Técnicas de Depósito Químico
El depósito químico (CVD) se realiza:
1.- a partir de una especie gaseosa que “libera” el material integrante de la
capa,
2.- mediante una reacción química que tiene lugar sobre ó próxima a la
superficie del sustrato,
3.- en condiciones de temperatura y presión variables,
4.-obteniéndose un depósito adherente y donde todas las especies, excepto
el producto deseado, son volátiles a la temperatura del proceso para
asegurar la pureza del mismo.
Los estudios sobre los procesos CVD han demostrado la
existencia de una capa gaseosa estanca sobre la
superficie en crecimiento. Dicha capa, denominada capa
límite, no se renueva por la circulación general de los
gases y presenta diferentes espesores según las
condiciones del proceso.
La transferencia de masas entre la fase gaseosa y la capa
en crecimiento se realiza por difusión a través de la capa
límite.
Nucleación y primeros estadios del crecimiento de
la película delgada:
Los núcleos de crecimiento pueden estar constituidos bien sea por átomos
individuales o bien por pequeñas agrupaciones de átomos.
Para unas condiciones dadas de deposición (temperatura, ritmo de deposición,
presión de los gases en la cámara de vacío, etc.) los factores mas importantes
que controlan la cinética de formación de los núcleos son la naturaleza y el
estado de la superficie y las energías de adsorción a la superficie y de
cohesión o enlace entre ellos.
De ahí que el cálculo teórico del tamaño y de la densidad de núcleos que se
forman en la superficie del sustrato sea extremadamente complejo.
Dependiendo del flujo de llegada de los átomos a la
superficie (Vinc) la relación de supersaturación (definida
por Vinc/Vdes siendo Vdes los que se desorben) juega un
papel fundamental en el proceso de nucleación.
En condiciones normales de supersaturación, los átomos
tienen tiempo de difundirse sobre la superficie y alcanzar
posiciones de mínima energía potencial que permiten la
formación de núcleos estables.
Existen tres modelos básicos de nucleación según sean los
valores relativos de las energías de adsorción (Eads) y de
enlace (Eenl) entre los átomos que forman la capa:
Modelo de Volmer-Weber
(Eads< Eenl)
Modelo de Frank- van der Merwe
(Eads> Eenl)
Modelo de Stranski-Krastanov
Técnicas CVD:
1.- Clasificación atendiendo a la temperatura del proceso
1.1.- CVD a baja temperatura “LT-CVD”
1.2.- CVD a alta temperatura “HT-CVD”
2.- Clasificación atendiendo a la presión del proceso
2.1.- CVD a alta presión “HP-CVD”
2.2.- CVD a baja presión “LP-CVD”
2.3.- CVD a presión atmosférica “AP-CVD”
3.- Clasificación atendiendo al método de comunicar la energía
necesaria para el cambio de fase
3.1.- Activación térmica (calentamiento por resistencias, radio
frecuencia ó lámparas) “CVD”
3.2.- Activación por plasma, generando una descarga en forma
de arco “PECVD”
3.3.- CVD Fotoinducido “PCVD”
3.4.- CVD asistido por láser “LCVD”
CVD activado Térmicamente
Según sea la temperatura de las paredes del reactor, los
reactores utilizados en las técnicas de CVD pueden ser:
1.- de pared fría o
2.- de pared caliente.
En los primeros, el calentamiento de los substratos se
realiza directamente bien sea mediante un horno alojado
en el interior del reactor, o bien mediante un sistema de
calentamiento por inducción.
La ventaja de los reactores de pared fría es que, aparte de consumir menor
energía, la reacción de deposición tiene lugar preferentemente sobre los
substratos (disminuyendo además el consumo de reactantes). Esto permite
un mejor control de la cinética de la reacción de deposición. En los reactores
de pared fría se evita además el posible depósito no deseado sobre las
paredes que, con el tiempo, acaba desprendiéndose, formando partículas que
pueden alterar la formación de capas en determinados zonas de los
substratos.
En los reactores de pared caliente, el calentamiento se efectúa
generalmente mediante un horno que rodea el reactor, que está formado por
un tubo de cuarzo situado en su interior. Aun cuando presentan los
inconvenientes asociados a la formación de depósitos no deseados en las
paredes, sin embargo se utilizan muy a menudo en la formación de capas
delgadas debido a la facilidad de diseño. La homogeneidad de la temperatura
en una amplia zona del reactor facilita la deposición sobre un gran número de
muestras.
