Deposición química de vapor

El plasma de DC (violeta) aumenta el creiximent dels nanotubos de carbono en un aparat a escala de laboratori PECVD

La Deposición Química de Vapor o CVD (de les seues sigles en anglés Chemical Vapor Deposition) és un procés químic utilisat per a produir productes d'alta purea i d'alt rendiment de materials sòlits. El procés s'utilisa a sovint en l'indústria de semiconductors per a produir películes primes. En un procés CVD estàndart el substrat (oblea) s'expon a un o més precursors volàtils, que reaccionen o es descomponen en la superfície del substrat per a produir el depòsit desijat. En freqüència, també es produïxen subproductes volàtils, que són eliminats per mig d'un fluix de gas que passa a través de la cambra de reacció.

Els processos de microfabricación CVD s'ampren àmpliament per a depositar materials en diverses formes, incloent: monocristalino, policristalino, amorfo, i epitaxial. Estos materials inclouen: silici, fibra de carbono, nanofibras de carbono, filaments, nanotubos de carbono, SiO₂, silici-germani, tungsteno, carbur de silici, nitrur de silici, oxinitruro de silici, nitrur de titani, i diversos dielèctrics d'alta permitividad elèctrica. El procés de CVD s'utilisa també per a produir diamants sintètics.

Processos

Reactor tèrmic de CVD denominat de "parets calentes" (Per les seues característiques operatives)

Existixen numerosos processos, depenent del camp d'aplicació. Estos processos es diferencien en el mig pel que s'inicien les reaccions químiques (per eixemple, procés d'activació) i les condicions del procés.

• Classificada per la pressió de funcionament:
  • A pressió atmosfèrica ECV (APCVD) - processos de CVD a pressió atmosfèrica.
  • CVD de baixa pressió (LPCVD) -. processos CVD a pressions subatmosféricas pressions reduïdes tendixen a reduir reaccions no desijats en fase gaseosa i millorar l'uniformitat de la película sobre la oblea. Els processos CVD més moderns són ben LPCVD o UHVCVD.
  • Ultra buit, CVD (UHVCVD) - els processos CVD a una pressió molt baixa, per lo general per baix de 10^-6 Pa ( 10^-8 torr ). Tinga en conte que en atres camps, la divisió inferior entre l'alt i ultra alt buit, és a sovint 10^-7 Pa.

• Classificada per les característiques físiques de vapor:
  • Aerosol CVD assistida (AACVD) - Un procediment de CVD en la que els precursors són transportats al substrat per mig d'un aerosol líquit/gas, que pot ser generat per ultrasòs. Esta tècnica és adequada per al seu us en precursors no volàtils.
  • Injecció directa de líquit CVD (DLICVD) - Un procediment de CVD en la que els precursors es troben en forma líquida (líquit o sòlit dissolt en un dissolvent convenient). Les solucions líquides s'injecten en la cambra de vaporisació per mig d'injectors (per lo general injectors d'automòvils). A continuació, els vapors precursors són transportats al substrat com en clàssic procediment de CVD. Esta tècnica és adequada per al seu us en precursors líquits o sòlits. Altes taxes de creiximent es pot alcançar en esta tècnica.

CVD assistit en Plasma

• Métodos en Plasma (vore també el processament de plasma ):
  • Microones assistida per plasma CVD (MPCVD)

• • Millorada per plasma CVD (PECVD) - processos que utilisen CVD de plasma. per a millorar la taxa de reacció química dels precursors processament PECVD permet la deposición a temperatures més baixes, lo que és a sovint crític en la fabricació de semiconductors.
  • Remot millorada per plasma CVD (RPECVD) - Similar a PECVD excepto que el substrat (oblea) no està directament en la regió de descàrrega de plasma. La separació de la oblea de la regió del plasma permet processar menors temperatures fins a la temperatura ambiente.

