REATTORI CVD

Cos’è la CVD? Deposizione Chimica di Vapore Consente di produrre un film solido su un supporto (substrato). Si attua facendo reagire chimicamente composti volatili del materiale che si vuole depositare. Variando parametri di processo, precursori e forma è possibile depositare materiali: Epitattici (cristallini) Policristallini Amorfi Tecniche cvd High Temperature CVD (HTCVD) Low Pressure CVD (LPCVD) Plasma Assisted CVD (PACVD) Plasma enhanced CVD (PECVD) Metallorganic CVD (MOCVD Queste varianti fanno uso di precursori gassosi e di regimi di vuoto più o meno spinti

Pregi e Limiti della CVD Ottima aderenza del deposito (fenomeni di diffusione nel substrato) Elevato potere penetrante (possibilità di ricoprire pezzi con forme complesse, cavità e porosità) Facile variabilità della composizione dello strato di rivestimento Formazione di strati ad elevata densità (bassa porosità) Estrema versatilità (possibilità di rivestire contemporaneamente forme e geometrie differenti). Limiti: Bassa velocità di deposizione (circa 2 µm per ora per il rivestimento di TiN a 1.000°C); Formazione di sottoprodotti di reazione corrosivi (per es. HCl); Alte temperature di trattamento (900-1.050 °C); Perdita nel processo delle proprietà meccaniche dell’acciaio (Necessità di ritrattare i pezzi termicamente con rischio di deformazione, anche se minima)

Reattore generico Gas / Vapor source – Fornisce i precursori alla camera di reazione.

Reattore generico Deposition chamber – Camera dove ha luogo la deposizione del vapore (camera di reazione).

Reattore generico Wafer handling – Sistema per introdurre e rimuovere i substrati.

Reattore generico Heater – Fornisce il calore necessario ai precursori per reagire/decomporsi (Può essere all’interno o all’esterno della camera di composizione)

Reattore generico Exhaust pump – Sistema per la rimozione dei prodotti volatili derivati dalla reazione nella camera di deposizione

Reattore generico Waste treatment – In alcuni casi, il rilascio nell’atmosfera dei gas di scarico potrebbe non essere opportune, pertanto devono essere trattati o convertiti in composti innocui e non inquinanti.

Reattore generico Process control equipment – Misuratori e controllori per monitorare i parametri di proccesso quali la pressione, la temperature e il tempo. (In questa categoria sono inclusi anche allarmi e dispositivi di sicurezza)

Nella camera di decomposizione Vaporizzazione e trasporto del precursore nel reattore. Un composto vaporizzabile (precursore) viene trasportato da un altro gas. [ Film Substrato [

Nella camera di decomposizione 2. Diffusione delle molecole del precursore verso superficie

Nella camera di decomposizione 3. Assorbimento delle molecole del precursore alla superficie.

Nella camera di decomposizione 4. Decomposizione del precursore e incorporamento nel film solido.

Nella camera di decomposizione 5. Formazione di sottoprodotti e desorbimento in fase gas.

Nella camera di decomposizione 6. Film e Allontanamento dei sottoprodotti

Applicazioni – Produzione di componenti elettronici 2. Formazione dei wafers 1. Produzione di un monocristallo di Silicio 3. Trattamento dei wafers con deposizione di Si tramite CVD 4. Prodotto finito

Applicazioni Film ad elevata durezza Ingranaggio di orologio con deposizione di diamante Per componenti meccanici soggetti ad usura

Applicazioni Strati protettivi Contro la corrosione o l'ossidazione Anche nei campi più inaspettati Contro la corrosione o l'ossidazione ad alte temperature.

Applicazioni Rivestimenti in materiale ceramico a protezione dalle alte temperature Deposizione di materiali porosi Ossido di rame E inoltre: Deposizione di materiali compositi altrimenti difficili da realizzare (es. deposizione del diamante) Applicazioni ottiche Infiltrazione in materiali porosi o fibre …e altro ancora!

