Комплексный обзор методов осаждения тонких пленок: MOCVD, магнетронное распыление и PECVD

В производстве полупроводников, хотя фотолитография и травление являются наиболее часто упоминаемыми процессами, эпитаксиальные или тонкопленочные методы осаждения не менее важны. В этой статье представлены несколько распространенных методов тонкопленочного осаждения, используемых при изготовлении чипов, включаяМОЦВД, магнетронное распыление, иПХВД.

Почему тонкопленочные процессы так важны при производстве микросхем?

Для иллюстрации представьте себе простую печеную лепешку. Сама по себе она может быть пресной на вкус. Однако, смазывая поверхность различными соусами — например, пикантной бобовой пастой или сладким солодовым сиропом — вы можете полностью изменить ее вкус. Эти усиливающие вкус покрытия похожи натонкие пленкив полупроводниковых процессах, в то время как сама лепешка представляет собойсубстрат.

При изготовлении микросхем тонкие пленки выполняют множество функциональных функций — изоляция, проводимость, пассивация, поглощение света и т. д. — и для каждой функции требуется определенная технология осаждения.

1. Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD)

MOCVD — это высокоразвитая и точная технология, используемая для осаждения высококачественных полупроводниковых тонких пленок и наноструктур. Она играет решающую роль в производстве таких устройств, как светодиоды, лазеры и силовая электроника.

Ключевые компоненты системы MOCVD:

• Система подачи газа
  Отвечает за точный ввод реагентов в реакционную камеру. Это включает в себя управление потоками:

• Газы-носители

• Металлоорганические прекурсоры

• Гидридные газы
  Система оснащена многоходовыми клапанами для переключения между режимами роста и продувки.

• Реакционная камера
  Сердце системы, где происходит реальный материальный рост. Компоненты включают:

  • Графитовый токоприемник (держатель подложки)

  • Датчики нагрева и температуры

  • Оптические порты для мониторинга на месте

  • Роботизированные руки для автоматизированной загрузки/выгрузки пластин

• Система контроля роста
  Состоит из программируемых логических контроллеров и главного компьютера. Они обеспечивают точный мониторинг и повторяемость на протяжении всего процесса осаждения.

• Мониторинг на месте
  Такие приборы, как пирометры и рефлектометры, измеряют:

  • Толщина пленки

  • Температура поверхности

  • Кривизна подложки
    Они обеспечивают обратную связь и корректировку в режиме реального времени.

• Система очистки выхлопных газов
  Перерабатывает токсичные побочные продукты с помощью термического разложения или химического катализа для обеспечения безопасности и соблюдения экологических норм.

Конфигурация душевой головки с закрытым соединением (CCS):

В вертикальных реакторах MOCVD конструкция CCS позволяет равномерно впрыскивать газы через чередующиеся форсунки в структуре душевой головки. Это минимизирует преждевременные реакции и улучшает равномерное смешивание.

• Theвращающийся графитовый токоприемникдополнительно способствует гомогенизации пограничного слоя газов, улучшая однородность пленки по всей пластине.

2. Магнетронное распыление

Магнетронное распыление — это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD), широко используемый для нанесения тонких пленок и покрытий, особенно в электронике, оптике и керамике.

Принцип работы:

1. Материал мишени
   Исходный осаждаемый материал — металл, оксид, нитрид и т. д. — закрепляется на катоде.

2. Вакуумная камера
   Процесс осуществляется в условиях высокого вакуума, чтобы избежать загрязнения.

3. Генерация плазмы
   Инертный газ, обычно аргон, ионизируется, образуя плазму.

4. Применение магнитного поля
   Магнитное поле удерживает электроны вблизи мишени, повышая эффективность ионизации.

5. Процесс напыления
   Ионы бомбардируют мишень, выбивая атомы, которые проходят через камеру и оседают на подложке.

Преимущества магнетронного распыления:

• Равномерное нанесение пленкина больших территориях.

• Возможность нанесения сложных соединений, включая сплавы и керамику.

• Настраиваемые параметры процессадля точного контроля толщины, состава и микроструктуры.

• Высокое качество пленкис сильной адгезией и механической прочностью.

• Широкая совместимость материалов, от металлов до оксидов и нитридов.

• Эксплуатация при низких температурах, подходит для чувствительных к температуре оснований.

3. Плазмохимическое осаждение из паровой фазы (PECVD)

PECVD широко используется для осаждения тонких пленок, таких как нитрид кремния (SiNx), диоксид кремния (SiO₂) и аморфный кремний.

Принцип:

В системе PECVD исходные газы вводятся в вакуумную камеру, гдеплазма тлеющего разрядагенерируется с использованием:

• ВЧ возбуждение

• Постоянное высокое напряжение

• Микроволновые или импульсные источники

Плазма активирует газофазные реакции, генерируя реактивные частицы, которые оседают на подложке, образуя тонкую пленку.

Этапы осаждения:

1. Образование плазмы
   Под воздействием электромагнитных полей исходные газы ионизируются, образуя реактивные радикалы и ионы.

2. Реакция и транспорт
   Эти виды подвергаются вторичным реакциям по мере продвижения к субстрату.

3. Поверхностная реакция
   Достигнув субстрата, они адсорбируются, реагируют и образуют твердую пленку. Некоторые побочные продукты выделяются в виде газов.

Преимущества PECVD:

• Превосходная однородностьпо составу и толщине пленки.

• Сильная адгезиядаже при относительно низких температурах осаждения.

• Высокие скорости осаждения, что делает его пригодным для промышленного производства.

4. Методы характеризации тонких пленок

Понимание свойств тонких пленок необходимо для контроля качества. Распространенные методы включают:

(1) Рентгеновская дифракция (XRD)

• Цель: Анализ кристаллических структур, постоянных решетки и ориентаций.

• Принцип: Основан на законе Брэгга, измеряет, как рентгеновские лучи дифрагируют через кристаллический материал.

• Приложения: Кристаллография, фазовый анализ, измерение деформации и оценка тонких пленок.

(2) Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

• Цель: Наблюдайте морфологию и микроструктуру поверхности.

• Принцип: Использует электронный луч для сканирования поверхности образца. Обнаруженные сигналы (например, вторичные и обратно рассеянные электроны) выявляют детали поверхности.

• Приложения: Материаловедение, нанотехнологии, биология и анализ отказов.

(3) Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

• Цель: Изображение поверхностей с атомным или нанометровым разрешением.

• Принцип: Острый зонд сканирует поверхность, поддерживая постоянную силу взаимодействия; вертикальные смещения создают трехмерную топографию.

• Приложения: Исследования наноструктур, измерение шероховатости поверхности, биомолекулярные исследования.