Halvledarprocesser och utrustning: tunnfilmsavsättningsprocesser och utrustning

Tunnfilmsavsättning är avsättningen av en film i nanostorlek på substratet, och sedan med de upprepade processerna som etsning och polering görs många staplade ledande eller isolerande skikt, och varje skikt har ett designat kretsmönster. På så sätt integreras halvledarkomponenter och kretsar till chips med komplexa strukturer.

Det finns tre huvudkategorier av tunnfilmsavsättning:

◈ CVD (Chemical Vapor Deposition)

◈ PVD (Phicial Vapor Deposition)

◈ ALD (Atomic Layers Deposition)

Låt oss ta en närmare titt på tunnfilmsavsättningsteknologier från dessa tre kategorier.

 

Kemisk ångavsättningsprocess

Kemisk ångavsättning (CVD) bildar en tunn film på ytan av ett substrat genom termisk nedbrytning och/eller reaktion av gasformiga föreningar. Filmskiktsmaterialen som kan tillverkas med CVD-metoden inkluderar karbid, nitrid, borid, oxid, sulfid, selenid, tellurid, såväl som vissa metallföreningar, legeringar, etc.

Kemisk ångavsättning är för närvarande en viktig mikroskopisk tillverkningsmetod eftersom den har följande egenskaper:

1. Brett utbud av avlagringar: metalliska och icke-metalliska filmer kan deponeras, såväl som filmer med flerkomponentlegeringar, såväl som keramiska eller sammansatta skikt efter behov.

2. CVD-reaktionen utförs vid atmosfärstryck eller lågt vakuum, och beläggningens diffraktion är god, och den kan beläggas jämnt för djupa hål och fina hål på ytor med komplexa former eller arbetsstycken.

3. Den kan erhålla en tunn filmbeläggning med hög renhet, god kompakthet, låg restspänning och bra kristallisation. På grund av den inbördes diffusionen av reaktionsgaser, reaktionsprodukter och substrat kan en väl vidhäftande film erhållas, vilket är viktigt för ytförstärkningsfilmer såsom ytpassivering, korrosionsbeständighet och slitstyrka.

4. Eftersom temperaturen vid vilken filmen odlas är mycket lägre än filmmaterialets smältpunkt, är det möjligt att erhålla ett mycket rent, helt kristalliserat filmskikt, vilket är nödvändigt för vissa halvledarbeläggningar.

5. Genom att justera avsättningsparametrarna kan den kemiska sammansättningen, morfologin, kristallstrukturen och kornstorleken hos beklädnaden effektivt kontrolleras.

6. Utrustningen är enkel, lätt att använda och underhålla.

7. Reaktionstemperaturen är för hög, vanligtvis 850~1100 grader, och många matrismaterial kan inte motstå den höga temperaturen av CVD. Plasma- eller laserassisterad teknik kan användas för att minska deponeringstemperaturen.

Den kemiska ångavsättningsprocessen är uppdelad i tre viktiga steg:

1, Reaktionsgasen diffunderar till matrisens yta

2, Reaktionsgasen adsorberas på ytan av matrisen

3, En kemisk reaktion inträffar på matrisens yta för att bilda fasta avlagringar och de resulterande gasfasbiprodukterna lösgörs från matrisens yta

De vanligaste kemiska ångavsättningsreaktionerna är: termisk nedbrytningsreaktion, kemisk syntesreaktion och kemisk transportreaktion. De huvudsakliga reaktionsprocesserna för CVD är följande:
i). Polykisel

SiH4 ->Si + 2h2 (600 grader)

Avsättningshastighet 100 - 200 nm/min

Fosfor (fosfin), bor (diboran) eller arsenikgas kan tillsättas. Polykisel kan även dopas med diffusionsgas efter deponering.

ii).KiselDioxid

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grad)

SiO2 används som isolator eller passiveringsskikt. Fosfor tillsätts vanligtvis för att få bättre elektronflödesegenskaper. När kisel finns i syre växer SiO2 termiskt. Syre kommer från syre eller vattenånga. Kravet på omgivningstemperatur är 900 ~ 1200 grader. Ytan på kiselskivan efter selektiv oxidation visas i figuren nedan:

Både syre och vatten diffunderar genom den befintliga SiO2 och kombineras med Si för att bilda ytterligare SiO2. Vatten (ånga) diffunderar lättare än syre, så det växer mycket snabbare med ånga. Oxider används för att tillhandahålla ett isolerande och passiveringsskikt för att bilda transistorporten. Torrt syre används för att bilda grindar och tunna oxidskikt. Ånga används för att bilda ett tjockt oxidskikt. Det isolerande oxidskiktet är vanligtvis runt 1500 nm, och grindskiktet är vanligtvis mellan 200 nm och 500 nm.

iii). Siikonnitrid

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Kemisk ångavsättning CVD-utrustning

Det finns tre grundläggande typer av CVD-reaktorer:

◈ APCVD: Atmosfäriskt tryck CVD

◈ LPCVD: Lågtrycks CVD, LPCVD

◈ UHVCVD: Ultrahögvakuum CVD

◈ LCVD: Laser CVD

◈ MOCVD: Metall-organisk CVD

◈ CVD (PECVD

Det schematiska diagrammet över utrustningen för lågtrycks-CVD-processen visas i figuren nedan.

