Halvlederprosesser og -utstyr: Tynnfilmavsetningsprosesser og -utstyr

Tynnfilmavsetning er avsetningen av en film i nanostørrelse på underlaget, og deretter med de gjentatte prosessene som etsing og polering, lages mange stablede ledende eller isolerende lag, og hvert lag har et designet kretsmønster. På denne måten integreres halvlederkomponenter og kretser i brikker med komplekse strukturer.

Det er tre hovedkategorier av tynnfilmavsetning:

◈ CVD (kjemisk dampavsetning)

◈ PVD (Phicial Vapor Deposition)

◈ ALD (Atomic Layers Deposition)

La oss se nærmere på tynnfilmavsetningsteknologier fra disse tre kategoriene.

 

Kjemisk dampavsetningsprosess

Kjemisk dampavsetning (CVD) danner en tynn film på overflaten av et substrat gjennom termisk dekomponering og/eller reaksjon av gassformige forbindelser. Filmlagmaterialene som kan lages ved CVD-metoden inkluderer karbid, nitrid, borid, oksid, sulfid, selenid, tellurid, samt noen metallforbindelser, legeringer, etc.

Kjemisk dampavsetning er for tiden en viktig mikroskopisk produksjonsmetode fordi den har følgende egenskaper:

1. Bredt utvalg av avsetninger: metalliske og ikke-metalliske filmer kan avsettes, så vel som filmer med flerkomponentlegeringer, samt keramiske eller sammensatte lag etter behov.

2. CVD-reaksjonen utføres ved atmosfærisk trykk eller lavt vakuum, og diffraksjonen av belegget er god, og det kan belegges jevnt for dype hull og fine hull på overflater med komplekse former eller arbeidsstykker.

3. Det kan oppnå et tynt filmbelegg med høy renhet, god kompakthet, lav restspenning og god krystallisering. På grunn av gjensidig diffusjon av reaksjonsgasser, reaksjonsprodukter og substrater kan en godt klebende film oppnås, noe som er viktig for overflateforsterkningsfilmer som overflatepassivering, korrosjonsbestandighet og slitestyrke.

4. Siden temperaturen som filmen dyrkes ved er mye lavere enn filmmaterialets smeltepunkt, er det mulig å oppnå et høyrent, fullstendig krystallisert filmlag, som er nødvendig for enkelte halvlederbelegg.

5. Ved å justere parametrene for avsetning kan den kjemiske sammensetningen, morfologien, krystallstrukturen og kornstørrelsen til kledningen effektivt kontrolleres.

6. Utstyret er enkelt, lett å betjene og vedlikeholde.

7. Reaksjonstemperaturen er for høy, vanligvis 850~1100 grader, og mange matrisematerialer tåler ikke den høye temperaturen til CVD. Plasma- eller laserassistert teknologi kan brukes for å redusere avsetningstemperaturen.

Den kjemiske dampavsetningsprosessen er delt inn i tre viktige stadier:

1, Reaksjonsgassen diffunderer til overflaten av matrisen

2, Reaksjonsgassen adsorberes på overflaten av matrisen

3, En kjemisk reaksjon skjer på overflaten av matrisen for å danne faste avsetninger og de resulterende gassfase-biproduktene løsnes fra overflaten av matrisen

De vanligste kjemiske dampavsetningsreaksjonene er: termisk dekomponeringsreaksjon, kjemisk syntesereaksjon og kjemisk transportreaksjon. De viktigste reaksjonsprosessene til CVD er som følger:
i). Polysilisium

SiH4 ->Si + 2h2 (600 grader)

Avsetningshastighet 100 - 200 nm /min

Fosfor (fosfin), bor (diboran) eller arsenikkgass kan tilsettes. Polysilisium kan også dopes med diffusjonsgass etter avsetning.

ii).SilisiumDioksid

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

SiO2 brukes som isolator eller passiveringslag. Fosfor tilsettes vanligvis for å oppnå bedre elektronstrømningsegenskaper. Når silisium er tilstede i oksygen, vokser SiO2 termisk. Oksygen kommer fra oksygen eller vanndamp. Kravet til omgivelsestemperatur er 900 ~ 1200 grader. Overflaten til silisiumplaten etter selektiv oksidasjon er vist i figuren nedenfor:

Både oksygen og vann diffunderer gjennom den eksisterende SiO2 og kombineres med Si for å danne ytterligere SiO2. Vann (damp) diffunderer lettere enn oksygen, så det vokser mye raskere ved hjelp av damp. Oksider brukes til å gi et isolerende og passiveringslag for å danne transistorporten. Tørr oksygen brukes til å danne porter og tynne oksidlag. Damp brukes til å danne et tykt oksidlag. Det isolerende oksidlaget er vanligvis rundt 1500 nm, og gatelaget er vanligvis mellom 200 nm og 500 nm.

iii). Siikonnitrid

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Kjemisk dampavsetning CVD -utstyr

Det er tre grunnleggende typer CVD-reaktorer:

◈ APCVD: Atmosfærisk trykk CVD

◈ LPCVD: Lavtrykk CVD, LPCVD

◈ UHVCVD: Ultrahøyt vakuum CVD

◈ LCVD: Laser CVD

◈ MOCVD: Metall-organisk CVD

◈ CVD (PECVD

Det skjematiske diagrammet over utstyret for lavtrykks-CVD-prosessen er vist i figuren nedenfor.