Reattori tubolari

Generalità Impiego nella produzione di semiconduttori Semplicità costruttiva Elevata produttività Sono un’elaborazione delle fornaci originalmente impiegate per l’ossidazione/temperamento di metalli Chiamati anche a “parete calda”: stessa temperatura in tutto il reattore. Deposito del film su ciascuna superficie esposta del tubo. Necessitano di pulizie periodiche (evitano la formazione di particelle e lo scheggiamento) Pulizia tramite bagno chimico (costoso, complesso e inquinante)

Struttura del reattore Heaters Due o più zone di riscaldamento indipendenti e controllate Controllo della temperatura assiale lungo il tubo Tubo In quarzo Diametro sufficiente al carico dei wafers con un leggero margine Inserito in un involucro riscaldato

Struttura del reattore Wafers Sono impilati nelle scanalature di un supporto in quarzo (Boat). Sono trattati in batches fino a 100-200 wafers per volta. Lo spazio tra i wafers è limitato il più possibile, compatibilmente con le limitazioni dovute al trasporto di calore e materia. Il boat poggia su una mensola per evitare di raschiare il tubo e formare delle particelle solide

Processo tipico – deposito di silicio (meccanismo di reazione) Deposizione di Silicio da un flusso gassoso di SiH2 Processo a bassa pressione (LPCVD) Il meccanismo di reazione è:     La rate law corrispondente risultante: Le costanti K1 e K2 diminuiscono con la temperatura. Essendo un processo ad alta temperatura possiamo assumere

Processo tipico – deposito di silicio (meccanismo di reazione) Processo tipico – deposito di silicio (rate law) Quindi se : Allora da: Otteniamo: Ovvero una rate law del I° ordine in SiH2                         

Processo tipico – deposito di silicio (cross sectional area) Il flusso dei gas reagenti attraversa la regione anulare tra i bordi esterni dei wafers e la parete del tubo Ac è l’area attraversata dal flusso Rt e Rw sono il raggio interno ed esterno dell’anello

Processo tipico – deposito di silicio (modeling concepts) Flusso assiale laminare nella regione anulare. (Reanulare < 1 per LPCVD) Il reagente diffonde radialmente tra i wafers. Indichiamo con: YA = frazione molare di A tra i wafers YAA = frazione molare di A tra il boat e le pareti del tubo WAr = Portata di massa di A tra i wafers, funzione del raggio

Processo tipico – deposito di silicio (diffusione tra i wafers) Ricordando che la reazione è del I° ordine: Effettiuamo un bilancio di massa tra due wafers distanti l Il fattore 2 appare perché ci sono 2 superfici di wafers esposte. Differenziando su r, riarrangiando otteniamo rIIAw velocità di generazione di A per unità di superficie

Processo tipico – deposito di silicio (diffusione tra i wafers - 2) Ricordiamo che per una convezione forzata (eq. 11-21) Possiamo assumere che Per una reazione del I° ordine Otteniamo la relazione Condizioni al contorno corrispondenti

Processo tipico – deposito di silicio (diffusione tra i wafers - 3) Effettuiamo un cambio di variabili con l= r/RW e y=CA/CAA Dove Le boundary conditions diventano Integrando otteniamo Io è la funzione di Bessel modificata di ordine 0 Bessel è la soluzione di una particolare forma di equazione differenziale

Processo tipico – deposito di silicio (diffusione tra i wafers - 4) Il fattore di efficienza interno velocità di reazione attuale velocità di reazione se tutta la superficie interna del pellet fosse esposta alla concentrazione CAA Diventa Ii è la funzione di Bessel modificata di ordine i

Processo tipico – deposito di silicio (diffusione tra i wafers - 5) Profili di concentrazione radiale sul wafer per diversi valori di Thiele

Processo tipico – deposito di silicio (bilancio di massa lungo il reattore) Ipotizzando No gradiente radiale di concentrazione nella regione anulare Effetti di dispersione o diffusione assiale trascurabili Facendo un bilancio di massa a = superficie boat / superficie tubo Dividendo per DZ, con DZ  0

Processo tipico – deposito di silicio (rate laws) Dato che Velocità di deposizione silicio = Velocità di consumo SiH2 La deposizione avviene su: Wafer Pareti Supporto + + =

Processo tipico – deposito di silicio (profilo di concentrazione -1) Combinando le equazioni ottenute dal bilancio di massa dalla rate law Otteniamo l’equazione del flusso

Processo tipico – deposito di silicio (profilo di concentrazione -1) Sostituendo nell’equazione i seguenti termini di conversione Otteniamo

Processo tipico – deposito di silicio (profilo di concentrazione -2) Così, raccogliendo i termini dall’eq. Otteniamo un’espressione in funzione del numero di Damköhler (Da) Dove

Processo tipico – deposito di silicio (profilo di concentrazione -3) Dall’equazione Esprimendo la conversione in funzione della posizione sull’asse z Ricordando che e che e = yAo d = 1*(1-1-0)=0 In termini di concentrazione CAA/CAO = exp[ -Da(z /L)]

