HDP Reactor Cuestiones de Diseño, reactor de plasma.

HDP Reactor Cuestiones de Diseño, reactor de plasma.

Los primeros diseños de reactores de deposición de óxido comerciales HDP se basaron en los plasmas de resonancia de ciclotrón de electrones. Por ejemplo, el reactor de Epic Lam parecía algo esquemáticamente así:

Aunque la mayoría de las herramientas de HDP modernas se basan en la generación de plasma inductivo, este diseño del reactor ilustra muchos de los elementos comunes a todos los reactores HDP:

  • fuente de plasma de alta densidad. en el reactor de Epic, un plasma ECR se ha creado mediante la iluminación de una región magnetizada con radiación de microondas de alta potencia. En un campo magnético de alrededor de 875 Gauss, la frecuencia de Larmor de electrones es igual a la frecuencia de microondas de 2,45 GHz (otra frecuencia utilizada por razones económicas: es la frecuencia horno de microondas). A presiones suficientemente bajas, los electrones ganan energía en cada circuito en torno a las líneas de campo: el campo permite que tanto el parto y la calefacción eficiente de electrones. fuentes ECR pueden lograr densidades de alrededor de 10 12 / cm 3 a presiones de unos pocos mTorr (esto es de varios por ciento de ionización!).
  • grandes bombas. para depositar a tasas altas, se requieren relativamente grandes flujos de silano (y por tanto de oxígeno y argón). Para lograr un rendimiento de unos 12-15 obleas por hora a partir de un módulo para una película depositada micras de espesor 0.75, podríamos requerir una velocidad de deposición de aproximadamente 5000 Å / minuto. Acerca de 14 sccm de silano se requiere simplemente para proporcionar suficientes átomos de silicio para depositar esta película sobre la superficie de la oblea, pero los depósitos de película en todas partes en la cámara. Un flujo realista podría ser de 30 sccm de silano, con más o menos el doble de la cantidad de oxígeno y un poco de argón: quizá 150 SCCM flujo total. Eso puede no parecer mucho, pero a 5 mTorr que se alcanza un caudal de 23.000 litros / minuto o aproximadamente 400 litros / segundo! La capacidad de bombeo requerida para eliminar el gas es aún mayor, ya que los puertos de la bomba y válvulas de compuerta tienen una conductividad finita: varios miles de litros por segundo que se necesita para los reactores prácticos. Se necesita, así bombeo rápido de hidrógeno, ya que este gas se genera por la descomposición del silano. El único enfoque útil es emplear bombas turbomolecular. bombas turbo que pueden alcanzar estas velocidades son muy grandes, muy pesado, y muy caro: decenas de miles de dólares por cada unidad.
  • sesgo de la oblea de RF. El plasma ECR tiene un potencial muy bajo de plasma. Con el fin de alcanzar tasas de pulverización catódica significativas en la oblea, es necesario aplicar un sesgo de RF, que consiste en una red de suministro de energía y coincidente separado (pero tiene la buena característica de que la densidad del plasma y la energía de iones son entonces controlable de forma independiente). Se requieren varios cientos de voltios de energía de los iones. Recordemos que la densidad de corriente es del orden de, por ejemplo, 10 mA / cm 2. para una corriente total de alrededor de 3 amperios a un 200 mm oblea. potencia de polarización RF típica para una oblea de 200 mm es 500-1000 vatios, casi todos los cuales se disipa sobre la superficie de la oblea.
  • control de la temperatura de la oblea. En las bajas presiones de funcionamiento de los reactores HDP, muy poco calor se transporta desde la oblea por conducción o convección; recordar de nuestra discusión de transporte de calor de ducha que la radiación dominará a alta temperatura y baja presión. Para eliminar 500 Watts de un 200 mm oblea por radiación, la oblea necesitaría para alcanzar una temperatura de aproximadamente 500 °C, demasiado alta para su uso en conjunción con Al o Cu metalización. Por lo tanto, es necesario supervisar y controlar la temperatura de la oblea. El control se consigue normalmente mediante la inyección de un pequeño flujo de helio detrás de la oblea para elevar la presión a unos 10 de de Torr allí; sin embargo, la fuerza resultante debe ser compensado para mantener la oblea en posición, lo que requiere el uso de abrazaderas mecánicas o un plato electrostático.
  • La inyección de gas. Es necesario poner el silano en la cámara, e idealmente para dispensarla cerca de la oblea de modo que se mejora la eficiencia de la utilización. Para los flujos totales de gas de 100-200 SCCM en las grandes cámaras normalmente empleadas en HDP, el transporte está dominado por difusión. El camino libre medio puede ser tan grande como 1 cm, sin embargo: el transporte en las regiones locales no se puede modelar de forma precisa utilizando técnicas de medios continuos. Por lo tanto el diseño del aparato de inyección es difícil, y también puede ser necesario comprometer la eficiencia para mejorar la uniformidad.
  • Sala limpia. La combinación de plasma de alta densidad, de baja presión, y las altas tasas de pulverización en la superficie de la oblea significa que una gran parte del dióxido de silicio formada termina en las paredes de la cámara. Esta acumulación se spall fuera, creando partículas, si llega a ser demasiado gruesa. El reactor Lam tenía paredes refrigeradas por agua para ayudar a evitar las variaciones de temperatura que incrementarían el desconchado. Sin embargo, también es necesario extraer el depósito de las paredes periódicamente, típicamente después de 10-25 obleas. Esto puede parecer sencillo: ya hay un plasma de alta densidad, por lo que si se introduce alguna fuente de flúor del óxido grabará. Sin embargo, surgen muchas dificultades. Aguafuerte SiO2 requiere o bien el bombardeo de iones copiosa o altos flujos de flúor (es decir, altas presiones, típicamente varios Torr). fuentes de alta densidad no funcionan bien en estas presiones, ya bajo la presión del potencial del plasma es pequeño, así que no hay pared bombardeo. fuentes inductivas operados a alta presión tienden a concentrarse la entrega de potencia muy cerca de la pared, que puede conducir a un calentamiento localizado del revestimiento dieléctrico ("cúpula") Y la consiguiente erosión y agrietamiento. Un enfoque consiste en utilizar una fuente de plasma de microondas separada alejado de la cámara para proporcionar flúor para limpieza de la cámara.

Una realización plasma inductivo se muestra esquemáticamente a continuación:

En este caso, las bobinas de inducción están distribuidas en el techo para proporcionar la uniformidad de plasma mejorado sobre la superficie de la oblea, vs. una bobina solenoidal. Sin embargo, en ambos casos el calentamiento de electrones real se limita a dentro de una profundidad de penetración de las bobinas; la rápida difusión a baja presión permite que el plasma para llenar la cámara.

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