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Deposição de Filmes

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Introdução

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Por que depositar outro material??

• Abrir o tema para discussão.

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Bombas para Equipamentos a Vácuo para MEMS e Microeletrônica

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Gás - Vapor / Ponto Crítico

Pressão de saturação de

vapor

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Modos de Armazenamento de Energia das Partículas

• Translacional• Rotacional• Vibracional• Eletrônica

2

2

1xtx

mv=ε

Energia de translação

Importantes em plasmas e deposição

ativada por fótons

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Cinética de Gases

• Distribuição de Maxwell-Boltzmann:– as moléculas estão continuamente colidindo entre si e com as

paredes do recipiente. Em regime:

(K) absoluta atemperaturT

/1.38x10Boltzmann de constantek

(kg)molecular massam

dc e velocidadde incremento um de dentro dN moléculas de lincrementa númerodN/dc

(m/s) molécula da velocidadec

ãodistribuiç na moléculas de totalnúmeroN :onde

2

1

exp2

4

23-

B

22

3

2

=

==

=

=

=

=

=

KJ

Tk

mc

Tk

mc

N

dcdN

BBπ

π

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Curva de Distribuição

M

RT

m

Tkc

M

RT

m

Tkc

B

B

33

88

2 ==

==

π

ππ

molecular) (pesomolar massa

Avogadro de número

gás do constante

==

=

==

A

A

AB

mNM

N

NkR

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Fluxo de Impingimento Molecular

xinvJ

2

1=

cnJi

4

1=

20

Gás Ideal

• Considerando colisões elásticas,

• A força num processo de colisão é proporcional ao fluxo de impingimento:

• Lembrando que

xmv2momento de Variação =

2

22

2

3

1/ Portanto,

3

1

)2(/

nmvAF

vv

nmvmvJAF

x

xxi

=

=

==

M

RT

m

Tkc

B332 ==

π

21

Lei do Gás Ideal

TkBt

2

3=ε

22

Equação de Knudsen

• Devemos expressar o fluxo de impingimento em termos de quantidades macroscópicas.

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• É a distância média que uma partícula percorre num gás antes de se colidir com uma molécula do gás.

Caminho Livre Médio

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Exemplo

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Número de Knudsen

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Adsorção

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Evaporação

Step Coverage

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Evaporadores

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Troca de Calor num Cadinho

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Evaporação

33

Evaporação

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Feixes Energéticos

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Deposição por Feixes Energéticos

• São métodos não térmicos de energia direcionados aos processos.• Etapas:

– vaporização de um material fonte; – ativação do material fonte durante o transporte; – modificação da estrutura do filme durante a deposição

• A energia pode ser passada, transmitida por elétrons, fótons, ou íons (em geral, íons positivos)

• O diâmetro do feixe varia conforme a técnica. Dessa forma, seguindo a tabela 8.1, nota-se que as quatro primeiras técnicas (feixe de elétrons, arco catódico, arco anódico, laser pulsado) usam um feixe fino, enquanto sputtering usa feixe com diâmetro bem maior.

• Técnicas que usam feixe fino concentram mais a energia, sendo que o mecanismo de vaporização (geração do vapor) é térmico apesar da entrada de energia ser não térmica

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Vantagens

• qualquer material (mesmo refratários) pode ser vaporizado, tanto no caso do uso de feixes estreitos como em sputtering. Além disso, como o feixe édirigido, pode-se evitar a admissão de energia em partes vizinhas à fonte, resultando num evaporante mais puro.

• em sputtering e laser pulsado, a profundidade ativada do material fonte pode ser de apenas décimos de nm, resultando numa vaporização estequiométrica (congruente) de materiais multi-elementos.

• a energia adquirida pelo evaporante é muito maior nessas técnicas do que por evaporação convencional. Das técnicas deste capítulo, átomos termicamente evaporados adquirem energia extra após evaporação com a subsequente interação com o feixe energético já na fase vapor. Vapores ionizados podem adquirir energia extra pela aceleração com um campo elétrico (substrato negativo).

• Com relação a processos na superfície do substrato, a condensação de átomos energizados ou o bombardeamento de íons pode melhorar a aderência e a estrutura do filme.

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• Podem ser gerados por emissão de uma superfície ou por ionização de átomos de gás ou moléculas

• Emissão de superfícies:– o emissor é denominado catodo, e o coletor de elétrons é o anodo

– Para metais, a curva de distribuição de energia dos elétrons f(E)em função da energia potencial E tem o formato Fermi-Dirac na seguinte. A energia média está no nível de Fermi EF. A função de trabalho φW é a diferença entre EF e o nível de energia de um elétron livre no vácuo E0, ou seja, é a barreira para emissão de elétrons.

• Três maneiras para o elétron escapar: emissão termiônica; emissão de campo e emissão de potencial; fotoemissão ou emissão de elétron secundário.

Geração de Elétrons

)A(A e+→ +

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Emissão Termiônica

• elétrons com energia acima de E0. A densidade de corrente dos elétrons emitidos por unidade de área é dado pela equação de Richardson-Dushman eq. 8.1, semelhante à expressão de Arrhenius. a constante B e φW variam com a composição da superfície e com a topografia. Em geral usa-se tungstênio W como metal do emissor porque pode ser operado a temperaturas altas; entretanto, ele se pode se oxidar se for usado em ambientes com O2 ou outros gases reativos o que causa diminuição de φW , e nestes casos deve-se escolher um metal menos reativo.

