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Gás - Vapor / Ponto Crítico
Pressão de saturação de
vapor
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Modos de Armazenamento de Energia das Partículas
• Translacional• Rotacional• Vibracional• Eletrônica
2
2
1xtx
mv=ε
Energia de translação
Importantes em plasmas e deposição
ativada por fótons
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Cinética de Gases
• Distribuição de Maxwell-Boltzmann:– as moléculas estão continuamente colidindo entre si e com as
paredes do recipiente. Em regime:
(K) absoluta atemperaturT
/1.38x10Boltzmann de constantek
(kg)molecular massam
dc e velocidadde incremento um de dentro dN moléculas de lincrementa númerodN/dc
(m/s) molécula da velocidadec
ãodistribuiç na moléculas de totalnúmeroN :onde
2
1
exp2
4
23-
B
22
3
2
=
==
=
=
=
=
=
KJ
Tk
mc
Tk
mc
N
dcdN
BBπ
π
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Curva de Distribuição
M
RT
m
Tkc
M
RT
m
Tkc
B
B
33
88
2 ==
==
π
ππ
molecular) (pesomolar massa
Avogadro de número
gás do constante
==
=
==
A
A
AB
mNM
N
NkR
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Fluxo de Impingimento Molecular
xinvJ
2
1=
cnJi
4
1=
20
Gás Ideal
• Considerando colisões elásticas,
• A força num processo de colisão é proporcional ao fluxo de impingimento:
• Lembrando que
xmv2momento de Variação =
2
22
2
3
1/ Portanto,
3
1
)2(/
nmvAF
vv
nmvmvJAF
x
xxi
=
=
==
M
RT
m
Tkc
B332 ==
π
21
Lei do Gás Ideal
TkBt
2
3=ε
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Equação de Knudsen
• Devemos expressar o fluxo de impingimento em termos de quantidades macroscópicas.
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• É a distância média que uma partícula percorre num gás antes de se colidir com uma molécula do gás.
Caminho Livre Médio
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Exemplo
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Deposição por Feixes Energéticos
• São métodos não térmicos de energia direcionados aos processos.• Etapas:
– vaporização de um material fonte; – ativação do material fonte durante o transporte; – modificação da estrutura do filme durante a deposição
• A energia pode ser passada, transmitida por elétrons, fótons, ou íons (em geral, íons positivos)
• O diâmetro do feixe varia conforme a técnica. Dessa forma, seguindo a tabela 8.1, nota-se que as quatro primeiras técnicas (feixe de elétrons, arco catódico, arco anódico, laser pulsado) usam um feixe fino, enquanto sputtering usa feixe com diâmetro bem maior.
• Técnicas que usam feixe fino concentram mais a energia, sendo que o mecanismo de vaporização (geração do vapor) é térmico apesar da entrada de energia ser não térmica
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Vantagens
• qualquer material (mesmo refratários) pode ser vaporizado, tanto no caso do uso de feixes estreitos como em sputtering. Além disso, como o feixe édirigido, pode-se evitar a admissão de energia em partes vizinhas à fonte, resultando num evaporante mais puro.
• em sputtering e laser pulsado, a profundidade ativada do material fonte pode ser de apenas décimos de nm, resultando numa vaporização estequiométrica (congruente) de materiais multi-elementos.
• a energia adquirida pelo evaporante é muito maior nessas técnicas do que por evaporação convencional. Das técnicas deste capítulo, átomos termicamente evaporados adquirem energia extra após evaporação com a subsequente interação com o feixe energético já na fase vapor. Vapores ionizados podem adquirir energia extra pela aceleração com um campo elétrico (substrato negativo).
• Com relação a processos na superfície do substrato, a condensação de átomos energizados ou o bombardeamento de íons pode melhorar a aderência e a estrutura do filme.
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• Podem ser gerados por emissão de uma superfície ou por ionização de átomos de gás ou moléculas
• Emissão de superfícies:– o emissor é denominado catodo, e o coletor de elétrons é o anodo
– Para metais, a curva de distribuição de energia dos elétrons f(E)em função da energia potencial E tem o formato Fermi-Dirac na seguinte. A energia média está no nível de Fermi EF. A função de trabalho φW é a diferença entre EF e o nível de energia de um elétron livre no vácuo E0, ou seja, é a barreira para emissão de elétrons.
• Três maneiras para o elétron escapar: emissão termiônica; emissão de campo e emissão de potencial; fotoemissão ou emissão de elétron secundário.
Geração de Elétrons
)A(A e+→ +
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Emissão Termiônica
• elétrons com energia acima de E0. A densidade de corrente dos elétrons emitidos por unidade de área é dado pela equação de Richardson-Dushman eq. 8.1, semelhante à expressão de Arrhenius. a constante B e φW variam com a composição da superfície e com a topografia. Em geral usa-se tungstênio W como metal do emissor porque pode ser operado a temperaturas altas; entretanto, ele se pode se oxidar se for usado em ambientes com O2 ou outros gases reativos o que causa diminuição de φW , e nestes casos deve-se escolher um metal menos reativo.
