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REATTORI CVD. Aloisio Antonio Mengo Matteo. Cos’è la CVD?. D eposizione C himica di V apore Consente di produrre un film solido su un supporto (substrato). Si attua facendo reagire chimicamente composti volatili del materiale che si vuole depositare.

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Presentation Transcript
reattori cvd

REATTORI CVD

Aloisio Antonio

Mengo Matteo

cos la cvd
Cos’è la CVD?
  • Deposizione Chimica di Vapore
  • Consente di produrre un film solido su un supporto (substrato).
  • Si attua facendo reagire chimicamente composti volatili del materiale che si vuole depositare.
  • Variando parametri di processo, precursori e forma è possibile depositare materiali:
          • Epitattici (cristallini)
          • Policristallini
          • Amorfi
  • Tecniche cvd
          • High Temperature CVD (HTCVD)
          • Low Pressure CVD (LPCVD)
          • Plasma Assisted CVD (PACVD)
          • Plasma enhanced CVD (PECVD)
          • Metallorganic CVD (MOCVD

Queste varianti fanno uso di precursori gassosi e di regimi di vuoto più o meno spinti

pregi e limiti della cvd
Pregi e Limiti della CVD
  • Limiti:
    • Bassa velocità di deposizione(circa 2 µm per ora per il rivestimento di TiN a 1.000°C);
    • Formazione di sottoprodotti direazione corrosivi(per es. HCl);
    • Alte temperature di trattamento(900-1.050 °C);
    • Perdita nel processo delleproprietà meccaniche dell’acciaio(Necessità di ritrattare i pezzi termicamente con rischio di deformazione, anche se minima)
  • Pregi:
    • Ottima aderenza del deposito(fenomeni di diffusione nel substrato)
    • Elevato potere penetrante(possibilità di ricoprire pezzi con forme complesse, cavità e porosità)
    • Facile variabilità della composizione dello strato di rivestimento
    • Formazione di strati ad elevata densità(bassa porosità)
    • Estrema versatilità(possibilità di rivestire contemporaneamente forme e geometrie differenti).
reattore generico
Reattore generico

Gas/Vapor source – Fornisce i precursori alla camera di reazione.

reattore generico1
Reattore generico

Depositionchamber – Camera dove ha luogo la deposizione del vapore

(camera di reazione).

reattore generico2
Reattore generico

Waferhandling – Sistema per introdurre e rimuovere i substrati.

reattore generico3
Reattore generico

Heater – Fornisce il calore necessario ai precursori per reagire/decomporsi

(Può essere all’interno o all’esterno della camera di composizione)

reattore generico4
Reattore generico

Exhaustpump – Sistema per la rimozione dei prodotti volatili derivati dalla reazione nella camera di deposizione

reattore generico5
Reattore generico

Wastetreatment – In alcuni casi, il rilascio nell’atmosfera dei gas di

scarico potrebbe non essere opportune, pertanto

devono essere trattati o convertiti in composti innocui

e non inquinanti.

reattore generico6
Reattore generico

Processcontrolequipment – Misuratori e controllori per monitorare

i parametri di proccesso quali la pressione,

la temperature e il tempo.

(In questa categoria sono inclusi anche allarmi e dispositivi di sicurezza)

nella camera di decomposizione
Nella camera di decomposizione
  • Vaporizzazione e trasporto del precursore nel reattore.

Un composto vaporizzabile (precursore) viene trasportato da un altro gas.

[

Film

Substrato

[

nella camera di decomposizione1
Nella camera di decomposizione

2. Diffusione delle molecole del precursore verso superficie

nella camera di decomposizione2
Nella camera di decomposizione

3.Assorbimento delle molecole del precursore alla superficie.

nella camera di decomposizione3
Nella camera di decomposizione

4.Decomposizione del precursore e incorporamento nel film solido.

nella camera di decomposizione4
Nella camera di decomposizione

5.Formazione di sottoprodotti e desorbimento in fase gas.

nella camera di decomposizione5
Nella camera di decomposizione

6.Film e Allontanamento dei sottoprodotti

applicazioni produzione di componenti elettronici
Applicazioni– Produzione di componenti elettronici

