Понимание технологии подготовки пленок (MOCVD, магнетронное распыление, PECVD)
В этой статье будут представлены несколько методов изготовления тонких пленок. В полупроводниковом производстве наиболее часто упоминаются методы литографии и травления, за которыми следует процесс эпитаксии (пленки).
Почему технология тонких пленок необходима в производстве микросхем?
Например, в повседневной жизни многие люди любят есть блины. Если квадратный блин не приправить и не испечь, у него не будет вкуса, а текстура будет плохой. Некоторые люди предпочитают соленый вкус, поэтому они смазывают поверхность блина слоем бобовой пасты. Другие предпочитают сладкий вкус, поэтому они смазывают поверхность слоем солодового сахара.
После смазывания соусом слой соленого или сладкого соуса на поверхности блина похож на пленку. Его наличие изменяет вкус всего блина, а сам блин называется основой.
Конечно, в процессе обработки микросхем существует множество типов функций для пленок, и соответствующие методы подготовки пленок также различаются. В этой статье мы кратко представим несколько распространенных методов подготовки пленок, включая MOCVD, магнетронное распыление, PECVD и т. д.
I. Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD)
Система эпитаксиального роста MOCVD представляет собой сложный и утонченный прибор, который играет решающую роль в подготовке высококачественных полупроводниковых пленок и наноструктур.
Система MOCVD состоит из пяти основных компонентов, каждый из которых выполняет отдельные, но взаимосвязанные функции, совместно обеспечивая эффективность и безопасность процесса роста материала.
1.1 Система транспортировки газа:Основная задача этой подсистемы - точное управление подачей различных реагентов в реакционную камеру, включая измерение реагентов, время и последовательность их подачи, а также регулирование общего расхода газа.
Она состоит из нескольких подсистем, включая подсистему подачи газа для переноса реагентов, подсистему подачи металлоорганических (MO) источников, подсистему подачи гидридов и мультиплексный клапан роста/вентиляции для управления направлением потока газа. Как показано на рисунке ниже, это схема газового тракта системы роста MOCVD.
AIXTRON CCS 3 x 2" Исследовательская нитридная система MOCVD
Схема газового тракта системы MOCVD
1.2 Система реакционной камеры:Это основной компонент системы MOCVD, отвечающий за фактический процесс роста материала.
Этот раздел включает в себя графитовую основу для поддержки подложки, нагреватель для нагрева подложки, датчик температуры для контроля температуры среды роста, окно оптического обнаружения и автоматический робот загрузки и выгрузки для работы с подложкой. Последний используется для автоматизации процесса загрузки и выгрузки, тем самым повышая эффективность производства. На рисунке ниже показана схема нагрева реакционной камеры MOCVD.
Схема принципа роста в камере MOCVD
1.3 Система управления ростом:Состоит из программируемого контроллера и управляющего компьютера, отвечает за точный контроль и мониторинг всего процесса роста MOCVD.
Контроллер отвечает за сбор, обработку и вывод различных сигналов, в то время как управляющий компьютер отвечает за запись и мониторинг каждого этапа роста материала, обеспечивая стабильность и повторяемость процесса.
1.4 Система мониторинга in-situ:Она состоит из термометров инфракрасного излучения с коррекцией отражения, оборудования для мониторинга отражения и устройств мониторинга деформации.
Эта система может контролировать ключевые параметры во время процесса роста материала в режиме реального времени, такие как толщина и однородность пленки, а также температура подложки. Таким образом, она позволяет немедленно корректировать и оптимизировать процесс роста.
1.5 Система обработки выхлопных газов:Отвечает за обработку токсичных частиц и газов, образующихся в процессе реакции.
С помощью таких методов, как крекинг или химический катализ, эти вредные вещества могут быть эффективно разложены и поглощены, обеспечивая безопасность рабочей среды и соответствие стандартам охраны окружающей среды.
Кроме того, оборудование MOCVD обычно устанавливается в сверхчистых помещениях, оснащенных передовыми системами сигнализации безопасности, эффективными вентиляционными устройствами и строгими системами контроля температуры и влажности. Эти вспомогательные средства и меры безопасности не только обеспечивают безопасность операторов, но и повышают стабильность процесса роста и качество конечной продукции.
Конструкция и эксплуатация системы MOCVD отражают высокие стандарты точности, повторяемости и безопасности, требуемые в области производства полупроводниковых материалов. Это одна из ключевых технологий для производства высокопроизводительных электронных и оптоэлектронных устройств.