Diagrammet nedan visar strukturen hos en jonförstärkt CVD-anläggning som används för att deponera kol och förbereda en diamantliknande beläggning.

PVDBehandla

Under vakuumförhållanden förångas materialet på materialkällans yta (fast eller flytande) till gasformiga atomer, molekyler eller delar joniseras till joner med fysikaliska metoder, och en tunn film med en speciell funktion avsätts på ytan av matrisen genom en lågtrycksgasprocess (eller plasma). Fysisk ångavsättning kan inte bara avsätta metallfilmer och legeringsfilmer, utan kan också avsätta föreningar, keramer, halvledare, polymerfilmer etc. Grundprincipen för teknik för fysisk ångavsättning kan delas in i tre processsteg: (1) Förångning av pläteringsmaterial: även om pläteringsmaterialet avdunstar, sublimeras eller sputtras, det vill säga genom förångningskällan för pläteringsmaterialet. (2) Migration av atomer, molekyler eller joner av pläteringsmaterialet: Efter att de atomer, molekyler eller joner som tillförs av förgasningskällan kolliderar, kommer en mängd olika reaktioner att genereras. (3) Avsättning av pläteringsatomer, molekyler eller joner på substratet. Processen med fysisk ångavsättningsteknik är föroreningsfri och har få förbrukningsvaror. Filmen är enhetlig och tät, och bindningskraften med substratet är stark. Tekniken används ofta inom flyg, elektronik, optik, maskiner, konstruktion, lätt industri, metallurgi, material och andra områden, och kan förbereda beläggningar med slitstarka, korrosionsbeständiga, dekorativa, ledande, isolering, ljusledningsförmåga, piezoelektricitet, magnetism, smörjning, supraledning och andra egenskaper. Det finns också en mängd olika processer för fysisk ångavsättning:

◈ Tunnfilmsvakuumbeläggning

◈ PVD-sputtering

◈ Jonbeläggning

Nedan beskriver vi processteknologierna för var och en av dessa tre typer av metoder.

◈ Tunnfilmsvakuumbeläggning

Princip:Tunnfilmsvakuumbeläggningär en teknik som värmer och förångar pläteringsmålet under vakuumförhållanden, så att ett stort antal atomer och molekyler förångas och lämnar det flytande pläteringsmaterialet eller lämnar den fasta pläteringsytan (eller sublimeringen) och slutligen avsätts på ytan av plätering. substrat. Under hela processen kommer de gasformiga atomerna och molekylerna att migrera direkt till matrisen med få kollisioner i ett vakuum och deponeras på ytan av matrisen för att bilda en tunn film. Förångningsmetoderna inkluderar motståndsuppvärmning, högfrekvent induktionsuppvärmning, elektronstråle, laserstråle, högenergibombardementsplätering av jonstråle, etc.

Tunnfilmsvakuumbeläggning är en av de äldsta teknikerna inom PVD.

Förångningskälla:Pläteringsmaterialet värms upp till förångningstemperaturen och förångas, denna uppvärmningsanordning kallas en förångningskälla. De vanligaste förångningskällorna är motståndsförångningskällor och elektronstråleförångningskällor, och förångningskällorna för speciella ändamål inkluderar högfrekvent induktionsuppvärmning, ljusbågsvärmning, strålningsuppvärmning, laseruppvärmningsförångningskällor etc. Process: Den grundläggande processen för vakuum avdunstning är som följer:

Förplätering: inklusive rengöring av pläteringsdelar och förbehandling. De specifika rengöringsmetoderna inkluderar rengöring av rengöringsmedel, rengöring med kemiska lösningsmedel, ultraljudsrengöring och rengöring med jonbombardement. Specifik förbehandling inkluderar statisk borttagning, primerbeläggning, etc.

Ugnsladdning: inklusive rengöring av vakuumkammare, rengöring av plåthängare, installation och felsökning av förångningskällor och beläggning av klänningar.

Dammsugning: Generellt öppnas den första grovpumpningen till mer än 6,6 Pa, diffusionspumpens vakuumpump för underhåll av försteget tidigare och diffusionspumpen värms upp. När förvärmningen är tillräcklig, öppna den höga ventilen och pumpa den till ett bakgrundsvakuum på 6×10-3Pa med en diffusionspump.

Bakning: Grädda de pläterade delarna till önskad temperatur.

Jonbombning: vakuumgraden är i allmänhet 10Pa~10-1Pa, jonbombardemangsspänningen är 200V~1kV negativ högspänning, och avgångstiden är 5min~30min,

Försmältning: Justera strömmen för att försmälta pläteringsmaterialet och avgasa i 1 min ~ 2 min.

Förångningsdeponering: Justera förångningsströmmen enligt kraven till slutet av den önskade deponeringstiden. 8. Kylning: De pläterade delarna kyls till en viss temperatur i vakuumkammaren.

