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

В производстве полупроводников, хотя фотолитография и травление являются наиболее часто упоминаемыми процессами, эпитаксиальные методы, или методы осаждения тонких пленок, играют не менее важную роль. В данной статье рассматриваются несколько распространённых методов осаждения тонких плёнок, используемых при изготовлении микросхем, включаяМОЦВД, магнетронное распыление, иПХВД.

Почему тонкопленочные процессы так важны при производстве микросхем?

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

При изготовлении микросхем тонкие пленки выполняют множество функциональных ролей: изоляция, проводимость, пассивация, поглощение света и т. д. — и каждая функция требует определенной технологии осаждения.

1. Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD)

MOCVD — это передовой и точный метод осаждения высококачественных полупроводниковых тонких плёнок и наноструктур. Он играет ключевую роль в производстве таких устройств, как светодиоды, лазеры и силовая электроника.

Ключевые компоненты системы MOCVD:

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

• Газы-носители

• Металлорганические прекурсоры

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

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

  • Графитовый токоприемник (держатель подложки)

  • Датчики нагревателя и температуры

  • Оптические порты для локального мониторинга

  • Роботизированные руки для автоматизированной загрузки/выгрузки пластин

• Система контроля роста
  Состоит из программируемых логических контроллеров и главного компьютера. Они обеспечивают точный контроль 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 MOCVD-реакторах конструкция CCS обеспечивает равномерную подачу газов через чередующиеся сопла в форме форсунки. Это минимизирует преждевременные реакции и улучшает равномерное перемешивание.

• 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. Целевой материал
   Исходный осаждаемый материал — металл, оксид, нитрид и т. д. — фиксируется 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 осаждение пленкина больших территориях.

• Возможность осаждения 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 газы-предшественники вводятся в вакуумную камеру, гдеплазма тлеющего разрядагенерируется с использованием:

• ВЧ возбуждение

• постоянного тока высокого напряжения

• Микроволновые или импульсные источники

Плазма активирует газофазные реакции, генерируя реактивные частицы, которые осаждаются 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
   Достигая субстрата, они адсорбируются, вступают в реакцию и образуют твёрдую плёнку. Некоторые побочные продукты выделяются в виде газов.

Преимущества PECVD:

• Отличная 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 плёнок 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 преломляются в кристаллическом материале.

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

(2) Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

• Цель: Наблюдайте морфологию поверхности и микроструктуру.

• Принцип: использует электронный луч для сканирования поверхности образца. Обнаруженные сигналы (например, вторичные и рассеянные электроны) позволяют получить подробную информацию о 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 трехмерный рельеф.

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