O prezentare generală cuprinzătoare a tehnicilor de depunere a peliculelor subțiri: MOCVD, pulverizare magnetronică și PECVD

În fabricarea semiconductorilor, deși fotolitografia și gravarea sunt procesele cel mai frecvent menționate, tehnicile de depunere epitaxială sau cu peliculă subțire sunt la fel de importante. Acest articol prezintă câteva metode comune de depunere cu peliculă subțire utilizate în fabricarea cipurilor, inclusivMOCVD, pulverizare magnetronicășiPECVD.

De ce sunt esențiale procesele cu peliculă subțire în fabricarea cipurilor?

Pentru a ilustra, imaginați-vă o lipie simplă coaptă. De la sine, ar putea avea un gust fad. Cu toate acestea, prin ungerea suprafeței cu diferite sosuri - cum ar fi o pastă de fasole sărată sau un sirop dulce de malț - îi puteți transforma complet aroma. Aceste învelișuri care îmbunătățesc aroma sunt similare cu...pelicule subțiriîn procesele semiconductoare, în timp ce lipia în sine reprezintăsubstrat.

În fabricarea cipurilor, peliculele subțiri îndeplinesc numeroase roluri funcționale - izolație, conductivitate, pasivare, absorbție a luminii etc. - și fiecare funcție necesită o tehnică specifică de depunere.

1. Depunere chimică de vapori metalo-organici (MOCVD)

MOCVD este o tehnică extrem de avansată și precisă utilizată pentru depunerea de pelicule subțiri și nanostructuri semiconductoare de înaltă calitate. Joacă un rol crucial în fabricarea de dispozitive precum LED-uri, lasere și electronică de putere.

Componentele cheie ale unui sistem MOCVD:

• Sistem de livrare a gazului
  Responsabil pentru introducerea precisă a reactanților în camera de reacție. Aceasta include controlul debitului:

• Gaze purtătoare

• Precursori metalo-organici

• Gaze hidrice
  Sistemul dispune de valve multi-căi pentru comutarea între modurile de creștere și purjare.

• Camera de reacție
  Inima sistemului unde are loc creșterea propriu-zisă a materialului. Componentele includ:

  • Susceptor de grafit (suport substrat)

  • Senzori de încălzire și temperatură

  • Porturi optice pentru monitorizare in situ

  • Brațe robotice pentru încărcarea/descărcarea automată a napolitanelor

• Sistem de control al creșterii
  Este alcătuit din controlere logice programabile și un computer gazdă. Acestea asigură o monitorizare precisă și repetabilitate pe tot parcursul procesului de depunere.

• Monitorizare in situ
  Instrumente precum pirometrele și reflectometrele măsoară:

  • Grosimea peliculei

  • Temperatura suprafeței

  • Curbura substratului
    Acestea permit feedback și ajustări în timp real.

• Sistem de tratare a gazelor de eșapament
  Tratează produsele secundare toxice folosind descompunere termică sau cataliza chimică pentru a asigura siguranța și respectarea reglementărilor de mediu.

Configurație cap de duș cu cuplaj închis (CCS):

În reactoarele MOCVD verticale, designul CCS permite injectarea uniformă a gazelor prin duze alternante într-o structură cu cap de duș. Acest lucru minimizează reacțiile premature și îmbunătățește amestecarea uniformă.

• Cel/Cea/Cei/Celesusceptor rotativ de grafitajută în plus la omogenizarea stratului limită de gaze, îmbunătățind uniformitatea peliculei pe întreaga plachetă.

2. Pulverizare magnetronică

Pulverizarea magnetronică este o metodă de depunere fizică în fază de vapori (PVD) utilizată pe scară largă pentru depunerea de pelicule subțiri și acoperiri, în special în electronică, optică și ceramică.

Principiul de funcționare:

1. Material țintă
   Materialul sursă care urmează să fie depus - metal, oxid, nitrură etc. - este fixat pe un catod.

2. Cameră de vid
   Procesul se desfășoară în vid înalt pentru a evita contaminarea.

3. Generarea de plasmă
   Un gaz inert, de obicei argon, este ionizat pentru a forma plasmă.

4. Aplicarea câmpului magnetic
   Un câmp magnetic confinează electronii în apropierea țintei pentru a spori eficiența ionizării.

5. Procesul de pulverizare catodică
   Ionii bombardează ținta, dislocând atomii care călătoresc prin cameră și se depun pe substrat.

Avantajele pulverizării cu magnetron:

• Depunere uniformă de filmpe suprafețe întinse.

• Capacitatea de a depune compuși complecși, inclusiv aliaje și ceramică.

• Parametri de proces reglabilipentru controlul precis al grosimii, compoziției și microstructurii.

• Calitate înaltă a filmuluicu aderență puternică și rezistență mecanică.

• Compatibilitate largă a materialelorde la metale la oxizi și nitruri.

• Funcționare la temperatură scăzută, potrivit pentru substraturi sensibile la temperatură.

3. Depunere chimică de vapori asistată de plasmă (PECVD)

PECVD este utilizată pe scară largă pentru depunerea de pelicule subțiri precum nitrură de siliciu (SiNx), dioxid de siliciu (SiO₂) și siliciu amorf.

Principiu:

Într-un sistem PECVD, gazele precursoare sunt introduse într-o cameră de vid undeplasmă cu descărcare luminescentăeste generat folosind:

• excitație RF

• Tensiune înaltă de curent continuu

• Surse de microunde sau pulsate

Plasma activează reacțiile în fază gazoasă, generând specii reactive care se depun pe substrat pentru a forma o peliculă subțire.

Etapele depunerii:

1. Formarea plasmei
   Excitate de câmpuri electromagnetice, gazele precursoare se ionizează pentru a forma radicali și ioni reactivi.

2. Reacție și transport
   Aceste specii suferă reacții secundare pe măsură ce se deplasează spre substrat.

3. Reacția de suprafață
   La atingerea substratului, acestea se adsorb, reacționează și formează o peliculă solidă. Unele produse secundare sunt eliberate sub formă de gaze.

Beneficiile PECVD:

• Uniformitate excelentăîn compoziția și grosimea peliculei.

• Aderență puternicăchiar și la temperaturi de depunere relativ scăzute.

• Rate ridicate de depunere, ceea ce îl face potrivit pentru producția la scară industrială.

4. Tehnici de caracterizare a peliculelor subțiri

Înțelegerea proprietăților peliculelor subțiri este esențială pentru controlul calității. Tehnicile comune includ:

(1) Difracție de raze X (XRD)

• ScopAnalizați structurile cristaline, constantele rețelei și orientările.

• PrincipiuBazată pe Legea lui Bragg, măsoară modul în care razele X difractă printr-un material cristalin.

• AplicațiiCristalografie, analiza de fază, măsurarea deformării și evaluarea peliculelor subțiri.

(2) Microscopie electronică cu scanare (SEM)

• ScopObservați morfologia și microstructura suprafeței.

• PrincipiuFolosește un fascicul de electroni pentru a scana suprafața probei. Semnalele detectate (de exemplu, electroni secundari și retrodifuzați) dezvăluie detalii ale suprafeței.

• AplicațiiȘtiința materialelor, nanotehnologie, biologie și analiza defecțiunilor.

(3) Microscopie cu forță atomică (AFM)

• ScopSuprafețe de imagine la rezoluție atomică sau nanometrică.

• PrincipiuO sondă ascuțită scanează suprafața menținând constantă o forță de interacțiune; deplasările verticale generează o topografie 3D.

• AplicațiiCercetare nanostructură, măsurarea rugozității suprafeței, studii biomoleculare.