APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEL PLASMA

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1 APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEL PLASMA Caratteristiche che rendono il plasma utile per applicazioni industriali: ² È caratterizzato da un ampio range di densità di potenza/energia (plasmi termici in archi a CC o torce al plasma induttive a RF con densità di potenza W/cm 3, scarica a corona e a luminescenza con densità di potenza W/cm 3 ). ² Produce specie attive in numero elevato, di molteplici tipi, con energie superiori a quelle prodotte in reattori chimici convenzionali. 1 APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEL PLASMA Caratteristiche e Processi Tecnologici: Processi ad elevate densità di potenza: ² fusione od evaporazione di materiali solidi ² Saldatura ² forni ad arco ² processamento ad elevate temperature di materiali Processi ad elevato numero di specie attive, di molteplici tipi e di elevate energie: ² trattamento superficiale dei materiali ² chimica del plasma 2 1

2 Reattori per il trattamento di superfici Parametri tipici: ² Densità di potenza: scariche a corona: P ~ 10-3 W/cm 3, scariche a bagliore : P ~ W/cm 3., scariche ad arco: P ~ W/cm 3 (possibili danni al materiale). ² Frequenza: cc o RF (~ 10 MHz); ² Tensione: 0.01 kv per s. corona, 5-20 kv s. bagliore; ² Gas: vari, ad esempio aria a pressione atmosferica (produce ozono o NO x ), oppure N, A, NO x, He. ² Tempo di esposizione: ms - min. ² Temperature: range critico di reazione. 3 Specie Attive ² Fotoni (infrarosso: ε < 1.6 ev - poco efficaci; visibile: 1.6 < ε < 3.3 ev - rompono legami mol., eccitano; UV: 3.3 < ε < 95 ev - scindono lunghe molecole di idrocarburi, ionizzano ed eccitano). ² Neutri Radicali liberi (particelle ad energia elevata, chimicamente attive - atomi: O, H, F, Cl, ecc.; monomeri e frammenti molecolari: CH 2, ecc.. Possono produrre una notevole quantità di reazioni chimiche e processi energetici). ² Particelle cariche (elettroni, ioni positivi e ioni negativi che possono essere accelerati da campi EM): elettroni e ioni accelerati dal campo elettrico, elettroni trasmettono per urto quantità di moto ed energia molto minore degli ioni. 4 2

3 Specie Attive Incisione Superficiale (Plasma Etching): Incisione di una superficie di SiO 2 utilizzando un fascio di ioni argon a 450 ev e corrente di 2,5 ma su una superficie di 0,1 cm 2 in atmosfera di bifluoruro di Xe (XeF 2 ). 5 APPLICAZIONI INDUSTRIALI TRATTAMENTO DI SUPERFICI ² Pulizia e degassaggio e cambiamento di caratteristiche superficiali (idroassorbenza/ idrorepellenza, conducibilità elettrica superficiale, coesione/adesione, ecc.) ² Trattamento di solidi con impianto di ioni (drogaggio, resistenza meccanica) ² Deposizione di strati sottili con plasma (microelettronica ed altro) ² Incisione a plasma (plasma etching) per la microelettronica 6 3

4 Plasma Cleaning (Pulizia della Superficie a Plasma) ² Degassaggio: sulla superficie aderiscono qualche centinaia monostrati del gas a cui la superficie è stata esposta. Gli strati più vicini alla superficie sono legati da energie di circa 4-5 ev.; risulta molto difficile rimuovere tali strati chimicamente o riscaldando, richiedendosi temperature superiori alle temperature di fusione del materiale. Si richiedono invece quantità ridotte di energia indirizzata solo agli strati superficiali. Ciò quindi è ottenuto con bombardamento di particelle ad elevata energia. ² La rimozione di sottili strati di idrocarburi ed olii si può ottenere con plasmi di ossigeno a bassa pressione; 7 Sterilizzazione a Plasma Curva di sopravvivenza per Micro-organismi esposti a una scarica a bagliore ad 1 atm. 8 4

5 Plasma Etching per la Microelettronica Nel 1947 J. Bardeen e W.H. Brattain (Bell lab.) hanno inventato il transistor (A). Nel 1958 il primo chip, dispositivo microelettronico che contiene più elementi allo stato solido, è stato realizzato J. St. Clair Kilby (B, B ). Nel 1961 il primo chip viene prodotto completamente monolitico (C). La realizzazione di circuiti monolitici a più componenti (circuiti integrati), ha permesso di ridurre le dimensioni di ciascun elemento. Ciò ha portato al rapido progredire della tecnologia di produzione dei chip. A B B C 9 Dimensioni Caratteristiche nella Microelettronica Dimensioni Elemento Microns, µ Amstrongs, Å Polvere Batterio Strato per circuito microelettronico Dimensione di un circuito con grande configurazione (regole di progetto) Dimensione di un circuito con piccola configurazione (regole di progetto) Lunghezza d onda del visibile Monostrato <111> di Silicio Diametro dell atomo dell Argon Diametro dell atomo dell Ossigeno La dimensione di progetto o regola di progetto (design rule) d è la dimensione tipica del più piccolo elemento elettronico attivo (nel caso di figura d ~ 0,5 µm). 10 5

