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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)
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
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
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tecnologia de Vácuo para Microfabricação
• 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)
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Bombas Rotatórias
Tecnologia de Vácuo para Microfabricação
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Bombas Difusoras
Tecnologia de Vácuo para Microfabricação
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Bombas Turbomoleculares
Tecnologia de Vácuo para Microfabricação
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Bombas Roots
Tecnologia de Vácuo para Microfabricação
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Revisões de Física dos Gases Perfeitos
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
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Revisões de Física dos Gases Perfeitos
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
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Revisões de Física dos Gases Perfeitos
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=
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Revisões de Física dos Gases Perfeitos
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.
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Revisões de Física dos Gases Perfeitos
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
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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
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Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
Pressão de Vapor:
Taxa de evaporação (máx) =
m = peso molecular do vapor
kTH
ePP∆
−= 0
mkTP
π2
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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.
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Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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 )
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
Deposição
Espessura depositada
é
F’ = F/r2 é o fluxo à distância r da superfície
)cos('.)cos(.2 φφ F
rF
=∝
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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
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Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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∝
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Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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)
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Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
Sistema de Evaporação Térmica Reactiva Assistida por Plasma
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Deposição de Películas Finas por Evaporação Térmica
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).
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
Reactor de Placas Paralelas para Geração de Plasma
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
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)
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
Resultados possíveis de uma colisão iónica com o substrato
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
Sistema de Pulverização Catódica
Pressão do gás: 1-10 mTorrRazão de crescimento: Cte . I . S
Corrente iónica
Rendimento do processo
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
Sistema de Pulverização Catódica
Rendimento do Processo (S)
substrato o atingem queAr de átomos denºsubstrato do ejectados Al de átomos de nº
≡S
0,1<S<30
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
Sistema de Pulverização Catódica
Rendimento do Processo (S)
O Rendimento do Processo depende também de:
- Do ião incidente- Da energia utilizada- Do ângulo de incidência
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Deposição de Películas Finas por Pulverização Catódica
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
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Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD
Problema de recobrimento de degraus
Quer a evaporação térmica, quer a pulverização catódica têm fluxos direccionais.
levando à descontinuidade dos filmes...
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Problema de recobrimento de degraus
Quer a evaporação térmica, quer a pulverização catódica têm fluxos direccionais.
... e à desuniformidade dos bordos.
Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Problema de recobrimento de degraus
Resolução do problema:
aquecendo e rodando o substrato.
Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Problema de recobrimento de degraus
Consequência:
Formação de perfis que podem ser fechados no topo deixando um vazio.
Notas sobre Deposição de Películas Finas por PVD
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Problema de recobrimento de degraus
Métodos de resolução alternativos:
1. Utilização de fontes de deposição de grande área
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Problema de recobrimento de degraus
Métodos de resolução alternativos:
1. Colimação do feixe
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