APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEL PLASMA

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
10-3-104 W/cm3, scarica a corona e a luminescenza
con densità di potenza 10-4 - 1 W/cm3).
² Produce specie attive in numero elevato, di molteplici
tipi, con energie superiori a quelle prodotte in reattori
chimici convenzionali.
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APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEL PLASMA
Caratteristiche e Processi Tecnologici:
Processi ad elevate densità di potenza:
² 
² 
² 
² 
fusione od evaporazione di materiali solidi
Saldatura
forni ad arco
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
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Reattori per il trattamento di superfici
Parametri tipici:
² Densità di potenza:
scariche a corona: P ~ 10-3 W/cm3,
scariche a bagliore : P ~ 10-3-1 W/cm3.,
scariche ad arco: P ~ 1-103 W/cm3 (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 NOx), oppure N, A, NOx, He.
² Tempo di esposizione: ms - min.
² Temperature: range critico di reazione.
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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: CH2, 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.
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Specie Attive
Incisione
Superficiale
(Plasma Etching):
Incisione di una
superficie di SiO2
utilizzando un fascio
di ioni argon a 450 eV
e corrente di 2,5 mA
su una superficie di
0,1 cm2 in atmosfera
di bifluoruro
di Xe (XeF2).
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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
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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;
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Sterilizzazione a Plasma
Curva di sopravvivenza per 50.000
Micro-organismi esposti a una scarica
a bagliore ad 1 atm.
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Plasma Etching per la Microelettronica
Nel 1947 J. Bardeen e W.H. Brattain (Bell
lab.) hanno inventato il transistor (A).
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.
B
B’
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Dimensioni
Caratteristiche
nella Microelettronica
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C
Dimensioni
Amstrongs, Å
Microns, µ
Elemento
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
0.1 - 4
0.5 - 5
0.5 - 10
1000 - 40 000
5000 - 50 000
5000 - 100 000
1-3
10 000 - 30 000
0.15 - 0.70
0.38 - 0.78
0.00022
0.00037
0.00013
1500 - 7000
3800 - 7800
2.2
3.7
1.3
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).
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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.
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Plasma etching
Il principio fisico
Incisione di una superficie di
SiO2 utilizzado un fascio di
ioni argon a 450 eV e corrente di 2,5 mA su una superficie
di 0,1 cm2 in atmosfera di bifluoruro di Xe (XeF2).
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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 CF4, p < 1 torr). La CF4
è scomposta in CF3 ed F che attaccano il silicio producendo SiF4 volatile. Tale attacco è
anisotropo e selettivo (viene attaccato chimicamente solo lo strato che si intende incidere
e non la maschera ed il substrato.
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L’Incisione di Chip con Tecnologia a Plasma
Il plasma etching utilizza gas molecolare relativamente inerte (tetrafluoruro di carbonio
CF4). 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 CF4 viene dissociata in F e CF3, entrambe chimicamente molto reattivi col silicio.
I prodotti di reazione (SiF4) devono essere volatili affinchè possano lasciare il canale
di incisione ed essere pompati via dal
sistema da vuoto.
Il gas neutro CF4 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.
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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
$ 100 000 000.
- 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 0.1 - 1 torr; per dimensioni inferiori al µ
si deve passare a pressioni inferiori a 10 mtorr. Si richiede quindi una tecnologia
del vuoto maggiormente sofisticata.
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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 10-100 Volts ad energie di 1050 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 XeF2 e SiO2,
incidendo l’ossido di silicio (200 Å/min.). Non vi è incisione senza XeF2 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.
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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.
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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: Ei, Ai, Zi (energia, peso atomico e numero atomico) della
particella incidente, angolo di incidenza, peso atomico delle particelle
della superficie, sua natura cristallina.
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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.
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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:
Γs = γ Γi = γ Ji/e
Velocità di erosione:
ve = Γs/nw = γ Γi /nw = γ Ji /(enw)
[Atomi rilasciati/(m2s)]
[m/s]
(nw densità di particelle della parete)
Tempo per erodere lo strato spesso L:
T = L/(3600 ve) [ore]
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Impianto di ioni
Consiste nel bombardare superfici solide con ioni di energie
sufficienti (10-300 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.
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Impianto di ioni
Canalizzazione delle traiettorie
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Impianto di ioni
Metodi per evitare la canalizzazione
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Impianto di ioni
Schema reticolo
Le dimensioni del canale sono indicate dalla linea tratteggiata. La figura
mostra anche le dimensioni caratteristiche di alcuni ioni.
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Impianto di ioni - Applicazioni
Ø  Drogaggio dei semiconduttori nella microelettronica (prima applicazione di largo uso);
Ø  Incremento della durezza dei metalli;
Ø  Incremento della resistenza all’usura (metalli e
ceramici nell’industria aerospaziali e nell’industria medicale);
Ø  Incremento di resistenza alla corrosione;
Ø  Cambiamento delle proprietà elettriche ed ottiche
superficiali.
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Impianto di ioni
Proprietà
Dose:
- 1014/cm2 inibisce la corrosione;
- 1018/cm2 aumenta la durezza e la
resistenza all’usura.
Fig. 15.23
Energie degli ioni:
- 10-300 keV
Profondità d’impianto:
- 0.05 µ inibisce la corrosione;
- 1 µ aumenta la durezza e la
resistenza all’usura.
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 40-50 eV con cui si ottengono profondità d’impianto di
circa 0.1 µ.. Gli ioni infatti, durante l’usura, migrano verso strati più interni.
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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.
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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
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Deposito
Sottili- Microelettronica
- Microelettronica
Depositodi
diFilm
Film Sottili
Foto al microscopio elettronico di un deposito eseguito per mezzo di un
plasma di SiOx (a) e SiNx (b), il primo a 200° centigradi, il secondo a 330°.
In (c) è rappresentato un risultato teorico.
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Schema di circuito integrato
Struttura a strati
Fig. 16.5
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Schema di circuito CMS
Fig. 16.6
Schema di sezione di un circuito CMS che mostra due
strati connessi tramite la giunzione “Via”.
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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. 16.7
Scansione con microscopio elettronico (SEM) di un circuito a
cinque strati metallici (M1-M5) con giunzioni di tungsteno fra
gli strati (W1-W3).
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Schema di circuito integrato multi-strato
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