Polovodičové procesy a zařízení: Procesy a zařízení nanášení tenkých vrstev

Nanášení tenkých vrstev je nanášení nano-filmu na substrát a poté opakovanými procesy, jako je leptání a leštění, vzniká mnoho naskládaných vodivých nebo izolačních vrstev a každá vrstva má navržený vzor obvodu. Tímto způsobem jsou polovodičové součástky a obvody integrovány do čipů se složitou strukturou.

Existují tři hlavní kategorie nanášení tenkých vrstev:

◈ CVD (chemická depozice z plynné fáze)

◈ PVD (Phicial Vapour Deposition)

◈ ALD (depozice atomových vrstev)

Podívejme se blíže na technologie nanášení tenkých vrstev z těchto tří kategorií.

 

Proces chemické depozice par

Chemická depozice z plynné fáze (CVD) vytváří tenký film na povrchu substrátu tepelným rozkladem a/nebo reakcí plynných sloučenin. Mezi materiály filmové vrstvy, které lze vyrobit metodou CVD, patří karbid, nitrid, borid, oxid, sulfid, selenid, telurid, stejně jako některé kovové sloučeniny, slitiny atd.

Chemická depozice par je v současné době důležitou mikroskopickou výrobní metodou, protože má následující vlastnosti:

1. Široká škála nanášení: lze nanášet kovové i nekovové filmy, podle potřeby také filmy s vícesložkovými slitinami a také keramické nebo kompozitní vrstvy.

2. CVD reakce se provádí při atmosférickém tlaku nebo nízkém vakuu a difrakce povlaku je dobrá a může být rovnoměrně potažen pro hluboké díry a jemné díry na površích se složitými tvary nebo obrobky.

3. Může získat tenký filmový povlak s vysokou čistotou, dobrou kompaktností, nízkým zbytkovým napětím a dobrou krystalizací. Vzájemnou difúzí reakčních plynů, reakčních produktů a substrátů lze získat dobře přilnavý film, který je důležitý pro povrchové vyztužovací fólie jako je pasivace povrchu, odolnost proti korozi a odolnost proti opotřebení.

4. Protože teplota, při které film roste, je mnohem nižší než bod tání materiálu filmu, je možné získat vysoce čistou, plně krystalickou vrstvu filmu, která je nezbytná pro některé polovodičové povlaky.

5. Úpravou parametrů depozice lze účinně řídit chemické složení, morfologii, krystalovou strukturu a velikost zrna povlaku.

6. Zařízení je jednoduché, snadno se obsluhuje a udržuje.

7. Reakční teplota je příliš vysoká, obecně 850~1100 stupňů, a mnoho matricových materiálů nemůže odolat vysoké teplotě CVD. Ke snížení depoziční teploty lze použít plazmovou nebo laserovou technologii.

Proces chemické depozice par je rozdělen do tří důležitých fází:

1, Reakční plyn difunduje k povrchu matrice

2, Reakční plyn je adsorbován na povrchu matrice

3, Na povrchu matrice dochází k chemické reakci za vzniku pevných usazenin a výsledné vedlejší produkty v plynné fázi se oddělují od povrchu matrice

Nejběžnější reakce chemické depozice z plynné fáze jsou: reakce tepelného rozkladu, reakce chemické syntézy a reakce chemického transportu. Hlavní reakční procesy CVD jsou následující:
i). Polysilikon

SiH4 ->Si + 2h2 (600 stupňů)

Rychlost nanášení 100 - 200 nm/min

Lze přidat fosfor (fosfin), bór (diboran) nebo plynný arsen. Polysilikon lze po nanesení také dotovat difúzním plynem.

ii).KřemíkDioxid

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 stupeň)

SiO2 se používá jako izolant nebo pasivační vrstva. Fosfor se obvykle přidává pro získání lepších vlastností toku elektronů. Když je křemík přítomen v kyslíku, roste SiO2 tepelně. Kyslík pochází z kyslíku nebo vodní páry. Požadavek na okolní teplotu je 900 ~ 1200 stupňů. Povrch křemíkového plátku po selektivní oxidaci je znázorněn na obrázku níže:

Kyslík i voda difundují stávajícím SiO2 a spojují se s Si za vzniku dalšího SiO2. Voda (pára) difunduje snadněji než kyslík, takže s použitím páry roste mnohem rychleji. Oxidy se používají k vytvoření izolační a pasivační vrstvy pro vytvoření hradla tranzistoru. Suchý kyslík se používá k vytvoření hradel a tenkých oxidových vrstev. Pára se používá k vytvoření silné vrstvy oxidu. Izolační oxidová vrstva je obvykle kolem 1500 nm a hradlová vrstva je obvykle mezi 200 nm a 500 nm.

iii). Nitrid křemíku

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Zařízení CVD pro chemickou depozici par

Existují tři základní typy CVD reaktorů:

◈ APCVD: Atmosférický tlak CVD

◈ LPCVD: Nízkotlaký CVD, LPCVD

◈ UHVCVD: CVD s ultravysokým vakuem

◈ LCVD: Laserové CVD

◈ MOCVD: kov-organické CVD

◈ CVD (PECVD)

Schéma zařízení pro nízkotlaký proces CVD je znázorněno na obrázku níže.

