Přednáška 8 Chemické metody a fyzikálně-chemické metody : princip CVD, metody dekompozice, PE CVD
CVD Chemical Vapor Deposition Je chemický proces používaný k vytváření tenkých vrstev. Substrát je vystaven proudu jednoho nebo více těkavých prekurzorů, které reagují a/nebo se rozkládaní na substrátu, kde vytváření produkty - vrstvu. Obvykle vznikají také těkavé odpady, které jsou tokem plynu odváděny z oblasti substrátu.
Idea depozice CVD Tok prekurzorů Tok odpadů Substrát na vhodné teplotě Pozor na pokles koncentrace prekurzorů při růstu vrstev, lze kompenzovat právě geometrií.
Rozdělení CVD podle pracovního tlaku Atmospheric pressure CVD (APCVD) Low-pressure CVD (LPCVD)
Rozdělení CVD podle zdroje par Aerosol assisted CVD (AACVD) Direct liquid injection CVD (DLICVD) Metalorganic (MOCVD) chemical vapor deposition
CVD s přídavnou aktivací par Microwave plasma-assisted CVD (MPCVD) Plasma-Enhanced CVD (PECVD) Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD)
Polykrystalický křemík SiH4 Si + 2H2 Silan spontánně hořlavý, dusivý plyn LPCVD Teplota substrátu 600 až 650 oc Tlak 25 až 150 Pa Rychlost růstu cca 10 až 20 nm/min Lze i přímo dopovat připouštěním vhodného plynu
Oxid křemičitý - SiO2 Více možností: SiH4 + O2 SiO2 + 2H2 při 300 až 500 C, LPCVD nebo APCVD SiCl2H2 + 2 N2O SiO2 + 2N2 + 2HCl, 900 C, LPCVD Si(OC2H5)4 SiO2 + odpad, 650 and 750 C, LPCVD, TEOS - Tetraethylorthosilicate Dopování fosforem např. pomocí 4 PH3 + 5O2 2P2O5 + 6H2
Reaktor pro LPCVD Topné elementy 140 až 1250 oc
CVF7000. Cluster-Type Thermal Processing Equipment. Koyo Thermo Systems
Oxid křemičitý - SiO2 Další možnosti: 3SiH4 + 6 N2O 3 SiO2 + 4NH3 + 4N2, PECVD Si(OC2H5)4 SiO2 + odpad, PECVD
PECVD
Depozice na napájené elektrodě
Triodový PECVD systém
Nitrid křemíku - SiN Opět více možností: 3SiH4 + 4NH3 Si3N4 + 12H2, LPCVD 3SiCl2H2 + 4 NH3 Si3N4 + 6HCl + 6H2, LPCVD Vrstvy mají vysoké vnitřní pnutí, proto praskají při tlouštkách nad 200 nm 16 Odpor cca 10 Ohm.cm
SiHN Jak snížit vnitřní pnutí v SiN? Pomocí SiNH SiNH má horší elektrické vlastnosti, ale menší vnitřní pnutí Použijme PECVD reakce 2SiH4 + N2 2SiNH + 3H2 SiH4 + NH3 SiNH + 3H2
Depozice TiN - CVD TiN - zlatá vrstva na nástrojích Historická metoda: TiCl4 jako prekurzor těkavá kapalina Páry získáme probubláváním Kde vezmeme dusík? Z NH3. Reakce probíhá dobře nad 600 oc Nižší teploty jen pomocí MOCVD.
Depozice W - CVD Wolfram pomocí hexafluoridu wolframu WF6 W + 3F2 WF6 + 3H2 W + 6HF při 300 až 800 C
Depozice kovů - CVD Nebo přímo na křemíkovým substrátu povrchu 2WF6 + 3Si 2W + 3SiF4 pod 400 oc WF6 + 3Si2 W + 3SiF2 nad 400 oc Pozor na rozdílnou spotřebu Si!
Depozice kovů - problémy Ne všechny kovy lze snadno deponovat pomocí CVD technik Problematické jsou hliník a měď
MOCVD pro TiN Prekurzory: tetrakis-(dimethylamido)titanium TDMAT tetrakis-(diethylamido)titanium TDEAT o Pracovní teplota 350 až 400 C Pozor reakce s NH3 je rychlá a musí proběhnout až v pracovní komoře!!
MOCVD pro TiN
MOCVD metalo-organika pro polovodičový průmysl
Růst GaN pomocí MOCVD
Doplněk - Transparentní vodiče ZnO, SnO2, In2O3, popř. se vrstvy dopují různými příměsmi pro zlepšení elektrických a optických vlastností, např. ZnO:Al, ZnO:In, SnO2:F, SnO2:Sb, In2O3:Te, In2O3:Sn Původně byly substráty pokrývány jednoduchými chemickými metodami. Jednoduchá metoda spray spočívá v rozprašování drobných kapiček, které chemicky reagují na horkém substrátu. Například: 2InCl3 + 3H2O In2O3 + 6HCl SnCl4 + 2H2O SnO2 + 4HCl Později se osvědčila i metoda PECVD: SnCl4 + 2H2O SnO2 + 4HCl
Rovnovážný stav Změna std. volné entalpie Reaktanty na + mb na + mb pc + rd DG Produkty pc + rd p r [C ] [ D] e n m [ A] [ B ] G RT [A] - rovnovážná molární koncentrace látky A
Gibbsova volná energie Pozor na reverzibilní procesy, takové kde DG blízká 0 Exotermní reakce DG < 0 Endotermní reakce DG > 0
Model selektivního růstu Si
Plazmová polymerace Monomer Glyme-2 (C6H14O3) RF power Chamber dimension:27x27x12cm Electrodes diameter:14cm Substrate holder Pump Gas inlet (Shower)
Jak připravit CFx Z CxFy prekurzoru pomocí CVD Magnetronovým naprašování z Cfx terče Nebo i jinak
PECVD pro CFx PACVD z C4F8 Vzorek na napájené elektrodě Vzorek byl před depozicí zdrsněn pomocí iontového bombardu Výsledný povrch odpuzuje vodu
Výsledný povrch CFx 3 -CF3 5W -1 Absorption (cm ) 10W 20W 2 30W -CF2 1 -CF 0 800 900 1000 1100 1200 1300-1 Wavenumber (cm ) 1400 1500
Literatura http://www.vakspol.cz/lsvt06/kolouch_lsvt06.pdf Wikipedie Lise-Marie Lacroix, Michael Lejeune, Laura Ceriotti, Martin Kormunda, Tarik Meziani, Pascal Colpo, Francois Rossi, Surface Science 592 (2005) 182 188