2. Formazione dei wafers

1. Produzione di un monocristallo di Silicio

3. Trattamento dei wafers con deposizione di Si tramite CVD

4. Prodotto finito

applicazioni
Applicazioni

Film ad elevata durezza

Ingranaggio di orologio con deposizione di diamante

Per componenti meccanici soggetti ad usura

applicazioni1
Applicazioni

Strati protettivi

Anche nei campi più inaspettati

  • Contro la corrosione o l'ossidazione
  • ad alte temperature.
applicazioni2
Applicazioni

Rivestimenti in materiale ceramico a protezione dalle alte temperature

Deposizione di materiali porosi

Ossido di rame

E inoltre:

Deposizione di materiali compositi altrimenti difficili da realizzare (es. deposizione del diamante)

Applicazioni ottiche

Infiltrazione in materiali porosi o fibre

…e altro ancora!

generalit
Generalità
  • Impiego nella produzione di semiconduttori
  • Semplicità costruttiva
  • Elevata produttività
  • Sono un’elaborazione delle fornaci originalmente impiegate per l’ossidazione/temperamento di metalli
  • Chiamati anche a “parete calda”: stessa temperatura in tutto il reattore.
  • Deposito del film su ciascuna superficie esposta del tubo.
  • Necessitano di pulizie periodiche (evitano la formazione di particelle e lo scheggiamento)
  • Pulizia tramite bagno chimico (costoso, complesso e inquinante)
struttura del reattore
Struttura del reattore

Tubo

  • In quarzo
  • Diametro sufficiente al carico dei wafers con un leggero margine
  • Inserito in un involucro riscaldato

Heaters

  • Due o più zone di riscaldamento indipendenti e controllate
  • Controllo della temperatura assiale lungo il tubo
struttura del reattore1
Struttura del reattore

Wafers

  • Sono impilati nelle scanalature di un supporto in quarzo (Boat).
  • Sono trattati in batches fino a 100-200 wafers per volta.
  • Lo spazio tra i wafers è limitato il più possibile, compatibilmente con le limitazioni dovute al trasporto di calore e materia.
  • Il boat poggia su una mensola per evitare di raschiare il tubo e formare delle particelle solide
processo tipico deposito di silicio meccanismo di reazione
Processo tipico – deposito di silicio(meccanismo di reazione)
  • Deposizione di Silicio da un flusso gassoso di SiH2
  • Processo a bassa pressione (LPCVD)
  • Il meccanismo di reazione è:    

La rate law corrispondente risultante:

Le costanti K1 e K2 diminuiscono con la temperatura.

Essendo un processo ad alta temperatura possiamo assumere

processo tipico deposito di silicio meccanismo di reazione1

Processo tipico – deposito di silicio(rate law)

Processo tipico – deposito di silicio(meccanismo di reazione)

Quindi se :

Allora da:

Otteniamo:

Ovvero una rate law del I° ordine in SiH2

processo tipico deposito di silicio cross sectional area
Processo tipico – deposito di silicio(cross sectional area)
  • Il flusso dei gas reagenti attraversa la regione anulare tra i bordi esterni dei wafers e la parete del tubo
  • Ac è l’area attraversata dal flusso
  • Rt e Rw sono il raggio interno ed esterno dell’anello
processo tipico deposito di silicio modeling concepts
Processo tipico – deposito di silicio(modeling concepts)
  • Flussoassiale laminare nella regione anulare. (Reanulare < 1 per LPCVD)
  • Il reagente diffonderadialmente tra i wafers.

Indichiamo con:

YA = frazione molare di A tra i wafers

YAA= frazione molare di A tra il boat e le pareti del tubo

WAr = Portata di massa di A tra i wafers, funzione del raggio

processo tipico deposito di silicio diffusione tra i wafers
Processo tipico – deposito di silicio(diffusione tra i wafers)
  • Ricordando che la reazione è del I° ordine:
  • Effettiuamo un bilancio di massa tra due wafers distanti l
  • Il fattore 2 appare perché ci sono 2 superfici di wafers esposte.
  • Differenziando su r, riarrangiando otteniamo

rIIAw velocità di generazione di A per unità di superficie

processo tipico deposito di silicio diffusione tra i wafers 2
Processo tipico – deposito di silicio(diffusione tra i wafers - 2)
  • Ricordiamo che per una convezione forzata (eq. 11-21)
  • Possiamo assumere che
  • Per una reazione del I° ordine
  • Otteniamo la relazione