Níže uvedený diagram ukazuje strukturu iontově zesíleného CVD zařízení používaného k ukládání uhlíku a přípravě povlaku podobného diamantu.

Fotovoltaický zdroj PVDProces

Za podmínek vakua se materiál na povrchu materiálového zdroje (pevný nebo kapalný) odpaří na plynné atomy, molekuly nebo části ionizované na ionty fyzikálními metodami a na povrch matrice se nanese tenký film se speciální funkcí. prostřednictvím nízkotlakého plynového (nebo plazmového) procesu. Fyzikální depozicí z plynné fáze lze nejen nanášet kovové filmy a slitinové filmy, ale také sloučeniny, keramiku, polovodiče, polymerní filmy atd. Základní princip technologie fyzikálního napařování lze rozdělit do tří procesních kroků: (1) Odpařování pokovovací materiál: i když se pokovovací materiál vypařuje, sublimuje nebo je rozprašován, to znamená přes zdroj odpařování pokovovacího materiálu. (2) Migrace atomů, molekul nebo iontů pokovovacího materiálu: Poté, co se atomy, molekuly nebo ionty dodané zdrojem zplyňování srazí, dojde k řadě reakcí. (3) Depozice pokovovacích atomů, molekul nebo iontů na substrát. Proces technologie fyzikálního napařování je bez znečištění a má málo spotřebního materiálu. Film je stejnoměrný a hustý a vazebná síla se substrátem je silná. Tato technologie je široce používána v letectví, elektronice, optice, strojírenství, stavebnictví, lehkém průmyslu, metalurgii, materiálech a dalších oborech a může připravovat povlaky s odolností proti opotřebení, korozi, dekorativní, vodivé, izolační, světelné vodivosti, piezoelektrikou, magnetismus, mazání, supravodivost a další charakteristiky. Existuje také řada procesů pro fyzikální depozici par:

◈ Vakuové nanášení tenkého filmu

◈ PVD naprašování

◈ Iontový povlak

Níže popisujeme procesní technologie pro každý z těchto tří typů metod.

◈ Vakuové nanášení tenkého filmu

Princip:Vakuové nanášení tenkého filmuje technologie, která zahřívá a odpařuje pokovovací terč za podmínek vakua, takže se odpaří velké množství atomů a molekul a opustí kapalný pokovovací materiál nebo opustí pevný pokovovací povrch (nebo sublimaci) a nakonec se usadí na povrchu pokovovacího materiálu. substrát. V celém procesu budou plynné atomy a molekuly migrovat přímo do matrice s několika srážkami ve vakuu a jsou uloženy na povrchu matrice za vzniku tenkého filmu. Metody odpařování zahrnují odporový ohřev, vysokofrekvenční indukční ohřev, elektronový paprsek, laserový paprsek, vysokoenergetický bombardovací materiál s iontovým paprskem atd.

Thin Film Vacuum Coating je jednou z nejstarších technologií PVD.

Zdroj odpařování:Pokovovací materiál se zahřeje na teplotu odpařování a odpaří, toto topné zařízení se nazývá zdroj odpařování. Nejčastěji používanými odpařovacími zdroji jsou odporové odpařovací zdroje a odpařovací zdroje elektronového paprsku a mezi odpařovací zdroje pro speciální účely patří vysokofrekvenční indukční ohřev, obloukový ohřev, radiační ohřev, laserový ohřev odpařovací zdroje atd. Proces: Základní proces vakua vypařování je následující:

Předpokovovací úprava: včetně čištění pokovených dílů a předúpravy. Mezi specifické metody čištění patří čištění čisticími prostředky, čištění chemickými rozpouštědly, čištění ultrazvukem a čištění iontovým bombardováním. Specifická předúprava zahrnuje odstranění statické elektřiny, základní nátěr atd.

Plnění pece: včetně čištění vakuové komory, čištění pokovovacích závěsů, instalace a odladění odpařovacích zdrojů a potahování plášťů.

