En omfattande översikt över tunnfilmsavsättningstekniker: MOCVD, magnetronsputtring och PECVD

Inom halvledartillverkning, medan fotolitografi och etsning är de mest frekvent nämnda processerna, är epitaxiella eller tunnfilmsavsättningsmetoder lika viktiga. Denna artikel introducerar flera vanliga tunnfilmsavsättningsmetoder som används vid chiptillverkning, inklusiveMOCVD, magnetronsputtringochPECVD.

Varför är tunnfilmsprocesser viktiga vid chiptillverkning?

För att illustrera, föreställ dig ett vanligt gräddat flatbröd. Det kan smaka smaklöst på egen hand. Men genom att pensla ytan med olika såser – som en smakrik bönpasta eller söt maltsirap – kan du helt förändra dess smak. Dessa smakförstärkande ytbehandlingar liknartunna filmeri halvledarprocesser, medan själva flatbrödet representerarsubstrat.

Vid chiptillverkning har tunna filmer många funktionella roller – isolering, konduktivitet, passivering, ljusabsorption etc. – och varje funktion kräver en specifik deponeringsteknik.

1. Metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD)

MOCVD är en mycket avancerad och precis teknik som används för deponering av högkvalitativa halvledartunnfilmer och nanostrukturer. Den spelar en avgörande roll vid tillverkning av enheter som lysdioder, lasrar och kraftelektronik.

Viktiga komponenter i ett MOCVD-system:

• Gasleveranssystem
  Ansvarig för exakt införande av reaktanter i reaktionskammaren. Detta inkluderar flödeskontroll av:

• Bärgaser

• Metallorganiska prekursorer

• Hydridgaser
  Systemet har flervägsventiler för att växla mellan tillväxt- och rensningsläge.

• Reaktionskammaren
  Systemets hjärta där den faktiska materialtillväxten sker. Komponenterna inkluderar:

  • Grafitsusceptor (substrathållare)

  • Värmare och temperatursensorer

  • Optiska portar för övervakning på plats

  • Robotarmar för automatiserad waferladdning/lossning

• Tillväxtkontrollsystem
  Består av programmerbara logiska styrenheter och en värddator. Dessa säkerställer exakt övervakning och repeterbarhet genom hela deponeringsprocessen.

• Övervakning på plats
  Verktyg som pyrometrar och reflektometrar mäter:

  • Filmtjocklek

  • Yttemperatur

  • Substratkrökning
    Dessa möjliggör feedback och justeringar i realtid.

• Avgasbehandlingssystem
  Behandlar giftiga biprodukter med termisk nedbrytning eller kemisk katalys för att säkerställa säkerhet och miljöefterlevnad.

Konfiguration av sluten duschmunstycke (CCS):

I vertikala MOCVD-reaktorer tillåter CCS-konstruktionen att gaser injiceras jämnt genom alternerande munstycken i en duschmunstyckesstruktur. Detta minimerar för tidiga reaktioner och förbättrar jämn blandning.

• Deroterande grafitmottagarehjälper ytterligare till att homogenisera gränsskiktet av gaser, vilket förbättrar filmens enhetlighet över wafern.

2. Magnetronsputtring

Magnetronsputtring är en metod för fysisk ångavsättning (PVD) som används i stor utsträckning för att avsätta tunna filmer och beläggningar, särskilt inom elektronik, optik och keramik.

Arbetsprincip:

1. Målmaterial
   Källmaterialet som ska avsättas – metall, oxid, nitrid etc. – fixeras på en katod.

2. Vakuumkammare
   Processen utförs under högvakuum för att undvika kontaminering.

3. Plasmagenerering
   En inert gas, vanligtvis argon, joniseras för att bilda plasma.

4. Magnetfältstillämpning
   Ett magnetfält begränsar elektroner nära målet för att förbättra joniseringseffektiviteten.

5. Sputteringprocess
   Joner bombarderar målet och lossar atomer som färdas genom kammaren och avsätts på substratet.

Fördelar med magnetronsputtring:

• Enhetlig filmavsättningöver stora områden.

• Förmåga att deponera komplexa föreningar, inklusive legeringar och keramik.

• Justerbara processparametrarför exakt kontroll av tjocklek, sammansättning och mikrostruktur.

• Hög filmkvalitetmed stark vidhäftning och mekanisk hållfasthet.

• Bred materialkompatibilitet, från metaller till oxider och nitrider.

• Lågtemperaturdrift, lämplig för temperaturkänsliga underlag.

3. Plasmaförstärkt kemisk ångdeponering (PECVD)

PECVD används ofta för avsättning av tunna filmer som kiselnitrid (SiNx), kiseldioxid (SiO₂) och amorft kisel.

Princip:

I ett PECVD-system införs prekursorgaser i en vakuumkammare där englödurladdningsplasmagenereras med hjälp av:

• RF-excitation

• DC högspänning

• Mikrovågs- ​​eller pulskällor

Plasman aktiverar gasfasreaktionerna och genererar reaktiva ämnen som avsätts på substratet och bildar en tunn film.

Deponeringssteg:

1. Plasmabildning
   Exciterade av elektromagnetiska fält joniserar prekursorgaser för att bilda reaktiva radikaler och joner.

2. Reaktion och transport
   Dessa arter genomgår sekundära reaktioner när de rör sig mot substratet.

3. Ytreaktion
   När de når substratet adsorberar de, reagerar och bildar en fast film. Vissa biprodukter frigörs som gaser.

PECVD-fördelar:

• Utmärkt enhetligheti filmens sammansättning och tjocklek.

• Stark vidhäftningäven vid relativt låga deponeringstemperaturer.

• Höga depositionsnivåervilket gör den lämplig för produktion i industriell skala.

4. Tekniker för tunnfilmskarakterisering

Att förstå egenskaperna hos tunna filmer är avgörande för kvalitetskontroll. Vanliga tekniker inkluderar:

(1) Röntgendiffraktion (XRD)

• ÄndamålAnalysera kristallstrukturer, gitterkonstanter och orienteringar.

• PrincipBaserat på Braggs lag, mäter hur röntgenstrålar diffrakterar genom ett kristallint material.

• ApplikationerKristallografi, fasanalys, töjningsmätning och tunnfilmsutvärdering.

(2) Svepelektronmikroskopi (SEM)

• ÄndamålObservera ytans morfologi och mikrostruktur.

• PrincipAnvänder en elektronstråle för att skanna provytan. Detekterade signaler (t.ex. sekundära och bakåtspridda elektroner) avslöjar ytdetaljer.

• ApplikationerMaterialvetenskap, nanoteknik, biologi och felanalys.

(3) Atomkraftsmikroskopi (AFM)

• ÄndamålBildytor med atom- eller nanometerupplösning.

• PrincipEn skarp sond skannar ytan samtidigt som den bibehåller en konstant interaktionskraft; vertikala förskjutningar genererar en 3D-topografi.

• ApplikationerNanostrukturforskning, mätning av ytjämnhet, biomolekylära studier.