Condizioni al contorno corrispondenti

processo tipico deposito di silicio diffusione tra i wafers 3
Processo tipico – deposito di silicio(diffusione tra i wafers - 3)
  • Effettuiamo un cambio di variabili con l= r/RW e y=CA/CAA

Dove

  • Le boundary conditions diventano
  • Integrando otteniamo
  • Io è la funzione di Bessel modificata di ordine 0
processo tipico deposito di silicio diffusione tra i wafers 4
Processo tipico – deposito di silicio(diffusione tra i wafers - 4)
  • Il fattore di efficienza interno

velocità di reazione attuale

velocità di reazione se tutta la superficie interna del pellet fosse esposta alla concentrazione CAA

Diventa

Iiè la funzione di Bessel modificata di ordine i

processo tipico deposito di silicio diffusione tra i wafers 5
Processo tipico – deposito di silicio(diffusione tra i wafers - 5)

Profili di concentrazione radiale sul wafer per diversi valori di Thiele

processo tipico deposito di silicio bilancio di massa lungo il reattore
Processo tipico – deposito di silicio(bilancio di massa lungo il reattore)
  • Ipotizzando
  • No gradiente radiale di concentrazione nella regione anulare
  • Effetti di dispersione o diffusione assiale trascurabili

Facendo un bilancio di massa

a = superficie boat / superficie tubo

  • Dividendo per DZ, con DZ  0
processo tipico deposito di silicio rate laws
Processo tipico – deposito di silicio(rate laws)

Dato che

Velocità di deposizione silicio

=

Velocità di consumo SiH2

  • La deposizione avviene su:
  • Wafer
  • Pareti
  • Supporto

+

+

=

processo tipico deposito di silicio profilo di concentrazione 1
Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -1)

Combinando le equazioni ottenute dal

  • bilancio di massa
  • dalla rate law

Otteniamo l’equazione del flusso

processo tipico deposito di silicio profilo di concentrazione 11
Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -1)

Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -2)

Sostituendo nell’equazione

i seguenti termini di conversione

Otteniamo

processo tipico deposito di silicio profilo di concentrazione 2
Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -2)

Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -3 )

Così, raccogliendo i termini dall’eq.

Otteniamo un’espressione in funzione del numero di Damköhler (Da)

Dove

processo tipico deposito di silicio profilo di concentrazione 3
Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -3)

Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione - 4)

Dall’equazione

Esprimendo la conversione in funzione della posizione sull’asse z

Ricordando che

e che e = yAod = 1*(1-1-0)=0

In termini di concentrazione

CAA/CAO = exp[ -Da(z /L)]

processo tipico deposito di silicio profilo di concentrazione 4
Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -4)

Processo tipico – deposito di silicio(deposition rate)

Dall’equazione

E da

Sotituendo in

Otteniamo una relazione che esprime –r”AW in funzione di r e z

CAA/CAO = exp[ -Da(z /L)]

processo tipico deposito di silicio deposition rate
Processo tipico – deposito di silicio(deposition rate)

Processo tipico – deposito di silicio(spessore del film)

Conoscendo

Possiamo calcolare lo spessore T di deposito integrando nel tempo

Dove

r è la densità del materiale depositato (g mol/ cm3)

“2” tiene conto della deposizione su entrambe le facce del wafer

Integrando

processo tipico deposito di silicio spessore del film
Processo tipico – deposito di silicio(spessore del film)

Processo tipico – deposito di silicio(grafici)

Plottando

  • Vediamo
  • lo spessore del deposito
  • il profilo di concentrazione lungo il reattore
conclusioni uniformit del film
Conclusioni - uniformità del film
  • Uniformità radiale del film:

Eccellente per: pressioni basse velocità di reazione alla superficie basse.

Prevalenza delle applicazioni LPCVD

  • Uniformità assiale del film:

Funzione delle condizioni di caricamento: temperatura di processo portata del gas schema di iniezione.

il profilo termico
Il profilo termico
  • Presenza di una zona piatta, a temperatura costante.
  • La “zona piatta” è facilmente controllabile termicamente, con la precisione di 1°C.
  • Determina il numero di wafers caricabili in un singolo run.
conclusioni controllo della temperatura
Conclusioni - Controllo della temperatura
  • Stato stazionario:

Tranne che per i primi e gli ultimi wafers nel carico, c’è uniformità radiale.