• Entretanto, a eq. 8.1 só vale para campos elétricos E=-dV/dx altos aplicados durante a emissão termiônica. Se o campo E não for suficientemente alto, elétrons vão se empilhar na superfície e produzir um região de cargas negativas, limitando a corrente.

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Fotoemissão e elétrons secundários

2eAeA +→+ +

Rendimento:

)2-E78.0(032.0Y Wie φ≈

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Electron Beam

42

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Wet X Dry Etching

• Wet Etching (corrosão por via úmida) foi muito utilizado na indústria de semicondutores nos anos 1970 e 1980.– Fatores limitantes:

• na corrosão de metais e óxidos o processo é isotrópico, ou seja, a corrosão das laterais é da mesma ordem da vertical,

• em geral, deve-se passar por vários banhos com diferentes reagentes. O tempo de troca de banho alonga o tempo total de fabricação, encarecendo o produto,

• o processo oferece riscos à saúde dos funcionários

– Atualmente, é usado na limpeza de wafers e remoção de finas camadas de óxido na preparação de wafers.

• Dry Etching (corrosão a seco) é o processo dominante na indústria de semicondutores atualmente. Muito utilizado desde o final dos anos 1980.– boa seletividade– resulta em baixa contaminação– agiliza o processamento

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Wet Etching

• Deve-se controlar:– temperatura do banho,– contaminação (fazer filtragem)– tempo de imersão– composição do reagente

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• Corrosão com difluoreto de xenônio

Dry Etching com Vapor (1)

42 SiF2XeSi2XeF +→+

•inicialmente, o sólido XeF2 é sublimado em

vácuo de 1Torr, a temperatura ambiente

•é uma corrosão isotrópica

•altas taxas (1 a 3 µm/min)

•não necessita equipamentos sofisticados e caros

•praticamente não ataca máscaras de fotoresiste,

SiO2 (oxidação térmica), PSG (silício amorfo

dopado com boro), Al, Au

•desvantagem: a superfície fica rugosa

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• Corrosão com interhalogênios– BrF3

– análogo ao anterior (XeF2), mas não deixa rugosidades– máscaras: LPCVD SiO2, nitreto de silício, alguns fotoresistes, Al,

Au, Cu, Ni

Dry Etching com Vapor (2)

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Dry Etching com Vapor (3)

• Corrosão ativada por Laser – conhecida como LACE– atmosfera de Cl2– máscara SiO2– não é muito rápido– pode ser usada para fabricar estruturas complexas, mas não

suspensas

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Dry EtchingProcessos com Plasma

Pressão

Alta

Baixa

Energia

dos íons

Alta

BaixaProcesso a

plasma

químico

Processo a

plasma

físico

Processo

balanceado

Sputter

etching

Reactive ion

etching

Plasma

etching

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Dry EtchingResultados no Wafer

Sputter

etching

Reactive

ion etching

Plasma

etching

Seletividade

Alta

Baixa

Danos

potenciais

Alto

Baixo

Anisotropia

Alta

Baixa

(Físico)

(Químico)

Strip isotrópico

Strip de

fotoresistes;

corrosão de

metais e silício

policristalino

Corrosão de

dielétricos

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Dry Etching com Plasma

• A maioria dos processos usa radicais livres de fluor para corroer o silício, formando SiF4 (volátil)

• SF6 é usado com frequência

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Reactive Ion Etching (RIE)

• Nesse método, energia do plasma (RF) é utilizada para ativar as reações químicas

• Pode ser realizado a temperatura ambiente ou até poucas centenas de °C

• Pode ser etching isotrópico ou anisotrópico• Reagentes comuns são clorofluorcarbonetos, brometos,

SF6,

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53

Comparação Entre Reagentes para Corrosão de Volume de

Silício

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Deposição por Métodos Químicos:CVD

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CVD

CVD - Métodos

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Equipamento

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Medidor de Vazão

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Tipos de Reatores

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Deposição de Si

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Eletrodeposição

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Eletrólise

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Eletrodeposição

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• Os resultados das investigações de Faraday sobre o fenômeno da eletrólise podem ser resumidos em suas duas leis para a eletrólise.

• 1) A quantidade de produto primário formado num eletrodo pela eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa pela solução.

• Onde F=96500 C. O número de moles do material depositado éobtido pela razão entre o peso do material depositado P, e seu peso atômico, A, ou seja:

• O Faraday é, portanto, por definição, a carga necessária para se depositar um equivalente eletroquímico de um material, ou seja, .

mnfIdtQ =∫=

A

Pm =

en

m =

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• O equivalente eletroquímico e, é usualmente expresso em miligramas ou em gramas por Ampére por hora (g/Ah) . A quantidade de energia é, normalmente, medida em Ah e o Faraday é igual a 26,8 Ah.

• As quantidades de diferentes produtos primários formados num eletrodo pela mesma quantidade de eletricidade são proporcionais a suas massas moleculares relativas, ou massas atômicas relativas, divididas pela variação de seu número de oxidação durante o processo eletrolítico.

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