IE726 – Processos de Filmes Finos

1. Physical Vapor Deposition IE726 – Processos de Filmes Finos Capítulo 6 - Técnicas de Deposição: Pt2 - PVD Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP

2. Physical Vapor Deposition PVD (Physical Vapor Deposition) • Vaporizando material sólido • Aquecimento ou sputtering • Condensando vapor sobre a superfície do substrato • Processo: parte importante de metalização.

3. Physical Vapor Deposition PVD vs. CVD • PVD começa com P(physical vapor deposition) • CVD começa com C (chemical vapor deposition).

4. Physical Vapor Deposition PVD vs. CVD: fontes • PVD materiais sólidos • CVD gases ou vapor

5. CVD vs. PVD PVD CVD Physical Vapor Deposition

6. Physical Vapor Deposition CVD vs. PVD • 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.

7. Physical Vapor Deposition CVD vs. PVD • Filmes CVD: melhor cobertura de degrau. • Filmes PVD: melhor qualidade, baixa concentração de impurezas e baixa resistividade. • Processos PVD : empregados em processos de metalização na manufatura de CIs. • Filmes Finos Metálicos são utilizados para: • - Interconexão dos diversos dispositivos • - Alimentação dos dispositivos com tensões

8. Physical Vapor Deposition Métodos de PVD • Evaporação • sputtering

9. Physical Vapor Deposition 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.

10. Physical Vapor Deposition Conversão para Fase Gasosa a) Adição de Calor  EVAPORAÇÃO. b) Pelo desalojamento dos átomos da superfície do alvo através de transferência de momentum por bombardeio iônico – SPUTTERING. • A conversão para a fase gasosa pode ser feita por:

11. Physical Vapor Deposition MÉTODOS DE PVD: a) - Evaporação

12. b) - SPUTTERING Physical Vapor Deposition

13. Physical Vapor Deposition PVD Fase Gasosa Fase Gasosa Transporte Condensação Evaporação Fase Condensada (sólido) Fase Condensada (filme sólido)

14. Physical Vapor Deposition Física de Evaporador Pressão de vapor: 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.

15. Physical Vapor Deposition Pressão de Vapor de Metais Para uma taxa prática:  Pe > 10 mTorr  Al  T = 1200 K W  T = 3230 K Pressão de Vapor de Metais comumente depositados por Evaporação.

16. Physical Vapor Deposition Taxa de Deposição • Admitindo: • Líquido a temperatura constante; • Cadinho com área de abertura constante; • Wafer localizado sobre a superfície de uma esfera.

17. Physical Vapor Deposition Taxa de Deposição • Onde: •  é a densidade de massa (kg/m2); • Área é a área do wafer; • r é o raio da esfera.

18. Geometria arbitrária Superfície esférica ( = ) Physical Vapor Deposition Fonte Virtual Fluxo viscoso • Ponto no espaço livre onde P cai o suficiente para resultar em fluxo molecular. • Posição do wafer.

19. Physical Vapor Deposition 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.

20. Physical Vapor Deposition Limitações da Evaporação: 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.

21. Physical Vapor Deposition Uniformidade do Filme: Fonte pontual resultaria num filme uniforme sobre uma esfera. Na prática : - fonte não é pontual. - acima da fonte forma-se uma região viscosa.  uniformidade  (, , r ) varia através da superfície do cadinho e do substrato.

22. Physical Vapor Deposition Solução: Sistema planetário girante. Superf. Esférica:  =  • Deposição:taxa uniforme e monitorada com fonte pontual.

23. Physical Vapor Deposition Cobertura de Degrau • 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.

24. Physical Vapor Deposition Evaporação: Deposição de Ligas e Compostos

25. Physical Vapor Deposition Tipos de Evaporação: • Aquecimento resistivo (filamentos) • Feixe de eletrons (e-beam) • Aquecimento indutivo.

26. 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.

27. Physical Vapor Deposition Tipos de Cadinhos 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.

28. Physical Vapor Deposition 2) Evaporação por feixe de elétrons (e-beam) : • Sistema de Evaporação por e-beam. Fonte: arco de 270°, mais comum.

29. Physical Vapor Deposition Características do e-beam - é livre de contaminação - aquecimento; - evapora qualquer material - função da potência e-beam; - produz raio X, maior problema   danos de radiação  recozimento.

30. Physical Vapor Deposition 3) Aquecimento Indutivo : • 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.

31. Physical Vapor Deposition Referências : 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.