Processo tipico – deposito di silicio (profilo di concentrazione -4) Processo tipico – deposito di silicio (deposition rate) Processo tipico – deposito di silicio (profilo di concentrazione -4) Dall’equazione E da Sotituendo in Otteniamo una relazione che esprime –r”AW in funzione di r e z CAA/CAO = exp[ -Da(z /L)]

Processo tipico – deposito di silicio (deposition rate) Processo tipico – deposito di silicio (spessore del film) Processo tipico – deposito di silicio (deposition rate) Conoscendo Possiamo calcolare lo spessore T di deposito integrando nel tempo Dove r è la densità del materiale depositato (g mol/ cm3) “2” tiene conto della deposizione su entrambe le facce del wafer Integrando

Processo tipico – deposito di silicio (spessore del film) Processo tipico – deposito di silicio (grafici) Plottando Vediamo lo spessore del deposito il profilo di concentrazione lungo il reattore

Conclusioni - uniformità del film Uniformità radiale del film: Eccellente per: pressioni basse velocità di reazione alla superficie basse. Prevalenza delle applicazioni LPCVD Uniformità assiale del film:  Funzione delle condizioni di caricamento: temperatura di processo portata del gas schema di iniezione.

Il profilo termico Presenza di una zona piatta, a temperatura costante. La “zona piatta” è facilmente controllabile termicamente, con la precisione di 1°C. Determina il numero di wafers caricabili in un singolo run.

Conclusioni - Controllo della temperatura Stato stazionario: Tranne che per i primi e gli ultimi wafers nel carico, c’è uniformità radiale. L'uniformità assiale è ottenuta tramite multi-heating. Tubo ed il boat in quarzo permettono il funzionamento fino a circa 1000°C. Start up: Necessità di riscaldare lentamente i wafers Rampe di temperatura, e quindi decine di minuti per raggiungere la temperatura di regime.

Conclusioni - produttività Vantaggi: Buone quantità di wafers per run in condizioni di bassa pressione (wafers più vicini). Oltre 100 wafers per run Svantaggi:  Uniformità ottenibile per: basse velocità di reazione riscaldamento lento …. e quindi lunghi tempi di processo Grandi reattori Processano tantissimi wafers per run Alti rischio se accade un problema. La mensola ed il boat stesso sono costosi di complessa realizzazione richiedono una pulizia periodica.

Conclusioni - processo Vantaggi :  Facile produzione del quarzo a elevata purezza. Semplice minimizzare la contaminazione metalliche dei films nonostante le elevate temperature di processo. Svantaggi:  Difficile realizzare i reattori del plasma nella configurazione tubolare.

Applicazioni Impiegati comunemente in processi "front-end" di produzione di IC: deposito di polisilicio deposito di nitruro di silicio deposito a temperatura elevata di diossido di silicio processi "back-end" (dopo il deposito del metallo) richiedono temperature più basse impiegano la tecnica del plasma (PECVD). non sono impiegati normalmente per deposito dei metalli quale tungsteno, rame o TiN a causa dei problemi inerenti la pulizia. Alcuni reattori tubolari al plasma sono stati sviluppati nell'inizio degli anni ‘80 ma le difficoltà con uniformità e manutenzione hanno fatto abbandonare questo metodo a favore degli “showerhead” ed il plasma ad alta densità, ora spesso nelle configurazioni a wafer singolo

Reattori Showerhead

Generalità Chiamati “Showerhead” perché utilizzano un diffusore che ricorda a una doccia. Il diffusore e costituito da una superficie piana porosa che deve diffondere nella maniera più uniforme possibile i gas reagenti su una superficie parallela.

Struttura del reattore Showerhead (diffusore) Deve diffondere il più omogeneamente possibile i flussi gassosi provenienti dai fori. Presenta un sistema di raffreddamento

Struttura del reattore Camera Ambiente dove avviene la reazione Processa substrati multipli o wafers singoli Wafers paralleli allo showerhead Le pareti non sono riscaldate (reattori a parete fredda) e possono essere controllate con un refrigerante

Struttura del reattore Heater Posto all’interno della camera Tiene alla temperatura di processo solo la superficie che regge il substrato

Importanza delle Temperature La deposizione avviene su tutte le superfici della camera DA EVITARE Conseguenze Ostruzione dei pori dello showerhead  Mancata uniformità del flusso Sporcamento delle superfici della camera  Necessità di pulizie POSSIBILI SOLUZIONI