Diagrammet nedenfor viser strukturen til et ioneforsterket CVD-anlegg som brukes til å deponere karbon og forberede et diamantlignende belegg.

PVDBehandle

Under vakuumforhold blir materialet på overflaten av materialkilden (fast eller flytende) fordampet til gassformige atomer, molekyler eller deler ionisert til ioner ved fysiske metoder, og en tynn film med en spesiell funksjon avsettes på overflaten av matrisen gjennom en lavtrykksgass (eller plasma) prosess. Fysisk dampavsetning kan ikke bare avsette metallfilmer og legeringsfilmer, men kan også avsette forbindelser, keramikk, halvledere, polymerfilmer osv. Grunnprinsippet for fysisk dampavsetningsteknologi kan deles inn i tre prosesstrinn: (1) Fordamping av pletteringsmateriale: selv om pletteringsmaterialet fordamper, sublimerer eller forstøves, det vil si gjennom fordampningskilden til pletteringsmaterialet. (2) Migrering av atomer, molekyler eller ioner av pletteringsmaterialet: Etter at atomene, molekylene eller ionene tilført fra gassifiseringskilden kolliderer, vil en rekke reaksjoner genereres. (3) Avsetning av pletteringsatomer, molekyler eller ioner på substratet. Prosessen med fysisk dampavsetningsteknologi er forurensningsfri og har få forbruksvarer. Filmen er jevn og tett, og bindekraften med underlaget er sterk. Teknologien er mye brukt i romfart, elektronikk, optikk, maskineri, konstruksjon, lett industri, metallurgi, materialer og andre felt, og kan forberede belegg med slitesterkt, korrosjonsbestandig, dekorativt, ledende, isolasjon, lysledningsevne, piezoelektrisitet, magnetisme, smøring, superledning og andre egenskaper. Det finnes også en rekke prosesser for fysisk dampavsetning:

◈ Tynnfilmvakuumbelegg

◈ PVD-sputtering

◈ Ion-belegg

Nedenfor beskriver vi prosessteknologiene for hver av disse tre typene metoder.

◈ Tynnfilmvakuumbelegg

Prinsipp:Tynnfilmvakuumbelegger en teknologi som varmer opp og fordamper pletteringsmålet under vakuumforhold, slik at et stort antall atomer og molekyler fordampes og forlater det flytende pletteringsmaterialet eller forlater den faste pletteringsoverflaten (eller sublimering), og til slutt avsettes på overflaten av substrat. I hele prosessen vil de gassformede atomene og molekylene migrere direkte til matrisen med få kollisjoner i et vakuum, og avsettes på overflaten av matrisen for å danne en tynn film. Fordampningsmetodene inkluderer motstandsoppvarming, høyfrekvent induksjonsoppvarming, elektronstråle, laserstråle, ionestråle høyenergibombardementbeleggmateriale, etc.

Tynnfilmvakuumbelegg er en av de eldste teknologiene til PVD.

Fordampningskilde:Pletteringsmaterialet varmes opp til fordampningstemperaturen og fordampes, denne oppvarmingsanordningen kalles en fordampningskilde. De mest brukte fordampningskildene er motstandsfordampningskilder og elektronstrålefordampningskilder, og fordampningskildene for spesielle formål inkluderer høyfrekvent induksjonsoppvarming, lysbueoppvarming, strålingsoppvarming, laseroppvarmingsfordampningskilder osv. Prosess: Den grunnleggende prosessen med vakuum fordampningen er som følger:

Forpletteringsbehandling: inkludert rengjøring av pletteringsdeler og forbehandling. De spesifikke rengjøringsmetodene inkluderer rengjøringsmiddelrengjøring, kjemisk løsningsmiddelrengjøring, ultralydrengjøring og ionebombardementrengjøring. Spesifikk forbehandling inkluderer fjerning av statisk elektrisitet, grunning, etc.

Ovnslasting: inkludert rengjøring av vakuumkammer, rengjøring av platingshengere, installasjon og feilsøking av fordampningskilder og belegg av kjoler.

