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

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

PVD vs. CVD PVD começa com P (physical vapor deposition) CVD começa com C (chemical vapor deposition).

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

Physical Vapor Deposition CVD vs. PVD CVD PVD

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.

CVD vs. PVD Filmes Finos Metálicos são utilizados para: 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

Physical Vapor Deposition Métodos de PVD Evaporação sputtering

Processo de Deposição PVD: 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.

Conversão para Fase Gasosa Physical Vapor Deposition Conversão para Fase Gasosa A conversão para a fase gasosa pode ser feita por: 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 MÉTODOS DE PVD: a) - Evaporação

Physical Vapor Deposition b) - SPUTTERING

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

Física de Evaporador Pressão de vapor: Onde: 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.

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

Taxa de Deposição Admitindo: Líquido a temperatura constante; 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.

Taxa de Deposição Onde:  é a densidade de massa (kg/m2); 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.

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

Evaporação de Al: a) Taxas são compatíveis (0.5 m/min.) ; 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.

Limitações da Evaporação: 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.

Uniformidade do Filme: Physical Vapor Deposition Uniformidade do Filme: 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 

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

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.

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

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

1) Aquecimento Resistivo : 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.

Tipos de Cadinhos Limitações: 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.

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

Características do e-beam 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.

3) Aquecimento Indutivo : 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.

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.