6 Sviluppo della Tecnologia La produzione dei chip è stata dapprima basata sull incisione con bagno chimico (wet chemical etching). Nei primi anni 70 ha preso piede nell industria l incisione del silicio realizzata per mezzo di plasmi da scariche RF a bassa pressione (dry plasma etching). Quando nei primi anni 80 le dimensioni del componente hanno raggiunto i 2 m il plasma etching ha quasi completamente sostituito l etching chimico. 11 Plasma etching Il principio fisico Incisione di una superficie di SiO 2 utilizzado un fascio di ioni argon a 450 ev e corrente di 2,5 ma su una superficie di 0,1 cm 2 in atmosfera di bifluoruro di Xe (XeF 2 ). 12 6

7 Etching chimico ed Etching a plasma Incisione in bagno chimico: l incisione dello strato è ottenuto isotropicamente: lo strato di materiale asportato orizzontalmente sotto alla maschera è lo stesso asportato verticalmente. Perciò le dimensioni orizzontali minime della maschera debbono essere almeno due volte la dimensione dello strato da asportare. Incisione con plasma a secco: l etching anisotropo ottenuto con tecniche a plasma (scarica a bagliore RF che interagisce con gas inerte CF 4, p < 1 torr). La CF 4 è scomposta in CF 3 ed F che attaccano il silicio producendo SiF 4 volatile. Tale attacco è anisotropo e selettivo (viene attaccato chimicamente solo lo strato che si intende incidere e non la maschera ed il substrato. 13 L Incisione di Chip con Tecnologia a Plasma Il plasma etching utilizza gas molecolare relativamente inerte (tetrafluoruro di carbonio CF 4 ). Tale gas viene fatto interagire col plasma di una scarica a bagliore RF in modo da produrre specie attive in grado di reagire chimicamente con lo strato da incidere. La molecola CF 4 viene dissociata in F e CF 3, entrambe chimicamente molto reattivi col silicio. I prodotti di reazione (SiF 4 ) devono essere volatili affinchè possano lasciare il canale di incisione ed essere pompati via dal sistema da vuoto. Il gas neutro CF 4 non reagisce chimicamente col silicio e non attacca le pareti laterali del canale di incisione. L interazione è facilitata dagli urti con le particelle portatrici di energia (ioni, elettroni e fotoni) e promotrici delle reazioni superficiali. Questo meccanismo garantisce l etching direzionale. 14 7

8 Vantaggi e Svantaggi del Plasma Etching L incisione con bagno chimico ha prodotto depositi di fluidi per l incisione chimica di notevole grado inquinante, che richiedono bonifica. Solamente nella Silicon Valley vi sono più di 150 siti tossici di rifiuti provenienti da etching chimico. La bonifica di un sito IBM (il deposito sotterraneo di San Jose) è valutata a più di $ Vantaggi del etching a plasma : È altamente direzionale. E un processo pulito con produzione di scorie molto ridotta. Richiede un consumo di agenti chimici molto ridotto. Ha come fattore limitante la tecnologia delle maschere e non la tecnologia di incisione. - Svantaggi del etching a plasma: Richiede sistemi da vuoto realizzati in materiali chimicamente resistenti. Per dimensioni del µ si richiedono pressioni di torr; per dimensioni inferiori al µ si deve passare a pressioni inferiori a 10 mtorr. Si richiede quindi una tecnologia del vuoto maggiormente sofisticata. 15 Etching Anisotropo Etching assisito da plasma (plasma etching): Il plasma viene utilizzato per produrre gli ioni e/o le altre particelle attive (elettroni, fotoni). Non viene utilizzato un fascio di ioni di una sorgente esterna. Gli ioni del plasma sono accelerati nella guaina da Volts ad energie di ev. L energia degli ioni non deve superare i 50 ev per non danneggiare la superfice. Etching catalizzato da un fascio elettronico: Un fascio elettronico a 1500 ev per I = 45 ma catalizza reazioni fra gas XeF 2 e SiO 2, incidendo l ossido di silicio (200 Å/min.). Non vi è incisione senza XeF 2 con il solo fascio elettronico. Etching catalizzato da un fascio di fotoni: Un fascio di fotoni, prodotti da un laser può produrre etching. Non vi è molta differenza fra etching catalizzato da ioni, elettroni o da un fascio laser. 16 8

9 Bombardamento Superficiale Le interazioni con particelle energetiche attive coinvolgono più stati della materia e danno luogo ai seguenti processi: Emissione elettronica secondaria: il bombardamento di una superficie con specie attive del plasma, possono provocare l emissione di elettroni; Sputtering: ioni o neutri colpisco atomi della superficie e li distaccano dalla superficie solida; Erosione: uno sputtering massiccio asporta uno strato superficiale consistente; Rilascio per interazione plasma-parete (plasma cleaning): strati adesi alla superficie sono asportati per bombardamento delle specie attive. 17 Plasma Sputtering Lo sputtering consiste nel rilascio di atomi della superficie a causa di bombardamento ionico (l effetto cumulativo dello sputtering, che porti alla rimozione di un consistente strato superficiale, determina erosione superficiale). Gli elettroni, a causa della loro piccola massa massa, ed i neutri, poiché non sono sufficientemente energetici, non danno luogo a sputtering consistente nelle applicazioni di interesse industriale. Per lo sputtering vengono utilizzati ioni energetici, accelerati da differenze di potenziale elettrico. Il coefficiente di sputterig o resa di sputtering è definito da γ = numero di atomi emessi numero di particelle incidenti γ dipende da: E i, A i, Z i (energia, peso atomico e numero atomico) della particella incidente, angolo di incidenza, peso atomico delle particelle della superficie, sua natura cristallina. 18 9

