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Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 1Guilherme Lavareda

Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica

Deposição Física de VaporesPhysical Vapour Deposition (PVD)



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




• Meio de transporte de partículas com grande livre percurso médio- Implantação Iónica (II)- Litografia de feixe de electrões (EBL)

• 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)

• Ambiente de Processamento sem Contaminantes- Evaporação Térmica (TE)- Epitaxia de Feixes Moleculares (MBE)



Bombas Rotatórias




Bombas Difusoras




Bombas Turbomoleculares




Bombas Roots





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/m2 = 7,5 mTorr

1 Pa = 10-2 mbar

2. Lei dos gases perfeitos

PV = NkT

k = 1,38x10-23 J/K por moléculaN = Número de moléculasT = Temperatura absoluta em K




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”.

Ptotal = P1 + P2 + × × × × + PN (Pressão Total = soma das pressões parciais)

Ntotal = N1 + N2 + × × × × + NN

P1V = N1kT

P2V = N2kT...................

PNV = NNkT




4. Velocidade Molecular MédiaAssumindo a distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzman

onde m = peso molecular do gas

5. Livre percurso médio entre colisões moleculares

onde:n = densidade molecular = N/V,do = diâmetro molecular

Nota:Para o ar a 300 °K ,

mπkTv

8=




6. Taxa de colisões com uma superfície, Φ

4vn

=Φ

mTP

= nº de moléculas que atingem uma unidade de superfície por unidade de tempo

= 3,5x1022 , em cm-2s-1; com P em Torr e m em u.m.a.

Para o ar a 300 K, Φ = 3,8x1020 P (em cm-2s-1)

Exemplo - Cálculo da contaminação dos gases residuais em vácuo:

Para uma pressão residual de 10-6 Torr, Φ = 3,8x1014 cm-2s-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 x106 átomos em linha; 1cm2 tem 6x1015 átomos; t = 6x1015/3,8x1014 = 15 s.




Fluxo de moléculas de gas que atingem uma superfície, tempo para formar umamonocamada de gas depositado numa superfície e livre percurso médio de

uma molécula em função da pressão do gás, à temperatura ambiente



Deposição de Películas Finas

Métodos Físicos (PVD)

- Evaporação Térmica- Sputtering

Métodos Químicos (CVD)

- Deposição Química de Vapores (CVD)- CVD de baixa pressão LP-CVD- CVD assistido por plasma PE-CVD

Métodos Físico-químicos

- 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



Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica

Pressão de Vapor:

Taxa de evaporação (máx) =

m = peso molecular do vapor

kTH

ePP∆

−= 0

mkTP

π2




Pressão de Vapor em função da Temperatura.

A pressão de vapor traduz a facilidadede evaporação de uma substância.

Por exemplo, o In evapora mais facilmente que o Al.




Fluxo de Evaporação

1. Fontes pontuais

O fluxo F é uniforme em todasas direcções e independente de θ

1. Fontes planares

O fluxo F que deixa a superfície éproporcional a cos(θ )




Deposição

Espessura depositada

é

F’ = F/r2 é o fluxo à distância r da superfície

)cos('.)cos(.2 φφ F

rF

=∝




Exemplo: Deposição num substrato plano sobre a fonte planar

Para esta geometria, θ = φ.

A espessura t em x=0 é:

∝ cos(φ)/R2

=1/R2

Porque φ = 0 para x = 0




Exemplo: Deposição num substrato plano colocado sobre a fonte planar

( ) ( )220

220

)cos()cos(lRlR +

=+

=θφ

A espessura t em x=+l é:

2

)cos(R

φ∝

30

RR

=

3

220

0

)0()(

+=

=+=

lRR

xtlxt




Exemplo: Deposição numa superfície esférica tangencial à fonte planar

θ = φ

Fluxo F’ ∝ )cos(12 θ

r

Espessura ∝ F’ cos (φ)

)cos()cos(12 φθ

r∝

)(cos1 22 θ

r∝

Como cos(θ) = (r/2)/R

Então a espessura obtida é e é constante 2

2

2 41

Rr

r∝




Sistema de Evaporação Térmica Reactiva

Substrate Holder/Heater

Crucible

Gas Inlet Vacuum

Reacting Gases

Film Deposition

Utilizado para deposição de ITO

Metal evaporante: In:Sn (90%:10%)Gás reactivo: O2Temperatura do Substrato ~180ºC

Material Depositado ITO (Indium-Tin Oxide)

->É um TCO(transparent-Conductive Oxide)




Sistema de Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma




Sistema de Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma

Utilizado para deposição de InOx (Óxido de Índio não estequiométrico)

- Tem caraterísticas electro-ópticas semelhantes ao ITO.

- Possibilidade de deposição à temperatura ambiente (e portanto em substratos flexíveis).



Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica

Reactor de Placas Paralelas para Geração de Plasma




Propriedades Básicas de um Plasma

• O volume de um plasma é quasi-neutro, contendo aproximadamente o mesmo número de electrões ede 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 éum plasma “fraco” na medida em que contem uma fracçãoionizada muito pequena (10-3 a 10-6 iões por molécula)




Resultados possíveis de uma colisão iónica com o substrato




Sistema de Pulverização Catódica

Pressão do gás: 1-10 mTorrRazão de crescimento: Cte . I . S

Corrente iónica

Rendimento do processo





Rendimento do Processo (S)

substrato o atingem queAr de átomos denºsubstrato do ejectados Al de átomos de nº

≡S

0,1<S<30





Rendimento do Processo (S)

O Rendimento do Processo depende também de:

- Do ião incidente- Da energia utilizada- Do ângulo de incidência




Sistema de Pulverização Catódica Reactiva

1 2

3

Sputtering na presença de gasesreactivos (ex. N2, O2, etc).

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 ereage quimicamente.

3- O produto de reacção difunde para forado plasma e deposita-se.

Exemplo: Formação de TiN




Problema de recobrimento de degraus

Quer a evaporação térmica, quer a pulverização catódica têm fluxos direccionais.

levando à descontinuidade dos filmes...




Quer a evaporação térmica, quer a pulverização catódica têm fluxos direccionais.

... e à desuniformidade dos bordos.





Resolução do problema:

aquecendo e rodando o substrato.





Consequência:

Formação de perfis que podem ser fechados no topo deixando um vazio.





Métodos de resolução alternativos:

1. Utilização de fontes de deposição de grande área





Métodos de resolução alternativos:

1. Colimação do feixe


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