CVD activado por plasma (PACVD y MWCVD)
La presencia de una descarga eléctrica (en forma de plasma) en el
interior del reactor hace que las moléculas de los gases pasen a
estados de energía elevada favoreciendo la velocidad de reacción.
Generalmente, estas descargas se hacen con fuentes de corriente
alterna de alta frecuencia, con objeto de aumentar la eficiencia del
proceso de deposición.
Por lo general estos equipos permiten trabajar a diferentes
frecuencias, en el rango de la radiofrecuencia y en el de las
microondas:
1.- Técnica de CVD asistida por plasma de radiofrecuencia
(Rf plasma-assisted CVD ó PACVD)
2.-Técnica de CVD asistida por plasma de microondas
(Microwave assisted CVD ó MWCVD)
CVD asistida por plasma de radiofrecuencia
Una descarga de arco a baja presión, generada a una radio frecuencia
fija (450 kHz o 13.56 MHz) se utiliza para generar un plasma bien
capacitivamente dentro de la cámara de reacción (caso de sistemas
con electrodos paralelos) o bien inductivamente desde el exterior del
reactor.
Recordemos que un plasma es materia gaseosa fuertemente ionizada,
con igual número de cargas libres positivas y negativas. También se
entiende como un gas ionizado que contiene el mismo número de
electrones que de iones positivos y, por consiguiente es buen
conductor de la electricidad.
Un caso típico de depósito por Plasma-CVD es el del silicio amorfo
hidrogenado
SiH4 + eSiH2
SiH2 + e- + H2
SiH2 (adsorbido)
a-Si(:H) +H2
Sistema de gases
sustrato
SiH4
electrodo
Fuente
Esta técnica es muy utilizada para depositar capas de Si3N4 empleadas como
máscaras de difusión en microelectrónica y para aislamiento entre
diferentes niveles de metalización.
También se utiliza para depositar silicio amorfo con aplicaciones en células
solares.
CVD Fotoinducido “PCVD”
Los mecanismos de depósito que se siguen en foto-CVD
son básicamente de dos tipos:
1º.- Fotólisis mediante vapores de Hg excitados: consiste
en irradiar vapor de Hg con radiación ultravioleta (UV) de
longitud de onda de 2537 A y activar las especies
gaseosas por transferencia de energía mediante choques
2º.- Fotólisis directa: consiste en irradiar el gas situado
sobre el sustrato caliente con luz ultravioleta de una
determinada longitud de onda, las especies gaseosas
absorben la energía pasando a estados excitados y
llegando a romper la molécula, produciéndose el depósito.
Láser CVD (LCVD)
La utilización del láser para iniciar el depósito se basa en
tres mecanismos básicos:
1º.- Pirólisis: el láser calienta el sustrato localmente de forma que
los gases próximos a ese punto sufren una descomposición térmica.
2º.- Evaporación: el mecanismo es similar al de la pulverización
catódica. Sobre un “blanco” situado próximo al sustrato se hace
incidir un haz láser que arranca el material y este se deposita en
el sustrato (ver técnicas de depósito físicas “ablación láser”).
3º.- Fotólisis: es el más empleado en los procesos CVD inducidos
por láser. Las especies gaseosas absorben la radiación del láser,
pasando a estados excitados e incluso fragmentando la molécula en
radicales altamente reactivos
Fotólisis de reactantes: GeH4 , Si2H6 , C2H4 o mezcla de gases
Reactantes
Haz del Laser
Sustrato
Si2H6 :
 (193 nm) = 2·10-18 cm-2
GeH4 :
 (193 nm) = 3·10-20 cm-2
Capa en crecimiento
Si2H6 + h (193 nm)
Si2 H6 *
H3SiSiH + H2
H2SiSiH2
193 nm
GeH4 + h (193 nm)
GeH3 + H
Irradiación del sustrato (calentamiento local)
+ Fotólisis de reactantes GeH4 , Si2H6 , C2H4 o mezcla de gases
Reactantes
Sustrato
Haz del Laser
Capa en crecimiento
Zona
localizada y
caliente
Oxidación Térmica
Entre los métodos químicos de preparación de películas delgadas
encontramos la oxidación de materiales activada térmicamente. Así,
mediante este procedimiento es posible conseguir películas de óxido
del material que sirvan para una función específica.