10 Plasma Sputtering Tipica dipendenza della resa di sputtering dall energia dello ione incidente. Resa di sputtering in funzione dell energia di ioni di idrogeno, deuterio, elio, nikel su superficie di nickel. 19 Erosione L effetto cumulativo dello sputtering, che porta alla rimozione di un consistente strato superficiale, determina l erosione. L erosione per processi industriali è realizzata con ioni. Flusso di sputtering: Γ s = γ Γ i = γ J i /e [Atomi rilasciati/(m 2 s)] Velocità di erosione: v e = Γ s /n w = γ Γ i /n w = γ J i /(en w ) [m/s] (n w densità di particelle della parete) Tempo per erodere lo strato spesso L: T = L/(3600 v e ) [ore] 20 10

11 Impianto di ioni Consiste nel bombardare superfici solide con ioni di energie sufficienti ( kev) da penetrare nella struttura atomica del materiale e fermarsi molti strati atomici sotto alla superficie. Alcuni ioni percorrono lunghe traiettorie canalizzate nella struttura cristallina del solido attraversandola (solitamente si vogliono evitare traiettorie canalizzate). La maggior parte degli ioni sono schetterati immediatamente sotto la superficie e percorrono traiettorie non canalizzate. Solitamente si vuole evitare sputtering o per lo meno si vuole evitare che il materiale rilasciato sia di entità maggiore di quello impiantato. 21 Impianto di ioni Canalizzazione delle traiettorie 22 11

12 Impianto di ioni Metodi per evitare la canalizzazione 23 Impianto di ioni Schema reticolo Le dimensioni del canale sono indicate dalla linea tratteggiata. La figura mostra anche le dimensioni caratteristiche di alcuni ioni

13 Impianto di ioni - Applicazioni Ø Ø Ø Ø Ø Drogaggio dei semiconduttori nella microelettronica (prima applicazione di largo uso); Incremento della durezza dei metalli; Incremento della resistenza all usura (metalli e ceramici nell industria aerospaziali e nell industria medicale); Incremento di resistenza alla corrosione; Cambiamento delle proprietà elettriche ed ottiche superficiali. 25 Impianto di ioni Proprietà Dose: /cm 2 inibisce la corrosione; /cm 2 aumenta la durezza e la resistenza all usura. Energie degli ioni: kev Profondità d impianto: µ inibisce la corrosione; - 1 µ aumenta la durezza e la resistenza all usura. Fig Ø L impianto di carbonio ed azoto aumenta la resistenza alla corrosione, la durezza e l usura. Per l usura sarebbero necessarie profondità di impianto di 2 µ che si ottiene con energie di circa 1 MeV (energie difficili da ottenere). In realtà sono sufficienti ev con cui si ottengono profondità d impianto di circa 0.1 µ.. Gli ioni infatti, durante l usura, migrano verso strati più interni. 13

14 Deposito di Film Sottili APPLICAZIONI Ø Ricopertura del vetro per variare la riflessione. Ø Per le caratteristiche ornamentali e di adesione nella plastica alimentare. Ø Per il processo di stratificazione in circuiti microelettronici multistrato. 27 Deposito di Film Sottili - Microelettronica Processi di ricoprimento Ricopertura conforme: ottenuta tramite il trasporto dopo il deposito dietro la spinta delle forze di tensione superficiale. Ricopertura unidirezionale: ottenuta per mezzo di un fascio ionico. Ricopertura isotropica: ottenuta anche con semplice deposito di un gas: tan θ = w/h 28 14

15 Deposito di di Film Sottili - - Microelettronica Foto al microscopio elettronico di un deposito eseguito per mezzo di un plasma di SiO x (a) e SiN x (b), il primo a 200 centigradi, il secondo a 330. In (c) è rappresentato un risultato teorico. 29 Schema di circuito integrato Struttura a strati Fig

16 Schema di circuito CMS Fig Schema di sezione di un circuito CMS che mostra due strati connessi tramite la giunzione Via. 31 Schema di circuito a 5 strati La dimensione di progetto (o regola di progetto) d è la dimensione tipica del più piccolo elemento elettronico attivo. La tecnologia attuale è caratterizzata da una dimensione minima d = 0.12 µ e circuiti integrati con almeno 5 strati metallici. Fig Scansione con microscopio elettronico (SEM) di un circuito a cinque strati metallici (M1-M5) con giunzioni di tungsteno fra gli strati (W1-W3)

17 Schema di circuito integrato multi-strato 33 17