Støvsuging: Vanligvis åpnes den første grove pumpingen til mer enn 6,6 Pa, pre-stage vedlikeholdsvakuumpumpen til diffusjonspumpen tidligere, og diffusjonspumpen varmes opp. Etter at forvarmingen er tilstrekkelig, åpner du høyventilen og pumper den til et bakgrunnsvakuum på 6×10-3Pa med en diffusjonspumpe.

Baking: Stek de belagte delene til ønsket temperatur.

Ionebombardement: vakuumgraden er vanligvis 10Pa~10-1Pa, ionebombardementspenningen er 200V~1kV negativ høyspenning, og avgangstiden er 5min~30min,

Forsmelting: Juster strømmen for å forhåndssmelte pletteringsmaterialet, og avgassing i 1 min ~ 2 min.

Fordampningsavsetning: Juster fordampningsstrømmen i henhold til kravene til slutten av ønsket avsetningstid. 8. Avkjøling: De belagte delene avkjøles til en viss temperatur i vakuumkammeret.

9. Ovn: Etter plukking, lukk vakuumkammeret, vakuum til 1×10-1Pa, og diffusjonspumpen avkjøles til tillatt temperatur før vedlikeholdspumpen og kjølevannet slås av.

◈ PVD-sputtering

Sputtering belegg refererer til bruken av energi-oppnådde partikler (som argonioner) for å bombardere overflaten av målmaterialet under vakuumforhold, slik at atomene på overflaten av målmaterialet kan få nok energi til å unnslippe, denne prosessen er kalt sputtering. Det sputterede målet avsettes på overflaten av substratet, som kalles sputtering coating.

Argon (Ar) atomer kan ioniseres til argon ioner (Ar+) ved å fylle argon (Ar) i et vakuummiljø og utlade argon ved høy spenning. Under påvirkning av den elektriske feltkraften akselererer argonionene bombardementet av katodemålet laget av pletteringsmateriale, og målet vil sputteres ut og avsettes på overflaten av arbeidsstykket.

Sputtering belegg kan deles inn i DC sputtering, radiofrekvens sputtering og magnetron sputtering, og den tilsvarende glødeutladningsspenningskilden og kontrollfeltet er henholdsvis høyspent likestrøm, radiofrekvens (RF) vekselstrøm og magnetron (M) felt.

Sputtering belegg, høy avsetningshastighet, god prosess repeterbarhet, enkel automatisering, egnet for storskala arkitektonisk dekorasjonsbelegg og funksjonelt belegg av industrielle materialer. Sputtering belegg spiller også en viktig rolle i produksjonen av integrerte kretser og halvlederenheter.

Med utviklingen av høyteknologiske og fremvoksende industrier er det mange nye og avanserte høydepunkter innen fysisk dampavsetningsteknologi, for eksempel multi-arc ion plating og magnetron sputtering kompatibilitetsteknologi, store rektangulære langbuemål og sputtering mål, ikke-likevekt magnetron sputtering mål, tvillingmål teknologi, båndskum multi-arc deposition vikling belegg teknologi, strip fiber stoff vikling belegg teknologi, etc., bruken av komplette sett med belegg utstyr, til datamaskinen automatisert, storskala kjemisk industri skala utvikling.

◈ Ion-belegg

Det grunnleggende prinsippet for ionebelegg er å bruke plasmaioniseringsteknologi under vakuumforhold for å delvis ionisere atomene i pletteringsmaterialet til ioner, og samtidig produsere mange nøytrale atomer med høy energi. En negativ forspenning påføres substratet som skal belegges, slik at under påvirkning av dyp negativ forspenning, blir ioner avsatt på overflaten av substratet for å danne en tynn film.

Ved hjelp av glødeutladning av inert gass får ionebelegget pletteringsmaterialet (som metalltitan) til å forgasse og fordampe og ionisere, og ionene akselereres av det elektriske feltet for å bombardere overflaten av arbeidsstykket med høyere energi, ved dette. tid, hvis karbondioksid, nitrogen og andre reaksjonsgasser introduseres, kan TiC og TiN dekkelag oppnås på overflaten av arbeidsstykket, og hardheten er like høy som 2000HV.

Ionebelegg er en av de mest brukte belegningsprosessene i den fysiske dampavsetningsmetoden.

Dens fordeler er som følger:

①Adhesjonen mellom filmlaget og matrisen er sterk, og reaksjonstemperaturen er lav.

②Filmlaget er jevnt og tett.

③Good svingete plating under negativt skjevhetstrykk.

④Ingen forurensning.

⑤ Et bredt spekter av substratmaterialer er egnet for ionplettering.