Система MOCVD вертикального типа с близко расположенной распылительной головкой (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) в камере оборудования используется для выращивания эпитаксиальных пленок.
Эта система разработана с уникальной структурой распылительной головки. Ее основная особенность заключается в способности эффективно уменьшать предварительные реакции и достигать эффективного смешивания газов. Эти газы впрыскиваются в реакционную камеру через переплетенные распылительные отверстия на распылительной головке, где они полностью смешиваются и тем самым улучшают однородность и эффективность реакции.
Конструкция распылительной головки позволяет равномерно распределять реакционный газ на подложку, расположенную под ней, обеспечивая постоянство концентрации реакционного газа во всех положениях на подложке. Это имеет решающее значение для формирования эпитаксиальной пленки с однородной толщиной.
Кроме того, вращение графитового диска дополнительно способствует однородности границы химической реакции, обеспечивая более равномерный рост эпитаксиальной пленки. Этот механизм вращения, уменьшая пограничный слой тонкой химической реакции, помогает минимизировать локальные различия в концентрации, тем самым повышая общую однородность роста пленки.
(a) Фактическая распылительная головка и ее частичное увеличенное фото, (b) Схема внутренней структуры распылительной головки
II. Магнетронное распыление
Магнетронное распыление - это метод физического осаждения из паровой фазы, обычно используемый для осаждения тонких пленок и нанесения покрытий на поверхность.
Он использует магнитное поле для высвобождения атомов или молекул целевого материала с поверхности мишени, а затем формирует пленку на поверхности материала подложки.
Эта технология широко применяется в производстве полупроводниковых приборов, оптических покрытий, керамических покрытий и других областях.
Схема принципа магнетронного распыления
Принцип магнетронного распыления заключается в следующем:
1. Выбор целевого материала:Целевой материал - это материал, который должен быть осажден на материал подложки. Это могут быть металлы, сплавы, оксиды, нитриды и т. д. Целевой материал обычно закрепляется на устройстве, называемом мишенным пистолетом.
2. Вакуумная среда:Процесс распыления должен проводиться в условиях высокого вакуума, чтобы предотвратить взаимодействие между молекулами газа и целевым материалом. Это помогает обеспечить чистоту и однородность осажденной пленки.
3. Ионизированный газ:Во время процесса распыления обычно вводят инертный газ (например, аргон), чтобы ионизировать его в плазму. Эти ионы под воздействием магнитного поля образуют электронное облако, которое называется «плазма электронного облака».
4. Применение магнитного поля:Магнитное поле прикладывается между целевым материалом и материалом подложки. Это магнитное поле удерживает плазму электронного облака на поверхности целевого материала, тем самым поддерживая высокое энергетическое состояние.
5. Процесс распыления:Применяя высокоэнергетическую плазму электронного облака, атомы или молекулы целевого материала подвергаются ударам, высвобождаясь при этом. Эти высвобожденные атомы или молекулы будут осаждаться в виде пара на поверхности материала подложки, образуя пленку.
Преимущества магнетронного распыления включают:
1. Однородность осажденной пленки:Магнитное поле может помочь контролировать передачу ионов, тем самым достигая однородного осаждения пленки, обеспечивая постоянство толщины и свойств пленки по всей поверхности подложки.
2. Получение сложных сплавов и соединений:Магнетронное распыление может использоваться для изготовления сложных пленок из сплавов и соединений, что может быть сложнее достичь с помощью других методов осаждения.
3. Контролируемость и модифицируемость:Регулируя такие параметры, как состав целевого материала, давление газа и скорость осаждения, можно точно контролировать свойства пленки, включая толщину, состав и микроструктуру.
4. Высококачественные пленки:Магнетронное распыление обычно позволяет получать высококачественные, плотные и однородные пленки с отличной адгезией и механическими свойствами.
5. Многофункциональность:Применимо к различным типам материалов, включая металлы, оксиды, нитриды и т. д. Поэтому он имеет широкое применение в различных областях.
6. Низкотемпературное осаждение:По сравнению с другими методами, магнетронное распыление может проводиться при низких температурах или даже при комнатной температуре, что делает его пригодным для применений, где материал подложки чувствителен к температуре.
В целом, магнетронное распыление - это высококонтролируемая и гибкая технология изготовления тонких пленок, применимая к широкому спектру областей применения, от электронных устройств до оптических покрытий и т. д.
III. Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы
Технология плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) широко используется при подготовке различных пленок (таких как кремний, нитрид кремния и диоксид кремния и т. д.).
Структурная схема системы PECVD показана на рисунке ниже.
Схема структуры системы плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы
Основной принцип заключается в следующем: газообразные вещества, содержащие компоненты пленки, вводятся в камеру осаждения. Используя плазменный разряд, газообразные вещества вступают в химические реакции с образованием плазмы. Когда эта плазма осаждается на подложку, вырастает материал пленки.
Методы инициирования тлеющего разряда включают: возбуждение радиочастотой, возбуждение постоянным током высокого напряжения, импульсное возбуждение и микроволновое возбуждение.
Толщина и состав пленок, полученных методом PECVD, демонстрируют превосходную однородность. Кроме того, пленки, осажденные этим методом, обладают высокой адгезией и могут достигать высоких скоростей осаждения при относительно низких температурах осаждения.
Вообще говоря, рост тонких пленок в основном включает следующие три процесса:
Первый шаг заключается в том, что реакционный газ под действием электромагнитного поля подвергается тлеющему разряду для генерации плазмы.
В течение этого процесса электроны сталкиваются с реакционным газом, инициируя первичную реакцию, которая приводит к разложению реакционного газа и образованию ионов и реакционных групп.
Второй шаг заключается в том, что различные продукты, образовавшиеся в результате первичной реакции, перемещаются к подложке, в то время как различные активные группы и ионы вступают во вторичные реакции с образованием вторичных продуктов.
Третий шаг включает адсорбцию различных первичных и вторичных продуктов на поверхности подложки и их последующую реакцию с поверхностью. Одновременно происходит выделение газообразных молекулярных веществ.
IV. Методы характеристики тонких пленок
4.1 Рентгеновская дифракция (XRD)
XRD (рентгеновская дифракция) - это широко используемый метод анализа кристаллических структур.
Он выявляет такую информацию, как параметры решетки, кристаллическая структура и кристаллографическая ориентация материала, путем измерения дифракционных картин рентгеновских лучей на кристаллической структуре внутри материала.
XRD широко используется в различных областях, таких как материаловедение, физика твердого тела, химия и геология.
Схема принципа тестирования XRD
Принцип работы: Основной принцип XRD основан на законе Брэгга. То есть, когда падающий луч направляется на кристаллический образец, если атомная или ионная решетка в кристалле расположена определенным образом, рентгеновские лучи будут дифрагировать. Угол и интенсивность дифракции могут предоставить информацию о структуре кристалла.
Рентгеновский дифрактометр Bruker D8 Discover
Состав прибора: Типичный прибор XRD состоит из следующих компонентов:
1. Источник рентгеновского излучения: Устройство, которое излучает рентгеновские лучи, обычно использует вольфрамовые или медные мишени для генерации рентгеновских лучей.
2. Платформа для образцов: Платформа для размещения образцов, которая может вращаться для регулировки угла образцов.
3. Детектор рентгеновского излучения: Используется для измерения интенсивности и угла дифракционного света.
4. Система управления и анализа: Это включает в себя программную систему для управления источником рентгеновского излучения, сбора данных, анализа и интерпретации.
Области применения: XRD имеет важное применение во многих областях, включая, но не ограничиваясь:
1. Кристаллографические исследования: Используется для анализа кристаллической структуры кристаллов, определения параметров решетки и кристаллографической ориентации.
2. Характеристика материала: Анализ информации, такой как кристаллическая структура, фазовый состав и дефекты кристалла материала.
3. Химический анализ: Идентификация кристаллических структур неорганических и органических соединений и изучение взаимодействий между молекулами.
4. Анализ пленок: Это используется для изучения кристаллической структуры, толщины и соответствия решетки пленки.
5. Минералогия и геология: Используется для идентификации типов и содержания минералов и изучения состава геологических образцов.
6. Исследование лекарств: Анализ кристаллической структуры лекарственного средства полезен для понимания его свойств и взаимодействий.
В целом, XRD - это мощный аналитический метод, который позволяет ученым и инженерам получить глубокое понимание кристаллической структуры и свойств материалов, тем самым способствуя исследованиям и применению в материаловедении и смежных областях.
Фотография рентгеновского дифрактометра
4.2 Сканирующий электронный микроскоп (SEM)
Сканирующий электронный микроскоп (SEM) - это широко используемый тип микроскопа. Он использует электронный луч вместо светового луча для освещения образца, обеспечивая наблюдение поверхности и морфологии с высоким разрешением.
