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Chemical Vapor Deposition Introduzione e concetti fondamentali.

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Presentazione sul tema: "Chemical Vapor Deposition Introduzione e concetti fondamentali."— Transcript della presentazione:

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2 Chemical Vapor Deposition Introduzione e concetti fondamentali

3 Reattore a pareti calde Reattore per Plasma Enhanced CVD

4 MO-CVD assistito da aerosol

5 Principali processi e materiali prodotti con CVD Silicio policristallino SiH 4 Si + 2H 2 ( °C) Silice SiH 4 + O 2 SiO H 2 (300 – 500°C) SiCl 2 H N 2 O SiO N HCl ( 900°C) Si(OC 2 H 5 ) 4 SiO 2 + byproducts (600 – 650 °C) Nitruro di Silicio 3 SiH NH 3 Si 3 N H 2 3 SiCl 2 H NH 3 Si 3 N HCl + 6 H 2 2 SiH 4 + N 2 2 SiNH + 3 H 2 (solo con PECVD)

6 Metalli: soprattutto W, Mo, Ta e Ti WF 6 W + 3 F 2 WF H 2 W + 6 HF W(CO) 6 W + 6CO

7 Per capire come funziona, come costruire un reattore e come cambiare parametri come pressione, temperatura ecc. è necessario sapere: - Il comportamento dei gas - misura di flussi e pressione - Il trasporto delle molecole dal flusso di gas e la diffusione - Il trasporto di calore per convezione, conduzione e radiazione - Le reazioni chimiche in fase gassosa e su una superficie

8 Conversioni utili: 1 atm = 760 Torr = 101,000 Pa 1 Pa = 7.6 mT 1 m 3 = 1000 litri = 1 x 10 6 cm 3 K = C mole = 22.4 litri a "STP" (0 C, 1 atm.) 1 litro = moli a STP 1 cm 3 = 4.5x STP 1 cm 3 = 6.4 x Torr, 23 C 1 SLPM = 7.4 x moli/secondo 1 sccm = 7.4 x moli/secondo k = 1.38E-23 J/°C R = N(Avogadro) x k = 8.3 J/ mole °C = J/(kg-mole °C) = 8.2x10 -2 litri atm/(mole °C) = 62 torr liter/( mole °C ) I gas ideali PV =NRT P = pressione (pascal) V = volume (m 3 ) N = numero di grammi (moli) R = costante universale dei gas (8.31 J mol -1 K -1 ) I flussi di gas sono di solito riportati in SLPM Litri standard per minuto o in centimetri cubici Standard per minuto sccm

9 I flussi vengono misurati con un dispositivo chiamato Mass Flow Controller. Vengono espressi in sccm o slpm (cm 3 o litri standard/min) Se conosco il flusso posso conoscere la velocità del gas in un tubo di raggio r: Velocità (cm x min -1 ) = F/πr 2 Poichè i flussi sono sempre riferiti alle condizioni standard (0°C, 1atm) si ha che cambiando P e T: F r = (P s x V s )/P r e se cambia T F rr = (T r x P s x V s )/(T s x P r ) Es. Se il flusso è 100 sccm, P = 2 mbar e T = 25°C = 298 K F rr = 506 cm 3 /min (n.b. il gas è più rarefatto e quindi la velocità è maggiore)

10 Teoria cinetica dei gas Distribuzione della velocità Velocità media Numero di collisioni per secondo per cm 2 Equazione di Knudsen (p in Torr) Cammino libero medio m = massa molecolare M = massa molare n = volume molare N = numero di moli k = 1.38 x a = diametro molecolare

11 Supponiamo di avere N 2 con T = 300K e a =3.7 Å Press.densitàMean free path Velocità media # urti in superficie Velocità di crescita (Torr)(molecole /cm 3 ) m (cm/sec)Molecole/ cm 2 sec m/min E E E E E E