Vakuování: Obecně platí, že první hrubé čerpání na více než 6,6 Pa, vývěva difuzní vývěvy před fází údržby se otevře dříve a difúzní vývěva se zahřeje. Po dostatečném předehřátí otevřete vysoký ventil a napumpujte jej na vakuum pozadí 6×10-3Pa pomocí difuzní pumpy.

Pečení: Obložené díly pečeme na požadovanou teplotu.

Iontové bombardování: stupeň vakua je obecně 10Pa~{1}}Pa, napětí iontového bombardování je 200V~1kV záporné vysoké napětí a doba odletu je 5min~30min,

Předtavení: Upravte proud pro předtavení pokovovacího materiálu a odplyňování po dobu 1 min~2 min.

Depozice odpařováním: Nastavte odpařovací proud podle požadavků až do konce požadované doby depozice. 8. Chlazení: Pokovené díly se ve vakuové komoře ochladí na určitou teplotu.

9. Pec: Po vybrání uzavřete vakuovou komoru, vakuujte na 1×10-1Pa a difuzní čerpadlo se ochladí na přípustnou teplotu, než se vypne údržbové čerpadlo a chladicí voda.

◈ PVD naprašování

Naprašováním se rozumí použití částic získaných energií (jako jsou ionty argonu) k bombardování povrchu materiálu terče za podmínek vakua, takže atomy na povrchu materiálu terče mohou získat dostatek energie k úniku, tento proces je tzv. rozprašování. Naprašovaný terč se nanáší na povrch substrátu, což se nazývá naprašovací povlak.

Atomy argonu (Ar) lze ionizovat na ionty argonu (Ar+) plněním argonu (Ar) ve vakuovém prostředí a vybíjením argonu při vysokém napětí. Působením síly elektrického pole ionty argonu urychlují bombardování katodového terče vyrobeného z pokovovacího materiálu a terč bude rozprášen a usazen na povrchu obrobku.

Naprašování lze rozdělit na stejnosměrné naprašování, vysokofrekvenční naprašování a magnetronové naprašování a odpovídající zdroj napětí doutnavého výboje a řídicí pole jsou vysokonapěťový stejnosměrný proud, vysokofrekvenční (RF) střídavý proud a magnetronové (M) pole.

Naprašovací nátěr, vysoká rychlost nanášení, dobrá opakovatelnost procesu, snadná automatizace, vhodný pro velkoplošné architektonické dekorační nátěry a funkční nátěry průmyslových materiálů. Naprašovací povlaky také hrají důležitou roli při výrobě integrovaných obvodů a polovodičových součástek.

S rozvojem high-tech a nově vznikajících průmyslových odvětví existuje mnoho nových a pokročilých předností v technologii fyzikálního napařování, jako je multi-obloukové iontové pokovování a technologie kompatibility magnetronového naprašování, velké obdélníkové terče s dlouhým obloukem a naprašovací terče, nerovnovážné magnetronové naprašovací terče, technologie dvojitých terčů, technologie navíjení nanášením více obloukové pěny, technologie nanášení navíjení pásových vláken atd., použití kompletních sad potahovacích zařízení počítačově automatizovaný vývoj ve velkém měřítku v chemickém průmyslu.

◈ Iontový povlak

Základním principem iontového povlaku je využití technologie plazmové ionizace ve vakuu k částečné ionizaci atomů pokovovacího materiálu na ionty a zároveň k produkci mnoha vysokoenergetických neutrálních atomů. Na substrát, který má být pokovován, je aplikováno negativní předpětí, takže působením hlubokého negativního předpětí se ionty ukládají na povrch substrátu a vytvářejí tenký film.

Pomocí doutnavého výboje inertního plynu iontový povlak způsobí, že pokovovací materiál (jako je kovový titan) zplynuje, odpařuje se a ionizuje a ionty jsou urychlovány elektrickým polem, aby bombardovaly povrch obrobku vyšší energií. Pokud se zavede oxid uhličitý, dusík a další reakční plyny, mohou se na povrchu obrobku získat krycí vrstvy TiC a TiN a tvrdost je až 2000 HV.

Iontové potahování je jedním z nejpoužívanějších potahovacích procesů při metodě fyzikálního napařování.

Jeho výhody jsou následující:

①Adheze mezi vrstvou filmu a matricí je silná a reakční teplota je nízká.

②Vrstva filmu je jednotná a hustá.

③Dobré pokovení vinutí pod podtlakem.

④ Žádná kontaminace.

⑤ Pro iontové pokovování je vhodná široká škála substrátových materiálů.