SEM широко используется в таких областях, как материаловедение, биология и геология.
Основной принцип работы SEM заключается в следующем:
SEM использует электронную пушку для генерации электронного луча. Эта электронная пушка похожа на ту, что находится в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), генерируя электроны высокой энергии. Электронный луч проходит через систему коллимации, которая состоит из ряда электронных линз, для фокусировки и выравнивания электронного луча, обеспечивая стабильность и фокусировку луча. Под управлением сканирующей катушки электронный луч сканирует поверхность образца.
Положение электронного луча можно точно контролировать, тем самым генерируя пиксели сканирования на образце.
Образец помещается на предметный столик SEM. Образец должен быть проводящим, потому что в SEM электронный луч должен взаимодействовать с поверхностью образца для генерации вторичных электронов и т. д. Когда высокоэнергетические электронные лучи попадают на поверхность образца, они взаимодействуют с атомами и молекулами в образце. Эти взаимодействия вызывают рассеяние, выход и возбуждение электронов, генерируя различные сигналы. Детектор SEM анализирует различные сигналы, генерируемые с поверхности образца, в основном включая вторичные электроны (SE) и электроны обратного рассеяния (BSE).
Эти сигналы предоставляют информацию о морфологии поверхности, структуре и составе образца. Управляя положением сканирования электронного луча на образце, SEM может получать информацию о пикселях поверхности образца. Эта информация обрабатывается и отображается компьютером, генерируя изображения поверхности образца с высоким разрешением.
Физическое изображение SEM
4.3 Атомно-силовой микроскоп (AFM)
Атомно-силовой микроскоп (AFM) - это микроскопический метод высокого разрешения, в основном используемый для наблюдения особенностей образцов в атомном и нанодиапазоне. Его принцип работы основан на взаимодействии между зондом и поверхностью образца. Измеряя изменения положения зонда, можно получить топографическую и топологическую информацию о поверхности образца.
В AFM используется очень тонкий зонд, обычно изготовленный из кремния или других материалов с наноразмерным наконечником. Зонд соединен со сканирующей головкой через консоль или пьезоэлектрическое устройство, при этом кончик зонда находится близко к поверхности образца. Когда зонд находится близко к поверхности образца, происходят взаимодействия между атомами и молекулами образца и зондом, включая электростатические силы, силы Ван-дер-Ваальса и взаимодействия химических связей и т. д. Движение консоли или пьезоэлектрического устройства контролируется для поддержания определенной силы между кончиком зонда и поверхностью образца.
AFM использует систему обратной связи для поддержания постоянной силы между зондом и образцом. Когда высота или положение зонда изменяются, система обратной связи автоматически регулирует положение консоли, чтобы поддерживать постоянную силу. Зонд и образец перемещаются относительно друг друга, обычно по двумерной сетке, образуя сканирование. В каждой точке сканирования неровности поверхности образца вызывают изменение положения кончика зонда. Измеряя изменение положения зонда, можно получить топологическую информацию о поверхности образца. Наконец, собранные данные обрабатываются для создания топологического изображения поверхности образца с высоким разрешением.
AFM имеет широкое применение в нескольких областях. Он используется в таких областях, как материаловедение, биология и нанотехнологии, помогая исследователям получить более глубокое понимание морфологии поверхности и структуры материалов и даже позволяя манипулировать наноразмерными структурами.
Преимущества AFM включают высокое разрешение, неразрушаемость и несколько рабочих режимов, что делает его мощным инструментом для наблюдения и исследований в наномасштабе.
Физическое изображение AFM
Схема принципа измерения и рабочего режима атомно-силовой микроскопии
Заключение
ZMSH специализируется на передовых технологиях осаждения тонких пленок, включая MOCVD, магнетронное распыление и PECVD, предлагая индивидуальную разработку процессов для полупроводников, оптоэлектроники и применений функциональных покрытий. Наши услуги охватывают индивидуальный дизайн системы, оптимизацию параметров и рост пленок высокой чистоты, а также продажу прецизионного оборудования для осаждения для удовлетворения потребностей в исследованиях и разработках и промышленном производстве.
Вот рекомендуемые продукты SiC от ZMSH:
* Пожалуйста, свяжитесь с нами по любым вопросам авторского права, и мы незамедлительно их рассмотрим.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
