REATTORI CVD

1. REATTORI CVD Aloisio Antonio Mengo Matteo

2. 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

3. Pregi e Limiti della CVD • Limiti: • Bassa velocità di deposizione(circa 2 µm per ora per il rivestimento di TiN a 1.000°C); • Formazione di sottoprodotti direazione corrosivi(per es. HCl); • Alte temperature di trattamento(900-1.050 °C); • Perdita nel processo delleproprietà meccaniche dell’acciaio(Necessità di ritrattare i pezzi termicamente con rischio di deformazione, anche se minima) • Pregi: • 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).

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

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

6. Reattore generico Waferhandling – Sistema per introdurre e rimuovere i substrati.

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

8. Reattore generico Exhaustpump – Sistema per la rimozione dei prodotti volatili derivati dalla reazione nella camera di deposizione

9. Reattore generico Wastetreatment – 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.

10. Reattore generico Processcontrolequipment – 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)

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

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

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

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

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

16. Nella camera di decomposizione 6.Film e Allontanamento dei sottoprodotti

17. 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

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

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

20. 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!

21. Reattori tubolari

22. 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)

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

24. 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

25. 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

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

27. 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

28. Processo tipico – deposito di silicio(modeling concepts) • Flussoassiale laminare nella regione anulare. (Reanulare < 1 per LPCVD) • Il reagente diffonderadialmente 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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 Iiè la funzione di Bessel modificata di ordine i

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

34. 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

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

36. 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

37. Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -1) Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -2) Sostituendo nell’equazione i seguenti termini di conversione Otteniamo

38. Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -2) Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -3 ) Così, raccogliendo i termini dall’eq. Otteniamo un’espressione in funzione del numero di Damköhler (Da) Dove

39. Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -3) Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione - 4) Dall’equazione Esprimendo la conversione in funzione della posizione sull’asse z Ricordando che e che e = yAod = 1*(1-1-0)=0 In termini di concentrazione CAA/CAO = exp[ -Da(z /L)]

40. Processo tipico – deposito di silicio(profilo di concentrazione -4) Processo tipico – deposito di silicio(deposition rate) 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)]

41. Processo tipico – deposito di silicio(deposition rate) Processo tipico – deposito di silicio(spessore del film) 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

42. 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

43. 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.

44. 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.

45. 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.

46. 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.

47. 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.

48. 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

49. Reattori Showerhead

50. 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.