26_Reattori_CVD

REATTORI CVD
Aloisio
Antonio
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
Pregi:
Limiti:
•Ottima aderenza del deposito
•Bassa velocità di deposizione
(fenomeni di diffusione nel substrato)
(circa 2 µm per ora per il rivestimento di TiN a
1.000°C);
•Elevato potere penetrante
(possibilità di ricoprire pezzi con forme
complesse, cavità e porosità)
•Formazione di sottoprodotti di
reazione corrosivi (per es. HCl);
•Facile variabilità della
composizione dello strato di
rivestimento
•Alte temperature di trattamento
•Formazione di strati ad elevata
densità (bassa porosità)
•Perdita nel processo delle
proprietà meccaniche
dell’acciaio (Necessità di ritrattare i pezzi
•Estrema versatilità
(possibilità di
rivestire contemporaneamente forme e
geometrie differenti).
(900-1.050 °C);
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
1.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
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
E inoltre:
Ossido di rame
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
Tubo
In quarzo
Due
o più zone di riscaldamento indipendenti e controllate
Diametro della
Controllo
sufficiente
temperatura
al caricoassiale
dei wafers
lungocon
il tubo
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
(rate law)
di reazione)
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
rIIAw velocità di
generazione di A per unità
di superficie
Il fattore 2 appare perché ci sono 2 superfici di wafers
esposte.
Differenziando su r, riarrangiando otteniamo
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
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
-1)
(profilo di concentrazione -2)
Sostituendo nell’equazione
i seguenti termini di conversione
Otteniamo
Processo tipico – deposito di silicio
(profilo di
di concentrazione
concentrazione -3
-2))
(profilo
Così, raccogliendo i termini dall’eq.
Otteniamo un’espressione in funzione del numero di Damköhler (Da)
Dove
Processo tipico – deposito di silicio
(profilo di
di concentrazione
concentrazione --3)
(profilo
4)
Dall’equazione
Esprimendo la conversione in funzione della posizione sull’asse z
Ricordando che
In termini di concentrazione
e che
CAA/CAO =
e = yAo d = 1*(1-1-0)=0
exp[ -Da(z /L)]
Processo tipico – deposito di silicio
(profilo(deposition
di concentrazione
-4)
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)]
Processo tipico – deposito di silicio
(deposition
(spessore
delrate)
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
Processo tipico – deposito di silicio
(spessore
del film)
(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
Conseguenze
•Ostruzione dei pori dello showerhead
 Mancata uniformità del flusso
•Sporcamento delle superfici della camera
 Necessità di pulizie
POSSIBILI SOLUZIONI
Temperature
•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
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
Superfici dello showerhead configurabili
I limiti al loro utilizzo sono:
• densità dei fori
• difficoltà nel maneggiare parti molto piccole
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.
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
Vantaggi di processo
Possibili rapidi cambiamenti
nelle caratteristiche del gas per
avere film multistrato
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
plasma
elettrodi
Il plasma è ottenuto e mantenuto applicando
una differenza di potenziale tra due elettrodi.
La superficie del substrato è bombardata
Il plasma crea con le superfici solide delle
daqueste
ioni, la cui energia cinetica varia da
“sacche” bassisima densità elettronica:
poche
sacche si comportano come il dielettrico
di undecine a numerose
centinaia
condensatore, le cui piastre sono costituite
dal di eV, assieme al flusso di
molecole neutre.
plasma e dall’elettrodo.
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