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CVDDeposição de Vapor Químico

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I – Motivação e Aplicações

I.1 - Introdução

�PVD – Deposição Física de Vapor“Physical Vapor Deposition”

�CVD – Deposição Química de Vapor“Chemical Vapor Deposition”

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� CVD – Processos Químicos

Filme => Produto de ReaFilme => Produto de Reaçção Quão Quíímicamica

I.2 - Aplicações

� Diversificadas:� Dispositivos de estado sólido� Rolamentos e ferramentas de corte� Recobrimento de reatores (foguetes e nucleares)

CVD – Deposição Química de Vapor

Aplicações: transistor MOS

� Exemplo: Filme de Si por CVD

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CVD

�Vantagens...

� Sistema de vácuo simples� Taxas de deposição >> evap / sputtering� Fácil deposição de compostos / controle esteq.� Dopagem relativamente fácil

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CVD

� Prod. refratários a temperaturas moderadas� Possib. damadas epitaxiais c/ alta perfeição e

poucas impurezas� Recobr. formas complexas (coating).� Substrato: decapagem in situ (etching de

limpeza)

�......vantagens

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II – Reatores CVD

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Reator Simples: Filmes de GaAs

Yu-Cardona

13

Forma de reatores (Si)

14

Reator horizontalcomercial

15

ExemplosMonoatômicos =

Óxidos =

Nitretos =

Carbetos =

16

Reator comercial(www.aixtrom.com)

17

Reator complexo (comercial)

18

Comercial:

19

Reator PECVD - Wikipedia

PECVDlab

20

III – Termodinâmica e Reações Químicas

21

Termodinâmica de materiais

•

TSHG −=

if GGG −=∆

STHG ∆−∆=∆

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

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Reações Químicas

cCbBaA ↔+

BAC bGaGcGG −−=∆

)ln( i

o

ii aRTGG +=

ai = atividade da espécie i

23

Reações Químicas

)ln( i

o

ii aRTGG +=

ai = atividade da espécie iai = concentração termodinâmica específica

cc

C Ca ][=

Gi – energia livre de cada componenteGio – energia livre no equilíbrio

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+∆=∆

b

B

a

A

c

Co

iaa

aRTGG ln

=∆b

eqB

B

a

eqA

A

c

eqC

C

a

a

a

a

a

a

RTG

)()(

)(ln

1)(

>eqi

i

a

a=> supersaturação da espécie i 1

)(

<eqi

i

a

a=> subsaturação da espécie i

25

1)(

>eqi

i

a

a=> supersaturação da espécie i

1)(

<eqi

i

a

a=> subsaturação da espécie i

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KRTG ln=∆−

RTG

eK∆−

=

K = Constante de equilíbrio da reação

( )( ) ( )

RTG

Al

OAle

OPa

aK

∆−

=

=

2

3/4

3/2

32

322 )3/2()3/4( OAlOAl →+

Exemplo:

)1000(202 CkcalG °−=∆ atmxOP35

2102)(

−=;

27

28

Exemplo/Exercício: Filmes Epitaxiais de Si

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

Resposta:(exercício no quadro).

29

tabelas / exemplo

30

IV Dificuldades, complexidade

esolução de problemas práticos

31

Cinética da reação de deposição de Si

32

Fluxo de gás / Inomogeneidades

33

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

34

+ complexidade : esquema de um reator real

35

O que posso fazer para resolver problemas de homogeneidade

nos filmes produzidos por CVD ?

36

CVD assitido por plasma (PECVD) • Cilíndrico – fluxo radial / dep. de Si3N4

37

Linhas de fluxo de

gás / simetria

axial

38

Pensar ... e ser criativo...

Ou investir ...

39

Reator comercial(www.aixtrom.com)

40

Reator complexo (comercial)

41

Comercial:

42

Reator horizontalcomercial

43

Reator PECVD - Wikipedia

PECVDlab

44

CVD – Conclusões /Resumo

I - Pressões próximas da atmosférica

– Simplifica bombeamento– Reator simples (?!)

– Baixo “sticking” (Sc)– Pode cobrir superficies complexas/rugosas

45

CVD – Conclusões /Resumo

II – Uniformidade da deposição depende das uniformidades de:

- Fluxo de gás- Temperatura ( Grad(T(r))~0).

46

CVD – Conclusões /Resumo

III – Reação favorável / desfavorável?

rDpCnBmA +→+

RTG

nm

rp

eBA

DCK

∆−

=

=

].[][

].[][

altaprobKG _.1,0 ⇒>><<∆

baixaprobKG _.1,0 ⇒<<>>∆

)(1,0 ↔⇒≅≅∆ reversívelKG

47

CVD – Conclusões /Resumo

IV - Cinética de reação pode ser complexa

- Depende de produtos intermediários

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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).

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CVD – Conclusões /ResumoI - 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

50

• http://www.timedomaincvd.com• http://www.aixtron.com

Bibliografia

Smith – Cap. 7

Alguns sites de interesse

Ohring – Caps. 1 e 4

Notas de aula –prof. Mário Bica de Moraes (Unicamp).