12 Reattore mescolato

13 In quale modo funziona il nostro reattore ? Un reattore differenziale consuma poco precursore, un reattore affamato ne consuma molto. Supponiamo che: -non vi siano gradienti di concentrazione -la diffusione sia molto più veloce rispetto al consumo di precursore o alla rimozione. [pre] = conc. Precursore (moli/cm 3 ) F= flusso (cm 3 sec -1 ) K s = costante di velocità della reazione in superficie (cm/sec) ch= conc. In camera di deposizione; in=concentrazione di ingresso

14 Velocità di reazione sulla superficie: R=K s S[pre] ch Reagente disponibile: Q=V[pre] ch Tempo necessario per consumare il reagente: t con = Q/R=V[pre] ch /K s S[pre] ch = V/K s S [pre] ch è ottenuta sapendo che ingresso=deposizione + uscita F in [pre] in = K s S[pre] ch + F in [pre] ch [pre] ch =F in [pre] in /(F in +K s S) Definiamo t con = V/K s S tempo di consumo sulla superficie e t res = V/F in tempo di residenza. Quindi t res /t con =K s S/F in

15 Reattore affamato

16 Regimi di funzionamento

17 Convezione Diffusione J = U [conc.] (m/sec)(moli/m 3 ) = moli/(m 2 sec)

18 Il flusso convettivo è la quantità di materia (energia) trasportata attraverso una superficie nellunità di tempo. Flusso = Concentrazione * Velocità

19 Per sapere quanta roba e con quale velocità si muove allinterno del reattore bisogna conoscere i campi della velocità e dei flussi (vedi figura). Tuttavia poiché il substrato è impermeabile il fluido non lo può attraversare e quindi

20 E la diffusione responsabile dei processi di crescita e non i moti convettivi. La diffusione è il processo chiave per razionalizzare una crescita CVD.

21 I legge di Fick Le leggi della diffusione n= concentrazione k= costante di Boltzmann m= massa della specie che diffonde T=temperatura P=pressione a=diametro molecolare Valori tipici di D sono: cm 2 1 atm cm 2 1 Torr D 1/P !!

22 II legge di Fick

23 Per poter depositare un film è necessario disporre di un precursore con una volatilità sufficiente per poter essere trasportato in fase gassosa. A che cosa è dovuta la volatilità ? CVD - La chimica

24 Van der Waals (J/mol) Leg. a idrogeno (KJ/mol) Legame chimico (KJ/mol) Ar-Ar 1050 C 5 H KJ/mol C-H C=C

25 I precursori: alcuni esempi

26 Esempio di alcuni precursori liquidi SiH °C Si 2 H °C H 2 SiCl 2 +8 °C WF °C TEOS+160°C Andamenti generali:

27 Misure di tensione di vapore mediante analisi termica TGA U= velocità di vaporizzazione (mol m -2 sec -1 ) = coefficiente di sublimazione (=1) Equazione di Clausius-Clapeyron

28 Lequilibrio chimico I gas hanno unentropia molto maggiore dei solidi. In un processo CVD si ha formazione di un solido da un gas. Se si formano prodotti di decomposizione volatili lentropia resta circa costante a parità di numero di moli ! Per un gas ideale S =RTln(V 2 /V 1 )=RTln(P 1 /P 2 ) e a press. costante S=C p ln(T 2 /T 1 )

29 Cinetica - è il passaggio più lento che conta ! Scrivere A+B --> C + D non significa che R= k[A][B] !!

30 Adsorbimento e reazione di superficie Isoterma di Langmuir

31 Il chemisorbimento

32 Meccanismo di Langmuir-Hinshelwood A + S AS prodotti k 1, k -1, k 2 C AS siti occupatiC S siti occupati e non

33 Deposizione di TiO 2 via CVD Ti(OPr i ) 4 TiO 2 + C 3 H 8 + C 3 H 7 OH + H 2 O

34 λ = 393,4 nm T = 51,2 % λ = 510,0 nm T = 51,1 % Misuriamo lo spessore e lindice di rifrazione

35 Misuriamo E g


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