L'uniformità assiale è ottenuta tramite multi-heating.

Tubo ed il boat in quarzo permettono il funzionamento fino a circa 1000°C.

  • Start up:

Necessità di riscaldare lentamente i wafers

Rampe di temperatura, e quindi decine di minuti per raggiungere la temperatura di regime.

conclusioni produttivit
Conclusioni - produttività
  • Vantaggi:

Buone quantità di wafers per run in condizioni di bassa pressione (wafers più vicini).

Oltre 100 wafers per run

  • Svantaggi:

Uniformità ottenibile per:

basse velocità di reazione

riscaldamento lento

…. e quindi lunghi tempi di processo

Grandi reattori

Processano tantissimi wafers per run

Alti rischio se accade un problema.

La mensola ed il boat stesso sono costosi di complessa realizzazione richiedono una pulizia periodica.

conclusioni processo
Conclusioni - processo
  • Vantaggi : 

Facile produzione del quarzo a elevata purezza.

Semplice minimizzare la contaminazione metalliche dei films nonostante le elevate temperature di processo.

  • Svantaggi:

Difficile realizzare i reattori del plasma nella configurazione tubolare.

applicazioni3
Applicazioni
  • Impiegati comunemente in

processi "front-end" di produzione di IC: deposito di polisilicio deposito di nitruro di silicio deposito a temperatura elevata di diossido di silicio

processi "back-end" (dopo il deposito del metallo) richiedono temperature più basse impiegano la tecnica del plasma (PECVD).

non sono impiegati normalmente per deposito dei metalli quale tungsteno, rame o TiN a causa dei problemi inerenti la pulizia.

Alcuni reattori tubolari al plasma sono stati sviluppati nell'inizio degli anni ‘80 ma le difficoltà con uniformità e manutenzione hanno fatto abbandonare questo metodo a favore degli “showerhead” ed il plasma ad alta densità, ora spesso nelle configurazioni a wafer singolo

generalit1
Generalità

Chiamati “Showerhead” perché utilizzano un diffusore che ricorda a una doccia.

Il diffusore e costituito da una superficie piana porosa che deve diffondere nella maniera più uniforme possibile i gas reagenti su una superficie parallela.

struttura del reattore2
Struttura del reattore
  • Deve diffondere il più omogeneamente possibile i flussi gassosi provenienti dai fori.
  • Presenta un sistema di raffreddamento

Showerhead(diffusore)

struttura del reattore3
Struttura del reattore
  • Ambiente dove avviene la reazione
  • Processa substrati multipli o wafers singoli
  • Wafers paralleli allo showerhead
  • Le pareti non sono riscaldate (reattori a parete fredda) e possono essere controllate con un refrigerante

Camera

struttura del reattore4
Struttura del reattore
  • Posto all’interno della camera
  • Tiene alla temperatura di processo solo la superficie che regge il substrato

Heater

importanza delle temperature
Importanza delle Temperature
  • La deposizione avviene su tutte le superfici della camera

DA EVITARE

  • Conseguenze
  • Ostruzione dei pori dello showerhead  Mancata uniformità del flusso
  • Sporcamento delle superfici della camera  Necessità di pulizie

POSSIBILI SOLUZIONI

temperature
Temperature
  • Heater interno alla camera
  • Consente di scaldare solo il substrato
  • Pareti della camera refrigerate
  • Inibiscono le reazioni di deposito
  • Showerhead refrigerato
  • Inibisce le reazioni di deposito nei pori
  • Impedisce ai gas di reagire prima di giungere al substrato

POSSIBILI SOLUZIONI

paremetri di design altezza della camera hc
Paremetri di design –altezza della camera (Hc)

Hc= Distanza Showerhead – Wafer

Aumentando Hc:

  • Aumenta il volume della camera

 Aumenta Rtd

 Diminuiscono le velocità radiali

  • Migliora miscelazione dei flussi gassosi provenienti dai fori dello showerhead

 Omogenaità del film

  • Aumenta uniformità radiale dello spessore del film

Per cui, è fondamentale poter regolare Hc senza difficoltà durante il processo.

paremetri di design showerhead
Paremetri di design – Showerhead

Il design della superficie dello showerhead: Permette di ottenere il tipo di diffusione richiesta.

