Een uitgebreid overzicht van dunnefilmdepositietechnieken: MOCVD, magnetronsputteren en PECVD

In de halfgeleiderproductie zijn fotolithografie en etsen de meest genoemde processen, maar epitaxiale of dunne-filmdepositietechnieken zijn even cruciaal. Dit artikel introduceert verschillende veelgebruikte dunne-filmdepositiemethoden die worden gebruikt bij chipfabricage, waaronderMOCVD, magnetron sputteren, EnPECVD.

Waarom zijn dunnefilmprocessen essentieel bij de productie van chips?

Ter illustratie: stel je een gewoon gebakken platbrood voor. Op zichzelf smaakt het misschien flauw. Maar door het oppervlak te bestrijken met verschillende sauzen – zoals een hartige bonenpasta of zoete moutstroop – kun je de smaak volledig veranderen. Deze smaakversterkende coatings zijn vergelijkbaar metdunne filmsin halfgeleiderprocessen, terwijl het platte brood zelf desubstraat.

Bij de fabricage van chips vervullen dunne films verschillende functionele rollen: isolatie, geleiding, passivering, lichtabsorptie, enz., en elke functie vereist een specifieke afzettingstechniek.

1. Metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD)

MOCVD is een zeer geavanceerde en nauwkeurige techniek die wordt gebruikt voor de depositie van hoogwaardige dunne halfgeleiderfilms en nanostructuren. Het speelt een cruciale rol bij de fabricage van apparaten zoals leds, lasers en vermogenselektronica.

Belangrijkste componenten van een MOCVD-systeem:

• Gasafgiftesysteem
  Verantwoordelijk voor de nauwkeurige toevoer van reactanten naar de reactiekamer. Dit omvat de stromingsregeling van:

• Draaggassen

• Metaal-organische voorlopers

• Hydride gassen
  Het systeem is voorzien van meerwegkleppen waarmee u kunt schakelen tussen de groei- en zuiveringsmodus.

• Reactiekamer
  Het hart van het systeem waar de daadwerkelijke materiële groei plaatsvindt. Componenten omvatten:

  • Grafiet susceptor (substraathouder)

  • Verwarmings- en temperatuursensoren

  • Optische poorten voor in-situ monitoring

  • Robotarmen voor geautomatiseerd laden en lossen van wafers

• Groeicontrolesysteem
  Bestaat uit programmeerbare logische controllers en een hostcomputer. Deze zorgen voor nauwkeurige monitoring en herhaalbaarheid gedurende het gehele depositieproces.

• In-situ monitoring
  Hulpmiddelen zoals pyrometers en reflectometers meten:

  • Filmdikte

  • Oppervlaktetemperatuur

  • Kromming van het substraat
    Deze maken realtime feedback en bijsturing mogelijk.

• Uitlaatgasbehandelingssysteem
  Behandelt giftige bijproducten met behulp van thermische ontleding of chemische katalyse om veiligheid en naleving van milieuvoorschriften te garanderen.

Gesloten-gekoppelde douchekop (CCS) configuratie:

In verticale MOCVD-reactoren zorgt het CCS-ontwerp ervoor dat gassen gelijkmatig worden geïnjecteerd via afwisselende sproeiers in een douchekopstructuur. Dit minimaliseert voortijdige reacties en verbetert de uniforme menging.

• Deroterende grafiet susceptordraagt ​​verder bij aan het homogeniseren van de grenslaag van gassen, waardoor de uniformiteit van de film over de wafer wordt verbeterd.

2. Magnetron sputteren

Magnetronsputteren is een fysische dampdepositiemethode (PVD) die veel wordt gebruikt voor het aanbrengen van dunne films en coatings, met name in elektronica, optica en keramiek.