Med utviklingen av ionebeleggingsteknologi har det dukket opp mange forskjellige måter å ionebeleggsteknologi på, som: reaktiv ionbelegg, plasmabelegg, multi-bue ionbelegg osv. Jeg skal ikke gå gjennom dem alle her.

PVDUtstyr

Fysisk dampavsetningsutstyr inkluderer vakuumfordampningsbeleggere, vakuumforstøvningsbeleggere og vakuumionbeleggere. Figuren nedenfor viser det strukturelle prinsippet til vakuumfordampningsbeleggeren.

Følgende figur viser det skjematiske diagrammet av utstyrsstrukturen til sputterbelegg

Følgende figur viser det strukturelle skjematiske diagrammet for ionbeleggutstyret

ALDBehandle

ALD:Atomic Layers Deposition er en høypresisjon tynnfilmavsetningsteknologi basert på kjemisk dampavsetning (CVD), som er en teknologi som avsetter materialmaterialer lag for lag på overflaten av et substrat i form av en enkelt atomfilm basert på kjemisk dampfase.I motsetning til konvensjonell CVD er ALD avsetning der reaksjonsforløperne vekselvis avsettes, og den kjemiske reaksjonen til den nye atomfilmen er direkte relatert til det forrige laget, slik at bare ett lag med atomer avsettes i hver reaksjon.

Bare ett lag med atomer avsettes i hver reaksjon, som er selvbegrensende, slik at filmen kan avsettes på underlaget konformt og hullfritt. Som et resultat kan tykkelsen på filmen kontrolleres nøyaktig ved å kontrollere antall avsetningssykluser.

ALD-deponerbare materialer inkluderer metaller, oksider, karbon (nitrogen, svovel, silisium), forskjellige halvledermaterialer og superledende materialer. Etter hvert som de integrerte kretsene blir mer og mer integrerte og mindre, erstatter høy dielektrisitetskonstant (høy k) portdielektrikum gradvis tradisjonelle silisiumoksidporter, og sideforholdet blir større og større, noe som stiller høyere krav til trinndekningsevnen til deponeringsteknologi, så ALD har i økende grad blitt tatt i bruk som en ny deponeringsprosess som kan oppfylle kravene ovenfor.

En ALD-syklus kan deles inn i fire trinn:

Den første forløpergassen innføres i substratet, og adsorpsjon eller kjemisk reaksjon skjer med overflaten av substratet;

Skyll den gjenværende gassen med inertgass;

Introduser den andre forløpergassen; kjemisk reaksjon med den første forløpergassen adsorbert på overflaten av matrisen for å danne et belegg, eller produktet som reagerer med den første forløperen og matrisen fortsetter å reagere for å danne et belegg;

Vask bort overflødig gass med inertgass igjen.

Funksjoner og fordeler med ALD-teknologi:

Utmerket tredimensjonal konformalitet: ALD produserer en film som stemmer overens med formen på det originale underlaget, dvs. at filmen kan avsettes jevnt på en konkav-lignende overflate. Derfor er den egnet for underlag av forskjellige former; Ensartet tredimensjonal film, konsistent form og konformitet er de unike fordelene med ALD-teknologi.

Høy flathet: Overflaten er hullfri, og vekstmekanismen nedenfra og opp bestemmer filmens hullfrie natur, som er verdifull for blokkerings- og passiveringsapplikasjoner.

Utmerket vedheft: Den kjemiske adsorpsjonen av forløperen til underlagets overflate sikrer utmerket vedheft

Lavt termisk budsjett (lav avsetningstemperatur): Tynnfilmvekst kan utføres ved lave temperaturer (romtemperatur til 400 grader), noe som er veldig attraktivt for temperaturbegrensede polymerenheter og belegg av biomaterialer

Høy nøyaktighet: Tykkelsen på substratfilmen kan kontrolleres enkelt og presist ved å kontrollere reaksjonssyklusen, og tykkelsenøyaktigheten til filmen kan nå tykkelsen til ett atom.

ALD utstyr

Prosesstemperaturen til ALD-utstyr er 50~500 grader, som kan fungere under normalt trykk, men det har en tendens til å fungere under lavtrykksforhold (0,1~10Torr). ALD kan deles inn i varm atomavsetning og plasmaforbedret atomlagsavsetning (PEALD) i henhold til forskjellige energiforsyningsmetoder. Termisk ALD er avhengig av termisk energi for å eksitere to eller flere forløpere for å reagere kjemisk. For å gi tilstrekkelig reaksjonsaktiveringsenergi, fungerer termisk atomlagsavsetningsutstyr generelt i området 200 ~ 500 grader.

Bildet nedenfor viser en enkelt-wafer ALD-enhet

0020-24896 DEKKRING 6" SST 101 AL

 

--Slutt--