• ECV de capa Atòmica ( ALCVD ) - Depòsits de les capes successives de diferents substàncies per a produir capes, cristalines películes. Vore epitaxia de capes atòmiques.
• Deposición de combustió de vapor químic (CCVD) - propietària nGimat de combustió química procés de deposición de vapor és un ambient obert, basat en la tècnica de flama per al depòsit d'alta calitat les películes primes i els nanomateriales.
• CVD d'aram calent (HWCVD) - també coneguda com CVD catalisador (Cat-CVD) o CVD de filament calent (HFCVD). Utilisa un filament calent per a descompondre químicament els gasos primaris.
• Deposición de vapor per mig de processos químics organometálicos (MOCVD) - processos CVD basat en precursors organometálicos.
• Híbrit físic-deposición de vapor químic (HPCVD) - processos de deposición de vapor que involucren tant la descomposició química del gas precursor com la vaporisació d'una font sòlida.
• Ràpit CVD tèrmic (RTCVD) - processos de CVD que utilisen llànties de calefacció o atres métodos per a calfar ràpidament el substrat de la oblea. Calfar només el substrat en lloc de les parets de gas o cambra ajuda a reduir les reaccions en fase de gas no desijades que poden conduir a la formació de partícules.
• Vapor de epitaxia en fase (VPE)
• Deposición de vapor assistida per eyección electroestática (ESAVD)

Usos

Circuits integrats

Varis processos CVD s'utilisen en els circuits integrats (ICs). Materials específics es depositen millor en condicions específiques.

Polisilicio

El silici policristalino es deposita a partir de silano (SiH₄), segons la següent reacció:

SiH₄ → Si + 2 H₂

Esta reacció es realisa generalment en sistemes de LPCVD, ya siga en matèria primera pura silano, o una solució de silano en 70-80% de nitrogen. Les temperatures entre 600 i 650 °C i pressions entre 25 i 150 Pa produir una taxa de creiximent entre 10 i 20 nm per minut. Un procés alternatiu utilisa un basat en solucions d'hidrogen. L'hidrogen reduïx la taxa de creiximent, pero la temperatura s'eleva a 850 o inclús 1050 °C per a compensar.

El polisilicio pot créixer directament en dopage, si s'afigen gasos tals com fosfina, arsina o diborano a la cambra de CVD. El diborano aumenta la taxa de creiximent, pero la arsina i la fosfina ho reduïxen.

Diòxit de silici

El diòxit de silici (normalment cridat simplement "òxit" en l'indústria de semiconductors) es poden depositar per varis processos diferents. Els gasos d'orige més comuns inclouen silano i oxigen, diclorosilano (SiCl₂ H₂ ) i òxit nitroso (N₂O), o tetraetilortosilicato (TEOS; Si (OC₂H₅)₄ ). Les reaccions són les següents:

SiH₄ + O₂ → SiO₂ + 2 H₂

SiCl₂H₂ + 2 N₂O → SiO₂ + 2 N₂ + 2 HCl

Si (OC₂H₅ )₄ → SiO₂ + subproductes

L'elecció de la font de gas depén l'estabilitat tèrmica del substrat, per eixemple, d'alumini és sensible a la temperatura elevada. Depòsits silano entre 300 i 500 °C, diclorosilano al voltant dels 900 °C, i TEOS entre 650 i 750 °C, resultant una capa d'òxit de baixa temperatura (LTO). No obstant, silano produïx un òxit de menor calitat que els atres métodos (inferior resistència dielèctrica, per eixemple), i es deposita no conformement. Qualsevol d'estes reaccions poden ser utilisats en LPCVD, pero la reacció de silano es realisa també en APCVD. ECV òxit invariablement té menor calitat que l'òxit tèrmic, pero l'oxidació tèrmica només es pot utilisar en les primeres etapes de fabricació de CI.