Werkingsprincipe:

1. Doelmateriaal
   Het af te zetten bronmateriaal (metaal, oxide, nitride, enz.) wordt op een kathode bevestigd.

2. Vacuümkamer
   Het proces wordt uitgevoerd onder hoog vacuüm om besmetting te voorkomen.

3. Plasmageneratie
   Een inert gas, meestal argon, wordt geïoniseerd om plasma te vormen.

4. Toepassing van magnetische velden
   Een magnetisch veld houdt elektronen dicht bij het doel, waardoor de ionisatie-efficiëntie wordt verbeterd.

5. Sputterproces
   Ionen bombarderen het doelwit en maken atomen los die door de kamer reizen en zich op het substraat afzetten.

Voordelen van magnetronsputteren:

• Uniforme filmafzettingover grote gebieden.

• Vermogen om complexe verbindingen af ​​te zetten, inclusief legeringen en keramiek.

• Instelbare procesparametersvoor nauwkeurige controle van dikte, samenstelling en microstructuur.

• Hoge filmkwaliteitmet sterke hechting en mechanische sterkte.

• Brede materiaalcompatibiliteit, van metalen tot oxiden en nitriden.

• Lage temperatuur werking, geschikt voor temperatuurgevoelige substraten.

3. Plasma-versterkte chemische dampdepositie (PECVD)

PECVD wordt veel gebruikt voor de afzetting van dunne films zoals siliciumnitride (SiNx), siliciumdioxide (SiO₂) en amorf silicium.

Beginsel:

In een PECVD-systeem worden precursorgassen in een vacuümkamer gebracht waar eengloeiontladingsplasmawordt gegenereerd met behulp van:

• RF-excitatie

• DC-hoogspanning

• Microgolf- of gepulseerde bronnen

Het plasma activeert de gasfasereacties, waardoor reactieve deeltjes ontstaan ​​die zich op het substraat afzetten en zo een dunne film vormen.

Afzettingsstappen:

1. Plasmavorming
   Voorlopergassen worden aangeslagen door elektromagnetische velden en ioniseren, waardoor reactieve radicalen en ionen ontstaan.

2. Reactie en transport
   Deze soorten ondergaan secundaire reacties terwijl ze zich naar het substraat bewegen.

3. Oppervlaktereactie
   Wanneer ze het substraat bereiken, adsorberen ze, reageren ze en vormen ze een vaste film. Sommige bijproducten komen vrij als gassen.

Voordelen van PECVD:

• Uitstekende uniformiteitin filmcompositie en -dikte.

• Sterke hechtingzelfs bij relatief lage afzettingstemperaturen.

• Hoge depositiesnelhedenwaardoor het geschikt is voor productie op industriële schaal.

4. Technieken voor dunnefilmkarakterisering

Inzicht in de eigenschappen van dunne films is essentieel voor kwaliteitscontrole. Veelgebruikte technieken zijn onder andere:

(1) Röntgendiffractie (XRD)

• Doel: Analyseer kristalstructuren, roosterconstanten en oriëntaties.

• Beginsel:Gebaseerd op de wet van Bragg; meet hoe röntgenstralen door een kristallijn materiaal diffunderen.

• Toepassingen:Kristallografie, faseanalyse, rekmeting en dunnefilmevaluatie.

(2) Scannende elektronenmicroscopie (SEM)

• Doel: Observeer de oppervlaktemorfologie en microstructuur.

• Beginsel: Gebruikt een elektronenbundel om het oppervlak van het monster te scannen. De gedetecteerde signalen (bijv. secundaire en teruggekaatste elektronen) onthullen details van het oppervlak.

• Toepassingen: Materiaalkunde, nanotechnologie, biologie en faalanalyse.

(3) Atoomkrachtmicroscopie (AFM)

• Doel:Afbeeldingsoppervlakken met atomaire of nanometerresolutie.

• Beginsel:Een scherpe sonde scant het oppervlak terwijl een constante interactiekracht wordt gehandhaafd; verticale verplaatsingen genereren een 3D-topografie.

• Toepassingen: Nanostructuuronderzoek, oppervlakteruwheidsmeting, biomoleculaire studies.