S rozvojem technologie iontového povlaku se objevilo mnoho různých způsobů technologie iontového povlaku, jako jsou: reaktivní iontové pokovování, plazmové pokovování, iontové pokovování s více oblouky atd. Nebudu je zde všechny rozebírat.

Fotovoltaický zdroj PVDZařízení

Zařízení pro fyzikální nanášení par zahrnuje vakuové napařovací potahovače, vakuové naprašovací potahovače a vakuové iontové potahovače. Obrázek níže ukazuje konstrukční princip vakuového napařovacího potahovače

Následující obrázek ukazuje schematický diagram struktury zařízení pro naprašování

Následující obrázek ukazuje strukturální schematický diagram zařízení pro potahování iontů

ALDProces

ALD:Atomic Layers Deposition je vysoce přesná technologie depozice tenkých vrstev založená na chemickém nanášení z plynné fáze (CVD), což je technologie, která nanáší materiálové materiály vrstvu po vrstvě na povrch substrátu ve formě jediného atomového filmu založeného na chemická parní fáze. Na rozdíl od konvenčního CVD je ALD depozice, při které se střídavě ukládají reakční prekurzory a chemická reakce nového atomového filmu přímo souvisí s předchozí vrstvou, takže pouze jedna vrstva atomů se ukládá při každé reakci.

Při každé reakci je nanesena pouze jedna vrstva atomů, což je samoomezující, což umožňuje nanášení filmu na substrát konformně a bez dírek. V důsledku toho může být tloušťka fólie přesně řízena řízením počtu nanášecích cyklů.

Mezi nanášitelné materiály ALD patří kovy, oxidy, uhlík (dusík, síra, křemík), různé polovodičové materiály a supravodivé materiály. Jak se integrované obvody stále více integrují a zmenšují, hradlová dielektrika s vysokou dielektrickou konstantou (vysoké k) postupně nahrazují tradiční hradla z oxidu křemíku a poměr stran je stále větší a větší, což klade vyšší požadavky na schopnost pokrytí kroku. technologie nanášení, takže ALD byla stále více přijímána jako nový proces nanášení, který může splnit výše uvedené požadavky.

Cyklus ALD lze rozdělit do čtyř kroků:

První prekurzorový plyn je zaveden do substrátu a dochází k adsorpci nebo chemické reakci s povrchem substrátu;

Vypláchněte zbývající plyn inertním plynem;

Zaveďte druhý prekurzorový plyn; chemickou reakci s prvním prekurzorovým plynem adsorbovaným na povrchu matrice za vzniku povlaku, nebo produkt reagující s prvním prekurzorem a matricí pokračuje v reakci za vzniku povlaku;

Přebytečný plyn znovu smyjte inertním plynem.

Vlastnosti a výhody technologie ALD:

Vynikající trojrozměrná konformita: ALD vytváří film, který je konzistentní s tvarem původního substrátu, tj. film lze rovnoměrně nanášet na konkávní povrch. Proto je vhodný pro substráty různých tvarů; Jednotný trojrozměrný film, konzistentní tvar a konformita jsou jedinečné výhody technologie ALD.

Vysoká rovinnost: Povrch je bez dírek a mechanismus růstu zdola nahoru určuje povahu fólie bez dírek, což je cenné pro blokovací a pasivační aplikace.

Vynikající přilnavost: Chemická adsorpce prekurzoru na povrch substrátu zajišťuje vynikající přilnavost

Nízký tepelný rozpočet (nízká depoziční teplota): Růst tenkého filmu lze provádět při nízkých teplotách (pokojová teplota až 400 stupňů), což je velmi atraktivní pro polymerní zařízení s omezenou teplotou a povlaky biomateriálů

Vysoká přesnost: Tloušťku substrátového filmu lze jednoduše a přesně ovládat řízením reakčního cyklu a přesnost tloušťky filmu může dosáhnout tloušťky jednoho atomu.

Zařízení ALD

Procesní teplota zařízení ALD je 50~500 stupňů, které může pracovat za normálního tlaku, ale má tendenci pracovat za podmínek nízkého tlaku (0,1~10 Torr). ALD lze rozdělit na atomovou depozici za tepla a plazmovou depozici atomovou vrstvou (PEALD) podle různých metod dodávky energie. Termální ALD se spoléhá na tepelnou energii k vybuzení dvou nebo více prekurzorů k chemické reakci. Aby byla zajištěna dostatečná reakční aktivační energie, zařízení pro tepelné nanášení atomové vrstvy obecně pracuje v rozsahu 200~500 stupňů.

Níže uvedený obrázek ukazuje jednowaferové zařízení ALD

0020-24896 KRYCÍ KROUŽEK 6" SST 101 AL

 

--Konec--