Òxit també poden cultivar-se en impurees (aleació o "dopage"). Açò pot tindre dos propòsits. Durant les etapes del procés, ademés, que es produïxen a alta temperatura, les impurees poden difondre's des de l'òxit de les capes adjacents (especialment silici) i la dopar-les. Els òxits que contenen impurees 5-15% en massa a sovint s'utilisen en este propòsit. Ademés, el diòxit de silici aleado en pentóxido de fòsfor ("P-vidre") es pot utilisar per a suavisar superfícies irregulars. P-vidre s'ablanix i fluïx a temperatures superiors a 1000 °C. Este procés requerix una concentració de fòsfor d'a lo manco 6%, pero concentracions per damunt de 8% pot corroer l'alumini. El fòsfor es deposita a partir de gas de fosfina i oxigen:

4 PH₃ + 5 O₂ → 2 P₂ O₅ + 6 H₂

Els vidres que contenen tant bor com a fòsfor (vidre de borofosfosilicato, BPSG) se someten a fluix viscós a temperatures més baixes; al voltant de 850 °C és alcanzable en els vidres que contenen al voltant de 5% en pes d'abdós components, pero l'estabilitat en l'aire pot ser difícil de conseguir.L'òxit de fòsfor en altes concentracions interactua en la humitat ambiental per a produir àcit fosfórico. Els cristals de BPO₄ també pot precipitar a partir del vidre que fluïx en el refredat; estos cristals no són fàcilment gravat en els plasmes estàndart reactius utilisats per als òxits de patró, i donarà lloc a defectes en la fabricació de circuits de circuit integrat.

Ademés d'estes impurees intencionals, òxit de CVD pot contindre subproductes del procés de deposición. TEOS produïx un òxit relativament pur, mentres que el silano introduïx impurees d'hidrogen, i el diclorosilano introduïx clor.

També s'ha explorat la deposición a baixa temperatura (350 a 500 °C) de diòxit de silici i vidres a partir de TEOS dopat en ozon en lloc d'oxigen. Els vidres d'ozon tenen una conformalidad excelent, pero tendixen a ser higroscòpics - és dir, absorbixen aigua de l'aire per l'incorporació de silanol (Si-OH) en el cristal. L'espectroscòpia infrarroja i la tensió mecànica en funció de la temperatura són valioses ferramentes per a diagnosticar tals problemes.

Nitrur de silici

El nitrur de silici s'utilisa a sovint com una barrera aïllant i químiques en la fabricació de circuits integrats. Les dos següents reaccions de fase gaseosa depositen nitrur:

3 SiH₄ + 4 NH₃ → Si₃ N ₄ + 12 H ₂

3 SiCl₂ H₂ + 4 NH₃ → Si₃ N ₄ + 6 HCl + 6 H ₂

El nitrur de silici depositat per LPCVD conté fins a 8% d'hidrogen. També experimenta un fort estrés de tracció, que pot badar-se películes més grosses de 200 nm. No obstant, té major resistividad i resistència dielèctrica que la majoria dels aisladores comunament disponibles en microfabricación (10 16 Ω $ cm i 10 M V / cm, respectivament).

Atres dos reaccions poden utilizazse en el plasma per a depositar SENOH:

2 SiH₄ + N₂ → 2 SiNH + 3 H₂

SiH₄ + NH₃ → SiNH + 3 H₂

Estes películes tenen molt manco estrés a la tracció, pero pijors propietats elèctriques (resistividad 10⁶ 10¹⁵ w · cm, i la força dielèctrica 1 a 5 MV / cm).

Metals

Alguns metals (significativament l'alumini i el coure ) rara volta, o mai, es depositen per mig de CVD. En 2010 no existia, un procés CVD comercialment viables per al coure, a pesar de que s'havien provat formiato de coure, coure (HFAC) 2, Cu (II) acetoacetato d'etil, i atres precursors. La deposición de coure metàlic es realisa principalment per galvanoplàstia, en la finalitat de reduir cost. L'alumini pot ser depositat a partir de tri- isobutil alumini (TIBAL), tri etil / alumini de metilo (TEA, TMA), o hidrur de dimetilaluminio (DMAH), pero generalment es preferixen els métodos de deposición física de vapor.

No obstant, els processos de CVD s'utilisen àmpliament en el molibdeno, tantalio, titani, níquel, wolframio. Estos metals poden formar útils siliciuros quan es depositen sobre el silici. Mo, Ta i Tu es depositen per LPCVD, des dels seus pentacloratos. Níquel, molibdeno i wolframio es poden depositar a baixes temperatures dels seus precursors de carbonilo. En general, per a un metal arbitrari M, la reacció és com seguix:

2 MCI₅ + 5 H₂ → 2 M + 10 HCl

La font habitual de wolframio és el hexafluoruro de wolframio, que pot ser depositat de dos formes:

WF₆ → W + 3 H₂

WF₆ + 3 H₂ → W + 6 HF

Diamants

Gema tallada d'un diamant incoloro realisat per mig de deposición química de vapor

Es pot amprar CVD per a produir diamants sintètics per mig de la creació de les circumstàncies necessàries per a que els àtoms de carbono d'un gas s'asentir sobre un substrat en forma cristalina.