• Entretanto, a eq. 8.1 só vale para campos elétricos E=-dV/dx altos aplicados durante a emissão termiônica. Se o campo E não for suficientemente alto, elétrons vão se empilhar na superfície e produzir um região de cargas negativas, limitando a corrente.
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Fotoemissão e elétrons secundários
2eAeA +→+ +
Rendimento:
)2-E78.0(032.0Y Wie φ≈
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Wet X Dry Etching
• Wet Etching (corrosão por via úmida) foi muito utilizado na indústria de semicondutores nos anos 1970 e 1980.– Fatores limitantes:
• na corrosão de metais e óxidos o processo é isotrópico, ou seja, a corrosão das laterais é da mesma ordem da vertical,
• em geral, deve-se passar por vários banhos com diferentes reagentes. O tempo de troca de banho alonga o tempo total de fabricação, encarecendo o produto,
• o processo oferece riscos à saúde dos funcionários
– Atualmente, é usado na limpeza de wafers e remoção de finas camadas de óxido na preparação de wafers.
• Dry Etching (corrosão a seco) é o processo dominante na indústria de semicondutores atualmente. Muito utilizado desde o final dos anos 1980.– boa seletividade– resulta em baixa contaminação– agiliza o processamento
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Wet Etching
• Deve-se controlar:– temperatura do banho,– contaminação (fazer filtragem)– tempo de imersão– composição do reagente
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• Corrosão com difluoreto de xenônio
Dry Etching com Vapor (1)
42 SiF2XeSi2XeF +→+
•inicialmente, o sólido XeF2 é sublimado em
vácuo de 1Torr, a temperatura ambiente
•é uma corrosão isotrópica
•altas taxas (1 a 3 µm/min)
•não necessita equipamentos sofisticados e caros
•praticamente não ataca máscaras de fotoresiste,
SiO2 (oxidação térmica), PSG (silício amorfo
dopado com boro), Al, Au
•desvantagem: a superfície fica rugosa
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• Corrosão com interhalogênios– BrF3
– análogo ao anterior (XeF2), mas não deixa rugosidades– máscaras: LPCVD SiO2, nitreto de silício, alguns fotoresistes, Al,
Au, Cu, Ni
Dry Etching com Vapor (2)
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Dry Etching com Vapor (3)
• Corrosão ativada por Laser – conhecida como LACE– atmosfera de Cl2– máscara SiO2– não é muito rápido– pode ser usada para fabricar estruturas complexas, mas não
suspensas
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Dry EtchingProcessos com Plasma
Pressão
Alta
Baixa
Energia
dos íons
Alta
BaixaProcesso a
plasma
químico
Processo a
plasma
físico
Processo
balanceado
Sputter
etching
Reactive ion
etching
Plasma
etching
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Dry EtchingResultados no Wafer
Sputter
etching
Reactive
ion etching
Plasma
etching
Seletividade
Alta
Baixa
Danos
potenciais
Alto
Baixo
Anisotropia
Alta
Baixa
(Físico)
(Químico)
Strip isotrópico
Strip de
fotoresistes;
corrosão de
metais e silício
policristalino
Corrosão de
dielétricos
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Dry Etching com Plasma
• A maioria dos processos usa radicais livres de fluor para corroer o silício, formando SiF4 (volátil)
• SF6 é usado com frequência
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Reactive Ion Etching (RIE)
• Nesse método, energia do plasma (RF) é utilizada para ativar as reações químicas
• Pode ser realizado a temperatura ambiente ou até poucas centenas de °C
• Pode ser etching isotrópico ou anisotrópico• Reagentes comuns são clorofluorcarbonetos, brometos,
SF6,
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53
Comparação Entre Reagentes para Corrosão de Volume de
Silício
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Deposição por Métodos Químicos:CVD
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Eletrodeposição
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• Os resultados das investigações de Faraday sobre o fenômeno da eletrólise podem ser resumidos em suas duas leis para a eletrólise.
• 1) A quantidade de produto primário formado num eletrodo pela eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa pela solução.
• Onde F=96500 C. O número de moles do material depositado éobtido pela razão entre o peso do material depositado P, e seu peso atômico, A, ou seja:
• O Faraday é, portanto, por definição, a carga necessária para se depositar um equivalente eletroquímico de um material, ou seja, .
mnfIdtQ =∫=
A
Pm =
en
m =
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• O equivalente eletroquímico e, é usualmente expresso em miligramas ou em gramas por Ampére por hora (g/Ah) . A quantidade de energia é, normalmente, medida em Ah e o Faraday é igual a 26,8 Ah.
• As quantidades de diferentes produtos primários formados num eletrodo pela mesma quantidade de eletricidade são proporcionais a suas massas moleculares relativas, ou massas atômicas relativas, divididas pela variação de seu número de oxidação durante o processo eletrolítico.
70