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

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

2 PVD (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. Physical Vapor Deposition

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

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

5 CVD vs. PVD Physical Vapor Deposition CVD PVD

6 Physical Vapor Deposition 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. CVD vs. PVD

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

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

9 Processo de Deposição PVD: 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. Physical Vapor Deposition

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

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

12 b) - SPUTTERING Physical Vapor Deposition

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

14 Física de Evaporador Física de Evaporador Physical Vapor Deposition 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 Pressão de Vapor de MetaisPressão de Vapor de Metais Para uma taxa prática: P e > 10 mTorr Al T = 1200 K W T = 3230 K Pressão de Vapor de Metais comumente depositados por Evaporação. Physical Vapor Deposition

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

17 Taxa de Deposição Taxa de Deposição Onde: é a densidade de massa (kg/m 2 ); Área é a área do wafer; r é o raio da esfera. Physical Vapor Deposition

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

19 Evaporação de Al: 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. Physical Vapor Deposition

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

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

23 Cobertura de Degrau Cobertura de Degrau Physical Vapor Deposition 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 Evaporação: Deposição de Ligas e CompostosEvaporação: Deposição de Ligas e Compostos Physical Vapor Deposition

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

26 1) Aquecimento Resistivo : Material fonte em uma barquinha metálica suspensa por um filamento de W. Al funde molha o fio de W evapora. Physical Vapor Deposition

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

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

30 3) Aquecimento Indutivo : Physical Vapor Deposition 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 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, Referências :


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