El CVD de diamants rep una gran atenció en les ciències de materials, ya que permet moltes aplicacions noves del diamant que s'havien considerat massa difícils de fer econòmicament. El creiximent ECV del diamant es produïx normalment en condicions de baixa pressió (1-27 kPa; 0.145-3.926 psi; 7.5-203 Torr ) i implica l'alimentació de cantitats variables de gasos en una cambra, energizando ells i proporcionar condicions per al creiximent de diamants sobre el substrat. Els gasos sempre inclouen una font de carbono, i inclouen també normalment hidrogen, encara que les cantitats utilisades varien molt depenent del tipo de diamant que es cultiven. Les fonts d'energia inclouen filament calent, microones, i descàrregues d'arc, entre unes atres. La font d'energia està destinat a generar un plasma en el que els gasos es descomponen i produïxen químiques més complexes. El procés químic real del creiximent del diamant està encara baix estudi i es complica per la molt àmplia varietat de processos de creiximents de diamant utilisat.

Les ventages de creiximent del diamant per mig de CVD inclouen la capacitat de fer créixer diamants en grans àrees, la capacitat de créixer sobre un substrat, i el control sobre les propietats del diamant produït. En el passat, quan es varen utilisar tècniques d'alta pressió i alta temperatura (HPHT) per a produir diamants, els diamants eren típicament diamants lliures molt chicotetes permanents de diferents tamanys. S'han conseguit àrees de creiximent de diamant CVD de més de quinze centímetros de diàmetro i és provable zones molt més grans en el futur. La millora d'esta capacitat és clau per a permetre vàries aplicacions importants.

La capacitat de fer créixer diamants directament sobre un substrat és important perque permet l'adició de moltes de les qualitats del diamant a atres materials. Ya que el diamant té la conductivitat tèrmica més alta de qualsevol material a granel, capes de diamant en l'electrònica de calor d'alta producció (tal com l'òptica i transistors) permet que el diamant per a ser utilisat com un disipador de calor. Es formen películes de diamant en la vàlvula d'anells, ferramentes de brot i atres objectes que es beneficien de la durea del diamant i el seu molt baixa taxa de desgast. En cada cas el creiximent del diamant deu fer-se cuidadosadament per a conseguir l'adheriment necessari sobre el substrat. La molt elevada resistència del diamant al rayado, la seua conductivitat tèrmica, combinada en un menor coeficient d'expansió tèrmica que el vidre Pyrex, un coeficient de fricció pròxim al de teflón ( politetrafluoroetileno) i una forta lipofilia faria un revestiment antiadherente casi ideal per a utensilis de cuina si es poden recobrir econòmicament gran àrees de substrat.

L'atribut més important del creiximent ECV del diamant és la capacitat de controlar les propietats del diamant produït. En l'àrea de creiximent de diamant de la paraula "diamant" s'utilisa com una descripció de qualsevol material compost principalment de carbono enllaçat SP3, i hi ha molts tipos diferents de diamant inclosos en esta. Per mig de la regulació de la transformació paràmetros, especialment els gasos introduïts, pero incloent també la pressió es fa funcionar el sistema baix, la temperatura del diamant, i el método de generació de plasma pot realisar-se molts materials diferents que poden ser considerats diamant. Diamant de cristal únic pot fer que conté diversos dopantes. Poden formar-se diamants policristalinos que consistix en tamanys de gra de varis nanómetros a varis micrómetros. Alguns grans de diamant policristalino estan rodejats de fina i no de diamants de carbono, mentres que uns atres no ho són. Estos factors afecten a la durea del diamant, suavitat, conductivitat, propietats òptiques i molt més.