Повний огляд методів осадження тонких плівок: MOCVD, магнетронне розпилення та PECVD

У виробництві напівпровідників, хоча фотолітографія та травлення є найчастіше згадуваними процесами, епітаксіальні методи або методи нанесення тонких плівок є не менш важливими. У цій статті представлено кілька поширених методів нанесення тонких плівок, що використовуються у виробництві мікросхем, зокремаMOCVD, магнетронне розпилення, таПЕКВД.

Чому процеси обробки тонких плівок є важливими у виробництві мікросхем?

Для ілюстрації уявіть собі звичайний випечений корж. Сам по собі він може мати прісний смак. Однак, змастивши поверхню різними соусами, такими як пікантна паста з квасолі або солодкий солодовий сироп, ви можете повністю змінити його смак. Ці покриття, що підсилюють смак, схожі натонкі плівкиу напівпровідникових процесах, тоді як сама лаваш представляєсубстрат.

У виробництві мікросхем тонкі плівки виконують численні функціональні ролі — ізоляцію, провідність, пасивацію, поглинання світла тощо — і кожна функція вимагає певної техніки нанесення.

1. Металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD)

MOCVD – це високотехнологічна та точна техніка, яка використовується для осадження високоякісних тонких плівок та наноструктур напівпровідників. Вона відіграє вирішальну роль у виготовленні таких пристроїв, як світлодіоди, лазери та силова електроніка.

Ключові компоненти системи MOCVD:

• Система подачі газу
  Відповідає за точне введення реагентів у реакційну камеру. Це включає контроль потоку:

• Гази-носії

• Металоорганічні прекурсори

• Гідридні гази
  Система оснащена багатоходовими клапанами для перемикання між режимами нарощування та продувки.

• Реакційна камера
  Серце системи, де відбувається фактичне зростання матеріалу. Компоненти включають:

  • Графітовий токоприймач (тримач підкладки)

  • Датчики обігрівача та температури

  • Оптичні порти для моніторингу на місці

  • Роботизовані маніпулятори для автоматизованого завантаження/вивантаження пластин

• Система контролю росту
  Складається з програмованих логічних контролерів та головного комп'ютера. Це забезпечує точний моніторинг та повторюваність протягом усього процесу напилення.

• Моніторинг на місці
  Такі інструменти, як пірометри та рефлектометри, вимірюють:

  • Товщина плівки

  • Температура поверхні

  • Кривизна підкладки
    Це дозволяє отримувати зворотний зв'язок та вносити корективи в режимі реального часу.

• Система очищення вихлопних газів
  Обробляє токсичні побічні продукти за допомогою термічного розкладання або хімічного каталізу для забезпечення безпеки та дотримання екологічних норм.

Конфігурація душової лійки із закритим з'єднанням (CCS):

У вертикальних реакторах MOCVD конструкція CCS дозволяє рівномірно вводити гази через форсунки, що чергуються, в конструкції душової лійки. Це мінімізує передчасні реакції та покращує рівномірне перемішування.

• Theобертовий графітовий сусцептордодатково допомагає гомогенізувати прикордонний шар газів, покращуючи однорідність плівки по всій пластині.

2. Магнетронне розпилення

Магнетронне розпилення — це метод фізичного осадження з парової фази (PVD), який широко використовується для нанесення тонких плівок і покриттів, зокрема в електроніці, оптиці та кераміці.

Принцип роботи:

1. Цільовий матеріал
   Вихідний матеріал, що осаджується — метал, оксид, нітрид тощо — фіксується на катоді.

2. Вакуумна камера
   Процес проводиться під високим вакуумом, щоб уникнути забруднення.

3. Генерація плазми
   Інертний газ, зазвичай аргон, іонізується з утворенням плазми.

4. Застосування магнітного поля
   Магнітне поле утримує електрони поблизу мішені для підвищення ефективності іонізації.

5. Процес напилення
   Іони бомбардують мішень, вибиваючи атоми, які проходять через камеру та осідають на підкладці.

Переваги магнетронного напилення:

• Рівномірне осадження плівкина великих територіях.

• Можливість нанесення складних сполук, включаючи сплави та кераміку.

• Налаштовувані параметри процесудля точного контролю товщини, складу та мікроструктури.

• Висока якість плівкиз сильною адгезією та механічною міцністю.

• Широка сумісність матеріалів, від металів до оксидів і нітридів.

• Робота за низьких температур, підходить для термочутливих поверхонь.

3. Плазмохімічне осадження з парової фази (PECVD)

PECVD широко використовується для осадження тонких плівок, таких як нітрид кремнію (SiNx), діоксид кремнію (SiO₂) та аморфний кремній.

Принцип:

У системі PECVD гази-прекурсори вводяться у вакуумну камеру, деплазма тліючого розрядугенерується за допомогою:

• РЧ-збудження

• Висока напруга постійного струму

• Мікрохвильові або імпульсні джерела

Плазма активує газофазні реакції, генеруючи реакційноздатні частинки, які осідають на підкладці, утворюючи тонку плівку.

Етапи осадження:

1. Утворення плазми
   Збуджені електромагнітними полями, гази-попередники іонізуються, утворюючи реакційноздатні радикали та іони.

2. Реакція та транспорт
   Ці види зазнають вторинних реакцій, рухаючись до субстрату.

3. Поверхнева реакція
   Досягаючи субстрату, вони адсорбуються, реагують та утворюють тверду плівку. Деякі побічні продукти виділяються у вигляді газів.

Переваги PECVD:

• Відмінна однорідністьза складом та товщиною плівки.

• Міцна адгезіянавіть при відносно низьких температурах осадження.

• Високі показники осадження, що робить його придатним для виробництва в промислових масштабах.

4. Методи характеристики тонких плівок

Розуміння властивостей тонких плівок є важливим для контролю якості. Загальні методи включають:

(1) Рентгенівська дифракція (XRD)

• МетаАналізувати кристалічні структури, постійні кристалічної решітки та орієнтації.

• Принцип: На основі закону Брегга вимірює дифракцію рентгенівських променів через кристалічний матеріал.

• ЗастосуванняКристалографія, фазовий аналіз, вимірювання деформації та оцінка тонких плівок.

(2) Скануюча електронна мікроскопія (СЕМ)

• МетаСпостерігайте за морфологією та мікроструктурою поверхні.

• Принцип: Використовує електронний промінь для сканування поверхні зразка. Виявлені сигнали (наприклад, вторинні та зворотно розсіяні електрони) виявляють деталі поверхні.

• ЗастосуванняМатеріалознавство, нанотехнології, біологія та аналіз руйнувань.

(3) Атомно-силова мікроскопія (АСМ)

• МетаЗображення поверхонь з атомною або нанометровою роздільною здатністю.

• ПринципГострий зонд сканує поверхню, підтримуючи постійну силу взаємодії; вертикальні зміщення створюють 3D-топографію.

• ЗастосуванняДослідження наноструктур, вимірювання шорсткості поверхні, біомолекулярні дослідження.