Temperature POSSIBILI SOLUZIONI Heater interno alla camera Consente di scaldare solo il substrato Pareti della camera refrigerate Inibiscono le reazioni di deposito Showerhead refrigerato Inibisce le reazioni di deposito nei pori Impedisce ai gas di reagire prima di giungere al substrato La slide senza rosso d’oh POSSIBILI SOLUZIONI

Paremetri di design – altezza della camera (Hc) Hc = Distanza Showerhead – Wafer Aumentando Hc: Aumenta il volume della camera  Aumenta Rtd  Diminuiscono le velocità radiali Migliora miscelazione dei flussi gassosi provenienti dai fori dello showerhead  Omogenaità del film Aumenta uniformità radiale dello spessore del film Per cui, è fondamentale poter regolare Hc senza difficoltà durante il processo.

Paremetri di design – Showerhead Il design della superficie dello showerhead: Permette di ottenere il tipo di diffusione richiesta. Esistono così: Superfici dello showerhead configurabili

Paremetri di design – Showerhead Hanno superfici che presentano un grande numero di fori filettati. I fori possono essere: chiusi tramite bulloni ugelli tramite viti perforate I limiti al loro utilizzo sono: densità dei fori difficoltà nel maneggiare parti molto piccole Superfici dello showerhead configurabili Perciò trovano applicazione nel caso di bassi flussi molari

Osservazioni Temperatura Buon trasporto termico al wafer per conduzione e irraggiamento. Per una buona uniformità è necessario un riscaldamento a zone. Uniformità Radiale nel Film Ottimizzabile con cambiamenti del design dello showerhead (diffusore e HC) e del riscaldamento. Flessibilità Si presta bene per applicazioni al Plasma I reattori showerhead sono largamente usato in processi backend, deposizione di strati dielettrici tra i metalli, metalli e passivazione finale

Vantaggi e Svantaggi Vantaggi per la produttività Automatizzazione del caricamento semplice per la configurazione a wafer singolo. Il reattore è piccolo. La pulizia non presenta difficoltà. Si riescono ad ottenere stesse condizioni di lavoro per ogni wafer. Vantaggi di processo Possibili rapidi cambiamenti nelle caratteristiche del gas per avere film multistrato Svantaggi per la produttività richieste elevate velocità di deposizione per ottenere una buona quantità con conseguenze sulla qualità del film. Wafer deve essere preriscaldato se la piastra inferiore è riscaldata e il soffitto è raffreddato, per evitarne l’accartocciamento Svantaggi di processo Piccoli pori dello showerhead si possono intasare od erodere

Reattori al Plasma (cenni)

L’evoluzione dei Processi CVD.. Punta ad abbassare le temperature di deposizione Possibilità di depositare strati con caratteristiche fisiche e meccaniche elevate (nella produzione di rivestimenti)

Processi innovativi CVD… PECVD PECVD =Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition procede a temperature non elevate (sotto i 300°C) (LPCVD ~ 600°C) qualità finale del film depositato tende ad essere inferiore a quella del LPCVD deposizioni PECVD avvengono solo su ridotte superfici (influenza economica) consente di sintetizzare film di silicio amorfo idrogenato

Schema di Processo - PECVD In una camera a vuoto vengono immessi i gas di processo, che con l’ausilio di un campo elettromagnetico si attivano e si decompongono. Le fasi solide come il carbonio o il silicio condensano sul substrato, formando il rivestimento. Le fasi gassose residue (es. CO2, H2O)sono aspirate dalle pompe da vuoto.

Principi di funzonamento PECVD elettrodi plasma Il plasma è ottenuto e mantenuto applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi. Il plasma crea con le superfici solide delle “sacche” bassisima densità elettronica: queste sacche si comportano come il dielettrico di un condensatore, le cui piastre sono costituite dal plasma e dall’elettrodo. La superficie del substrato è bombardata da ioni, la cui energia cinetica varia da poche decine a numerose centinaia di eV, assieme al flusso di molecole neutre.

Schema di un PECVD

FINE

Bibliografia H.S. FOGLER, Elements of Chemical Reaction Engineering http:// www.engin.umich.edu http:// www.timedomaincvd.com http:// grin.hq.nasa.gov http:// www.materialmente.com http:// www.orologeria.com http:// www.tecnoparco.it http:// www.quipo.it http:// chiuserv.ac.nctu.edu.tw/~htchiu