En omfattende oversikt over tynnfilmavsetningsteknikker: MOCVD, magnetronsputtering og PECVD

I halvlederproduksjon er fotolitografi og etsning de mest nevnte prosessene, mens epitaksiale eller tynnfilmavsetningsmetoder er like kritiske. Denne artikkelen introduserer flere vanlige tynnfilmavsetningsmetoder som brukes i brikkefabrikasjon, inkludertMOCVD, magnetronsputtering, ogPECVD.

Hvorfor er tynnfilmprosesser viktige i chipproduksjon?

For å illustrere, tenk deg et vanlig flatbrød. Det kan være litt kjedelig i seg selv. Men ved å pensle overflaten med forskjellige sauser – som en smakfull bønnepasta eller søt maltsirup – kan du fullstendig forvandle smaken. Disse smaksforsterkende beleggene er beslektet medtynne filmeri halvlederprosesser, mens flatbrødet i seg selv representerersubstrat.

I chipfabrikasjon har tynne filmer en rekke funksjonelle roller – isolasjon, konduktivitet, passivering, lysabsorpsjon osv. – og hver funksjon krever en spesifikk avsetningsteknikk.

1. Metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD)

MOCVD er en svært avansert og presis teknikk som brukes til avsetning av tynne halvlederfilmer og nanostrukturer av høy kvalitet. Den spiller en avgjørende rolle i fabrikasjonen av enheter som LED-er, lasere og kraftelektronikk.

Viktige komponenter i et MOCVD-system:

• Gassleveringssystem
  Ansvarlig for nøyaktig innføring av reaktanter i reaksjonskammeret. Dette inkluderer strømningskontroll av:

• Bæregasser

• Metallorganiske forløpere

• Hydridgasser
  Systemet har flerveisventiler for å veksle mellom vekst- og rensemodus.

• Reaksjonskammer
  Hjertet i systemet der den faktiske materialveksten skjer. Komponentene inkluderer:

  • Grafittsusceptor (substratholder)

  • Varme- og temperatursensorer

  • Optiske porter for overvåking på stedet

  • Robotarmer for automatisert lasting/lossing av wafere

• Vekstkontrollsystem
  Består av programmerbare logiske kontrollere og en vertsdatamaskin. Disse sikrer presis overvåking og repeterbarhet gjennom hele avsetningsprosessen.

• Overvåking på stedet
  Verktøy som pyrometre og reflektometre måler:

  • Filmtykkelse

  • Overflatetemperatur

  • Substratkrumning
    Disse muliggjør tilbakemeldinger og justeringer i sanntid.

• Eksosbehandlingssystem
  Behandler giftige biprodukter ved hjelp av termisk nedbrytning eller kjemisk katalyse for å sikre sikkerhet og miljøsamsvar.

Konfigurasjon av lukket dusjhode (CCS):

I vertikale MOCVD-reaktorer tillater CCS-designet at gasser injiseres jevnt gjennom alternerende dyser i en dusjhodestruktur. Dette minimerer for tidlige reaksjoner og forbedrer jevn blanding.

• Deroterende grafittmottakerbidrar ytterligere til å homogenisere grensesjiktet av gasser, noe som forbedrer filmens ensartethet over waferen.

2. Magnetronsputtering

Magnetronsputtering er en fysisk dampavsetningsmetode (PVD) som brukes mye for avsetning av tynne filmer og belegg, spesielt innen elektronikk, optikk og keramikk.

Arbeidsprinsipp:

1. Målmateriale
   Kildematerialet som skal avsettes – metall, oksid, nitrid osv. – er festet på en katode.

2. Vakuumkammer
   Prosessen utføres under høyvakuum for å unngå kontaminering.

3. Plasmagenerering
   En inert gass, vanligvis argon, ioniseres for å danne plasma.

4. Magnetisk feltapplikasjon
   Et magnetfelt begrenser elektroner nær målet for å forbedre ioniseringseffektiviteten.

5. Sputteringsprosess
   Ioner bombarderer målet og løsner atomer som beveger seg gjennom kammeret og avsettes på substratet.

Fordeler med magnetronsputtering:

• Enhetlig filmavsetningover store områder.

• Evne til å avsette komplekse forbindelser, inkludert legeringer og keramikk.

• Justerbare prosessparameterefor presis kontroll av tykkelse, sammensetning og mikrostruktur.

• Høy filmkvalitetmed sterk vedheft og mekanisk styrke.

• Bred materialkompatibilitet, fra metaller til oksider og nitrider.

• Lavtemperaturdrift, egnet for temperaturfølsomme underlag.

3. Plasmaforsterket kjemisk dampavsetning (PECVD)

PECVD er mye brukt for avsetning av tynne filmer som silisiumnitrid (SiNx), silisiumdioksid (SiO₂) og amorf silisium.

Prinsipp:

I et PECVD-system føres forløpergasser inn i et vakuumkammer hvor englødeutladningsplasmagenereres ved hjelp av:

• RF-eksitasjon

• DC høyspenning

• Mikrobølgeovn eller pulskilder

Plasmaet aktiverer gassfasereaksjonene, og genererer reaktive arter som avsettes på substratet for å danne en tynn film.

Avsetningstrinn:

1. Plasmadannelse
   Eksitert av elektromagnetiske felt ioniserer forløpergasser for å danne reaktive radikaler og ioner.

2. Reaksjon og transport
   Disse artene gjennomgår sekundære reaksjoner når de beveger seg mot substratet.

3. Overflatereaksjon
   Når de når substratet, adsorberer de, reagerer og danner en fast film. Noen biprodukter frigjøres som gasser.

PECVD-fordeler:

• Utmerket ensartetheti filmsammensetning og tykkelse.

• Sterk vedheftselv ved relativt lave avsetningstemperaturer.

• Høye avsetningsrater, noe som gjør den egnet for produksjon i industriell skala.

4. Teknikker for tynnfilmkarakterisering

Å forstå egenskapene til tynne filmer er viktig for kvalitetskontroll. Vanlige teknikker inkluderer:

(1) Røntgendiffraksjon (XRD)

• HensiktAnalyser krystallstrukturer, gitterkonstanter og orienteringer.

• PrinsippBasert på Braggs lov, måler hvordan røntgenstråler diffrakterer gjennom et krystallinsk materiale.

• BruksområderKrystallografi, faseanalyse, tøyningsmåling og tynnfilmevaluering.

(2) Skanningselektronmikroskopi (SEM)

• HensiktObserver overflatemorfologi og mikrostruktur.

• PrinsippBruker en elektronstråle til å skanne prøveoverflaten. Detekterte signaler (f.eks. sekundære og tilbakespredte elektroner) avslører overflatedetaljer.

• BruksområderMaterialvitenskap, nanoteknologi, biologi og feilanalyse.

(3) Atomkraftmikroskopi (AFM)

• HensiktBildeoverflater med atom- eller nanometeroppløsning.

• PrinsippEn skarp sonde skanner overflaten samtidig som den opprettholder konstant interaksjonskraft; vertikale forskyvninger genererer en 3D-topografi.

• BruksområderNanostrukturforskning, måling av overflateruhet, biomolekylære studier.