En omfattende oversigt over tyndfilmsaflejringsteknikker: MOCVD, magnetronsputtering og PECVD

Inden for halvlederfremstilling er fotolitografi og ætsning de hyppigst nævnte processer, mens epitaksiale eller tyndfilmsaflejringsmetoder er lige så kritiske. Denne artikel introducerer flere almindelige tyndfilmsaflejringsmetoder, der anvendes i chipfremstilling, herunderMOCVD, magnetronsputtering, ogPECVD.

Hvorfor er tyndfilmsprocesser essentielle i chipproduktion?

For at illustrere det, forestil dig et almindeligt bagt fladbrød. I sig selv kan det smage kedeligt. Men ved at pensle overfladen med forskellige saucer – som en krydret bønnepaste eller sød maltsirup – kan du fuldstændig forvandle dets smag. Disse smagsforstærkende overtræk minder omtynde filmi halvlederprocesser, mens selve fladbrødet repræsenterersubstrat.

I chipfremstilling tjener tyndfilm adskillige funktionelle roller - isolering, ledningsevne, passivering, lysabsorption osv. - og hver funktion kræver en specifik aflejringsteknik.

1. Metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD)

MOCVD er en meget avanceret og præcis teknik, der anvendes til aflejring af tynde halvlederfilm og nanostrukturer af høj kvalitet. Den spiller en afgørende rolle i fremstillingen af ​​enheder som LED'er, lasere og effektelektronik.

Nøglekomponenter i et MOCVD-system:

• Gasleveringssystem
  Ansvarlig for præcis indføring af reaktanter i reaktionskammeret. Dette omfatter flowkontrol af:

• Bæregasser

• Metalorganiske forstadier

• Hydridgasser
  Systemet har flervejsventiler til at skifte mellem vækst- og udrensningstilstande.

• Reaktionskammer
  Systemets hjerte, hvor den faktiske materialevækst finder sted. Komponenterne omfatter:

  • Grafitsusceptor (substratholder)

  • Varme- og temperatursensorer

  • Optiske porte til overvågning på stedet

  • Robotarme til automatiseret waferindlæsning/aflæsning

• Vækstkontrolsystem
  Består af programmerbare logiske styreenheder og en værtscomputer. Disse sikrer præcis overvågning og repeterbarhed gennem hele aflejringsprocessen.

• In-situ overvågning
  Værktøjer som pyrometre og reflektometre måler:

  • Filmtykkelse

  • Overfladetemperatur

  • Substratkrumning
    Disse muliggør feedback og justering i realtid.

• Udstødningsbehandlingssystem
  Behandler giftige biprodukter ved hjælp af termisk nedbrydning eller kemisk katalyse for at sikre sikkerhed og miljøoverholdelse.

Konfiguration af lukket brusehoved (CCS):

I vertikale MOCVD-reaktorer tillader CCS-designet, at gasser injiceres ensartet gennem skiftende dyser i en brusehovedstruktur. Dette minimerer for tidlige reaktioner og forbedrer ensartet blanding.

• Deroterende grafitmodtagerhjælper yderligere med at homogenisere grænselaget af gasser, hvilket forbedrer filmens ensartethed på tværs af waferen.

2. Magnetronsputtering

Magnetronsputtering er en fysisk dampaflejringsmetode (PVD), der anvendes i vid udstrækning til aflejring af tynde film og belægninger, især inden for elektronik, optik og keramik.

Arbejdsprincip:

1. Målmateriale
   Kildematerialet, der skal aflejres – metal, oxid, nitrid osv. – er fastgjort på en katode.

2. Vakuumkammer
   Processen udføres under højvakuum for at undgå kontaminering.

3. Plasmagenerering
   En inert gas, typisk argon, ioniseres for at danne plasma.

4. Magnetisk feltanvendelse
   Et magnetfelt begrænser elektroner nær målet for at forbedre ioniseringseffektiviteten.

5. Sputteringsproces
   Ioner bombarderer målet og løsner atomer, der bevæger sig gennem kammeret og aflejres på substratet.

Fordele ved magnetronsputtering:

• Ensartet filmaflejringover store områder.

• Evne til at deponere komplekse forbindelser, herunder legeringer og keramik.

• Justerbare procesparametretil præcis kontrol af tykkelse, sammensætning og mikrostruktur.

• Høj filmkvalitetmed stærk vedhæftning og mekanisk styrke.

• Bred materialekompatibilitet, fra metaller til oxider og nitrider.

• Lavtemperaturdrift, egnet til temperaturfølsomme underlag.

3. Plasmaforstærket kemisk dampaflejring (PECVD)

PECVD bruges i vid udstrækning til aflejring af tyndfilm som siliciumnitrid (SiNx), siliciumdioxid (SiO₂) og amorft silicium.

Princip:

I et PECVD-system indføres prækursorgasser i et vakuumkammer, hvor englødeudladningsplasmagenereres ved hjælp af:

• RF-excitation

• DC højspænding

• Mikrobølgeovn eller pulserende kilder

Plasmaet aktiverer gasfasereaktionerne og genererer reaktive stoffer, der aflejres på substratet og danner en tynd film.

Aflejringstrin:

1. Plasmadannelse
   Exciteret af elektromagnetiske felter ioniserer prækursorgasser og danner reaktive radikaler og ioner.

2. Reaktion og transport
   Disse arter gennemgår sekundære reaktioner, når de bevæger sig mod substratet.

3. Overfladereaktion
   Når de når substratet, adsorberer de, reagerer og danner en fast film. Nogle biprodukter frigives som gasser.

PECVD-fordele:

• Fremragende ensartethedi filmens sammensætning og tykkelse.

• Stærk vedhæftningselv ved relativt lave aflejringstemperaturer.

• Høje aflejringsraterhvilket gør den velegnet til produktion i industriel skala.

4. Teknikker til karakterisering af tyndfilm

Det er vigtigt at forstå egenskaberne ved tynde film for at kunne kontrollere kvaliteten. Almindelige teknikker omfatter:

(1) Røntgendiffraktion (XRD)

• FormålAnalyser krystalstrukturer, gitterkonstanter og orienteringer.

• PrincipBaseret på Braggs lov, måler den, hvordan røntgenstråler diffrakterer gennem et krystallinsk materiale.

• ApplikationerKrystallografi, faseanalyse, tøjningsmåling og tyndfilmsevaluering.

(2) Skanningselektronmikroskopi (SEM)

• FormålObserver overflademorfologi og mikrostruktur.

• PrincipBruger en elektronstråle til at scanne prøveoverfladen. Detekterede signaler (f.eks. sekundære og tilbagespredte elektroner) afslører overfladedetaljer.

• ApplikationerMaterialevidenskab, nanoteknologi, biologi og fejlanalyse.

(3) Atomkraftmikroskopi (AFM)

• FormålBilledoverflader ved atomar eller nanometeropløsning.

• PrincipEn skarp sonde scanner overfladen, mens den opretholder en konstant interaktionskraft; lodrette forskydninger genererer en 3D-topografi.

• ApplikationerNanostrukturforskning, måling af overfladeruhed, biomolekylære studier.