La mayoría de los metales por el simple contacto con el oxígeno del
aire forman una capa de óxido en su superficie. A la temperatura
ambiente esta capa de óxido, denominada “natural” es de un espesor
muy pequeño, generalmente de decenas de angstrom. Esto es debido a
la elevada afinidad del oxígeno por la mayoría de los metales, que hace
que reacciones con ellos expontaneamente
Cuando se aumenta la temperatura aumenta la velocidad de reacción
alcanzándose películas de óxido relativamente gruesas.
En un gran número de casos, estas películas se desprenden en algunos
puntos de la superficie dando lugar a la formación de poros y grietas
y eventualmente a la formación de nuevas capas de óxido.
En otros casos, como el del óxido de Silicio, las películas
tienen una gran estabilidad y presentan unas excelentes
propiedades aislantes por lo que su uso en dispositivos de
microelectrónica esta muy extendido.
Estas películas no sólo se utilizan para aislar
eléctricamente dispositivos de microelectrónica muy
próximos entre si, sino también, dentro de un determinado
dispositivo, para aislar las diferentes capas conductoras
que se superponen sobre la superficie del dispositivo.
La oxidación térmica del SILICIO se suele realizar en un
reactor tubular de cuarzo que se calienta mediante un
horno externo hasta unos 1200ºC. La oxidación se realiza
haciendo pasar oxígeno puro o vapor de agua a través del
reactor durante un cierto tiempo, a la temperatura
deseada.
Esquema del sistema experimental
Horno
Gas:
O2, H2O
Termoparmedida de temperatura
Si
Tubo de cuarzo
Cinética de crecimiento:
La formación de dióxido de silicio ( SiO2 ), en la superficie
del silicio tiene lugar por acción del oxígeno o del agua que
reaccionan de manera suficientemente rápida a
temperaturas elevadas (700ºC- 1250ºC) de acuerdo con las
ecuaciones:
Oxidación seca
Si(s) + O2(g)
SiO2(s)
Oxidación húmeda
Si(s) + 2H2O(g)
SiO2(s) + 2H2 (g)
Se llaman al O2 y H2O especies oxidantes
Aplicaciones generales de las técnicas
Compound
Semiconductor
devices are used for the solar
panels and the RF transmitters
and
receivers
in
communications satelites.
(pictured is a DirecTV satelite by
Hughes Electronics).
Microwave Plasma Deposition
Planta industrial
Micrografia de una capa de Diamante
Aplicaciones térmicas de las capas de CVD
diamante:
Due to the combination of excellent thermal
conductivity and high electrical resistivity CVD
diamond is getting more and more attractive for
various
thermal
management
applications,
including
i. diamond heat-spreaders for the cooling of highpower electronic devices(laser diodes),
ii. diamond submounts for flip-chip bonding of
semiconductor
circuits,
and
iii. direct deposition of thin diamond films on
integrated circuits.
Optical Windows for high-power CO2 lasers
The broad-band optical transparency, high thermal
conductivity and hardness make diamond an ideal
choice for highly demanding window applications
such as high-power IR laser windows, high-power
microwave windows and durable windows for
aggressive environments
A thick diamond coating on a large
diameter tungsten wire core
In order to make devices, displays, sensors, etc.
The following SEM photos show examples of a patterned diamond film produced by
selective nucleation. The Si wafer was first coated on oxide, and then patterned using
standard photolithography and dry etching techniques to expose areas of Si. The wafer was
then abraded, and the oxide mask stripped off in HF. Subsequent CVD produced diamond
growth on the abraded areas preferentially over the unabraded areas. The resolution of this
method appears to be around 2-5 µm.
Micromecanizado por ablación láser en material
polímero (unidad de escala = 10 mm)
Microsismómetro desarrollado para
su utilización en Marte.
Higrómetro para una
microestación meteorologica
Audífono (izda) y
marcapasos (dcha)
cabezales de
lectura/escritura
en disco duro
Cabezal de impresión
de chorro de tinta
Descargar

Presentación de PowerPoint