Capítulo 6 - Técnicas de Deposição: Pt2 - PVD

Ioshiaki DoiFEEC/UNICAMP

IE726 – Processos de Filmes Finos

Physical Vapor Deposition

•PVD (Physical Vapor Deposition)PVD (Physical Vapor Deposition)

Vaporizando material sólidoAquecimento ou sputteringCondensando vapor sobre a superfície

do substratoProcesso: parte importante de

metalização.

Physical Vapor Deposition

PVD vs. CVDPVD vs. CVD

PVD começa com P (physical vapor deposition)

CVD começa com C (chemical vapor deposition).

Physical Vapor Deposition

PVD vs. CVD: fontesPVD vs. CVD: fontes

PVD materiais sólidosCVD gases ou vapor

Physical Vapor Deposition

CVD vs. PVDCVD vs. PVD

Physical Vapor Deposition

CVD PVD

Physical Vapor Deposition

CVD: usa gases ou precursores em estado vapor e o filme depositado a partir de reações químicas sobre superfície do substrato.

PVD: vaporiza o material sólido por calor ou sputtering e recondensa o vapor sobre a superfície do substrato para formar o filme fino sólido.

CVD vs. PVDCVD vs. PVD

•Filmes Finos Metálicos são utilizados para:

- Interconexão dos diversos dispositivos

- Alimentação dos dispositivos com tensões

• Filmes CVD: melhor cobertura de degrau.

• Filmes PVD: melhor qualidade, baixa concentração de impurezas e baixa resistividade.

Physical Vapor Deposition

• Processos PVD : empregados em processos de metalização na manufatura de CIs.

CVD vs. PVDCVD vs. PVD

Métodos de PVDMétodos de PVD

Evaporaçãosputtering

Physical Vapor Deposition

Processo de Deposição PVD: Processo de Deposição PVD:

a) O material a ser depositado (fonte sólida) é convertido a fase vapor por processo físico.

b) O vapor é transportado da fonte até o substrato através de uma região de baixa pressão.

c) O vapor condensa sobre o substrato para formar o filme fino.

Physical Vapor Deposition

a) Adição de Calor EVAPORAÇÃO. b) Pelo desalojamento dos átomos da

superfície do alvo através de transferência de momentum por bombardeio iônico – SPUTTERING.

Physical Vapor Deposition

Conversão para Fase Conversão para Fase GasosaGasosa

• A conversão para a fase gasosa pode ser feita por:

Physical Vapor Deposition

MÉTODOS DE PVD:MÉTODOS DE PVD:

a) - Evaporação

b) - SPUTTERINGb) - SPUTTERING

Physical Vapor Deposition

PVDPVD

Physical Vapor Deposition

Fase Gasosa

Fase Condensada(sólido)

Fase Gasosa

Fase Condensada(filme sólido)

Evaporação

Transporte

Condensação

Física de EvaporadorFísica de Evaporador

Physical Vapor Deposition

Pressão de vapor:

)(

0

)(2/12/312103 kT

E

NkT

H

e

a

ePeTxP

Onde:

é a tensão superficial do líquido;

N é o número de Avogadro;

H é a entalpia de evaporação (energia necessária para conversão da fase líquida-gás.

•Pressão de Vapor de Pressão de Vapor de MetaisMetais

Para uma taxa prática: Pe > 10 mTorr

Al T = 1200 K

W T = 3230 K

Pressão de Vapor de Metais comumente depositados por

Evaporação.

Physical Vapor Deposition

Taxa de DeposiçãoTaxa de Deposição

Admitindo:

– Líquido a temperatura constante;– Cadinho com área de abertura

constante;– Wafer localizado sobre a

superfície de uma esfera.

Physical Vapor Deposition

Taxa de DeposiçãoTaxa de Deposição

22 42 r

Área

T

P

k

mR ed

Onde:

é a densidade de massa (kg/m2);

Área é a área do wafer;

r é o raio da esfera.

Physical Vapor Deposition

Fonte VirtualFonte VirtualPhysical Vapor Deposition

Fluxo viscoso

Geometria arbitrária Superfície esférica ( = )

• Ponto no espaço livre onde P cai o suficiente para resultar em fluxo molecular.

Posição do wafer.

Evaporação de Al:Evaporação de Al:

a) Taxas são compatíveis (0.5 m/min.) ;

b) Átomos do metal impingem na lâmina com baixa energia

(~ 0.1 eV) sem danos;

c) Uso de alto vácuo baixa incorporação de gases;

d) Aquecimento não intencional deve-se apenas a :

- calor de condensação;

- radiação da fonte.

Physical Vapor Deposition

•Limitações da Evaporação:Limitações da Evaporação:

Physical Vapor Deposition

a) Difícil controle na evaporação de ligas;

b) Com sputtering é mais fácil melhorar cobertura de degrau;

c) e-beam gera raio X quando os eletrons energéticos incidem sobre o metal alvo causan danos no dispositivo.

Uniformidade do Uniformidade do Filme: Filme:

Physical Vapor Deposition

Fonte pontual resultaria num filme uniforme sobre uma esfera.

(, , r ) varia através da superfície do cadinho e do substrato.

Na prática : - fonte não é pontual.

- acima da fonte forma-se uma região viscosa.

uniformidade

Solução:Solução:

Sistema planetário girante.

Superf. Esférica: =

Physical Vapor Deposition

•Deposição: taxa uniforme e monitorada com fonte pontual.

Cobertura de DegrauCobertura de Degrau

Physical Vapor Deposition

Cobertura de degrau de filme evaporado é pobre devido a natureza direcional do material evaporado

(sombreamento). Maior limitação.

Aquecimento (resultando na difusão de superfície) e rotação do substrato (minimiza o sombreamento) auxilia a cobertura de degrau.

OK para AR < 0.5; marginal para 0.5 < AR < 1.

Pobre se AR > 1. Evaporação não forma filme contínuo para AR > 1.

•Evaporação: Deposição de Ligas e CompostosEvaporação: Deposição de Ligas e Compostos

Physical Vapor Deposition

Tipos de Evaporação:Tipos de Evaporação:

Aquecimento resistivo (filamentos)Feixe de eletrons (e-beam)Aquecimento indutivo.

Physical Vapor Deposition

1) Aquecimento Resistivo :

• Material fonte em uma barquinha metálica suspensa por um filamento de W.

Al funde molha o fio de W evapora.

Physical Vapor Deposition

Tipos de CadinhosTipos de Cadinhos

Physical Vapor Deposition

Limitações:

- elevado grau de contaminação (impurezas do filamento);

- não permite evaporaração de metais refratários;

- carga pequena espessura limitada;

- não consegue controlar com precisão a espessura do filme e

- difícil controle da composição de ligas difícil de formar filmes compostos.

Sistema de Evaporação por e-beam. Fonte: arco de 270°, mais comum.

Physical Vapor Deposition

2) Evaporação por feixe de elétrons (e-beam) :2) Evaporação por feixe de elétrons (e-beam) :

Características do e-Características do e-beambeam

Physical Vapor Deposition

- é livre de contaminação - aquecimento;

- evapora qualquer material - função da potência e-beam;

- produz raio X, maior problema danos de radiação recozimento.

3) Aquecimento Indutivo :

Physical Vapor Deposition

• Vantagens :

- taxa e sem limite na espessura e

- não há raio X.

Desvantagens :

- há contato entre o Al fundido e o cadinho contaminação;

- complexidade do sistema RF e do processo.

Physical Vapor Deposition

1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, 1986.

2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000.

3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996.

4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.

Referências :