas
• 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
Wé a diferença entre E
Fe 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.
Geração de Elétrons
) A (A → + +e
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Emissão Termiônica
• elétrons com energia acima de E0. 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 O2 ou outros gases reativos o que causa diminuição deφ
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.
Fotoemissão e elétrons
secundários
2e
A
e
A
+
→
++
Rendimento:
)
2
-E
78
.
0
(
032
.
0
Y
e≈
iφ
W41
43
Wet X Dry Etching
• Wet Etching (corrosão por via úmida) foi muito utilizado na indústria
de semicondutores nos anos 1970 e 1980.
– 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
1980.
– boa seletividade
– resulta em baixa contaminação
– agiliza o processamento
Wet Etching
• Deve-se controlar:
– temperatura do banho,
– contaminação (fazer filtragem)
– tempo de imersão
45
• Corrosão com difluoreto de xenônio
Dry Etching com Vapor (1)
42
Si
2Xe
SiF
2XeF
+
→
+
•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
• 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
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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
Dry Etching
Processos com Plasma
Pressão Alta Baixa Energia dos íons Alta Baixa Processo a plasma Processo a plasma físico Processo balanceado Sputter etching Reactive ion etching Plasma
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Dry Etching
Resultados no Wafer
Sputter etching Reactive ion etching Plasma etching Seletividade Alta Baixa Danos potenciais Alto Baixo Anisotropia Alta Baixa (Físico) (Químico) Strip isotrópico Strip de fotoresistes; corrosão de metais e silício policristalino Corrosão de dielétricosDry Etching com Plasma
• A maioria dos processos usa radicais livres de fluor para
corroer o silício, formando SiF
4(volátil)
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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,
53
Comparação Entre Reagentes
para Corrosão de Volume de
Silício
Deposição por Métodos Químicos:
CVD
55
CVD
57
Equipamento
59
63
65
Eletrodeposição
67
Eletrodeposição
• 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.
• 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:
• O Faraday é, portanto, por definição, a carga necessária
mnf Idt Q = ∫ = A P m =69