Esistono così:

Superfici dello showerhead configurabili

paremetri di design showerhead1
Paremetri di design – Showerhead
  • Hanno superfici che presentano un grande numero di fori filettati.
  • I fori possono essere:
      • chiusi tramite bulloni
      • ugelli tramite viti perforate
  • I limiti al loro utilizzo sono:
      • densità dei fori
      • difficoltà nel maneggiare parti molto piccole

Superfici dello showerhead configurabili

Perciò trovano applicazione nel caso di bassi flussi molari

osservazioni
Osservazioni

Temperatura

  • Buon trasporto termico al wafer per conduzione e irraggiamento.
  • Per una buona uniformità è necessario un riscaldamento a zone.

Uniformità Radiale nel Film

  • Ottimizzabile con cambiamenti del design dello showerhead (diffusore e HC) e del riscaldamento.

Flessibilità

  • Si presta bene per applicazioni al Plasma

I reattori showerhead sono largamente usato in processi backend, deposizione di strati dielettrici tra i metalli, metalli e passivazione finale

vantaggi e svantaggi
Vantaggi e Svantaggi

Vantaggi per la produttività

  • Automatizzazione del caricamento semplice per la configurazione a wafer singolo.
  • Il reattore è piccolo.
  • La pulizia non presenta difficoltà.
  • Si riescono ad ottenere stesse condizioni di lavoro per ogni wafer.

Vantaggi di processo

  • Possibili rapidi cambiamenti nelle caratteristiche del gas per avere film multistrato

Svantaggi per la produttività

  • richieste elevate velocità di deposizione per ottenere una buona quantità con conseguenze sulla qualità del film.
  • Wafer deve essere preriscaldato se la piastra inferiore è riscaldata e il soffitto è raffreddato, per evitarne l’accartocciamento

Svantaggi di processo

  • Piccoli pori dello showerhead si possono intasare od erodere
l evoluzione dei processi cvd
L’evoluzione dei Processi CVD..
  • Punta ad abbassare le temperature di deposizione
  • Possibilità di depositare strati con caratteristiche fisiche e meccaniche elevate (nella produzione di rivestimenti)
processi innovativi cvd
Processi innovativi CVD…

PECVD

  • PECVD =Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • procede a temperature non elevate (sotto i 300°C) (LPCVD ~ 600°C)
  • qualità finale del film depositato tende ad essere inferiore a quella del LPCVD
  • deposizioni PECVD avvengono solo su ridotte superfici (influenza economica)
  • consente di sintetizzare film di silicio amorfo idrogenato
schema di processo pecvd
Schema di Processo - PECVD

In una camera a vuoto vengono immessi i gas di processo, che con l’ausilio di un campo elettromagnetico si attivano e si decompongono.

Le fasi solide come il carbonio o il silicio condensano sul substrato, formando il rivestimento.

Le fasi gassose residue (es. CO2, H2O)sono aspirate dalle pompe da vuoto.

principi di funzonamento pecvd
Principi di funzonamento PECVD

elettrodi

plasma

Il plasma è ottenuto e mantenuto applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi.

Il plasma crea con le superfici solide delle “sacche” bassisima densità elettronica: queste sacche si comportano come il dielettrico di un condensatore, le cui piastre sono costituite dal plasma e dall’elettrodo.

La superficie del substrato è bombardata da ioni, la cui energia cinetica varia da poche decine a numerose

centinaia di eV, assieme al flusso di molecole neutre.

bibliografia
Bibliografia
  • H.S. FOGLER, Elements of Chemical Reaction Engineering
  • http:// www.engin.umich.edu
  • http:// www.timedomaincvd.com
  • http:// grin.hq.nasa.gov
  • http:// www.materialmente.com
  • http:// www.orologeria.com
  • http:// www.tecnoparco.it
  • http:// www.quipo.it
  • http:// chiuserv.ac.nctu.edu.tw/~htchiu