9. Ugn: Efter plockning, stäng vakuumkammaren, vakuum till 1×10-1Pa och diffusionspumpen kyls till den tillåtna temperaturen innan underhållspumpen och kylvattnet stängs av.

◈ PVD-sputtering

Sputtering beläggning hänvisar till användningen av energierhållna partiklar (såsom argonjoner) för att bombardera ytan av målmaterialet under vakuumförhållanden, så att atomerna på ytan av målmaterialet kan få tillräckligt med energi för att fly, denna process är kallas sputtering. Det sputtrade målet avsätts på ytan av substratet, vilket kallas sputtering coating.

Argon (Ar) atomer kan joniseras till argonjoner (Ar+) genom att fylla argon (Ar) i en vakuummiljö och urladda argon vid hög spänning. Under inverkan av den elektriska fältkraften accelererar argonjonerna bombarderingen av katodmålet av pläteringsmaterial, och målet kommer att sputteras ut och avsättas på arbetsstyckets yta.

Sputtering beläggning kan delas in i DC sputtering, radiofrekvens sputtering och magnetron sputtering, och motsvarande glödurladdningsspänningskälla och kontrollfält är högspänningslikström, radiofrekvens (RF) växelström respektive magnetron (M) fält.

Sputtering beläggning, hög avsättningshastighet, god processrepeterbarhet, enkel automatisering, lämplig för storskalig arkitektonisk dekorationsbeläggning och funktionell beläggning av industriella material. Sputtringsbeläggningar spelar också en viktig roll vid tillverkning av integrerade kretsar och halvledarenheter.

Med utvecklingen av högteknologiska och framväxande industrier finns det många nya och avancerade höjdpunkter inom fysisk ångavsättningsteknik, såsom flerbågsjonplätering och magnetronförstoftningskompatibilitetsteknik, stora rektangulära långbågemål och sputtermål, icke-jämvikt magnetronförstoftningsmål, tvillingmålsteknologi, lindningsteknik för lindning av bandskum med flera bågar, beläggningsteknik för lindning av bandfibertyg, etc., användningen av kompletta uppsättningar av beläggning utrustning, till datorn automatiserad, storskalig kemisk industri skala utveckling.

◈ Jonbeläggning

Den grundläggande principen för jonbeläggning är att använda plasmajoniseringsteknik under vakuumförhållanden för att partiellt jonisera atomerna i pläteringsmaterialet till joner, och samtidigt producera många neutrala högenergiatomer. En negativ förspänning appliceras på substratet som ska pläteras, så att under inverkan av djup negativ förspänning avsätts joner på ytan av substratet för att bilda en tunn film.

Med hjälp av glödurladdning av inert gas gör jonbeläggningen att pläteringsmaterialet (som metalltitan) förgasas och förångas och joniseras, och jonerna accelereras av det elektriska fältet för att bombardera arbetsstyckets yta med högre energi, vid detta tid, om koldioxid, kväve och andra reaktionsgaser införs, kan TiC och TiN täckskikt erhållas på ytan av arbetsstycket, och hårdheten är lika hög som 2000HV.

Jonbeläggning är en av de mest använda beläggningsprocesserna i den fysiska ångavsättningsmetoden.

Dess fördelar är följande:

① Vidhäftningen mellan filmskiktet och matrisen är stark och reaktionstemperaturen är låg.

②Filmskiktet är enhetligt och tätt.

③Bra lindningsplätering under negativt förspänningstryck.

④Ingen kontaminering.

⑤ Ett brett utbud av substratmaterial är lämpliga för jonplätering.

Med utvecklingen av jonbeläggningsteknologi har många olika sätt för jonbeläggningsteknik uppstått, såsom: reaktiv jonplätering, plasmabeläggning, multi-båge jonplätering, etc. Jag ska inte gå igenom dem alla här.

PVDUtrustning

Fysisk ångavsättningsutrustning inkluderar vakuumförångningsbeläggare, vakuumförstoftningsbeläggare och vakuumjonbeläggare. Figuren nedan visar strukturprincipen för vakuumförångningsbeläggaren.

Följande figur visar det schematiska diagrammet över utrustningens struktur för sputterbeläggning

Följande figur visar det strukturella schemat för jonbeläggningsutrustningen

ALDBehandla

ALD:Atomic Layers Deposition är en tunnfilmsavsättningsteknologi med hög precision baserad på kemisk ångavsättning (CVD), vilket är en teknik som avsätter materialmaterial lager för lager på ytan av ett substrat i form av en enda atomfilm baserad på kemisk ångfas. Till skillnad från konventionell CVD är ALD deposition där reaktionsprekursorerna växelvis deponeras, och den kemiska reaktionen av den nya atomfilmen är direkt relaterad till föregående skikt, så att endast ett skikt av atomer deponeras i varje reaktion.

Endast ett lager av atomer deponeras i varje reaktion, vilket är självbegränsande, vilket gör att filmen kan avsättas på substratet konformt och hålfritt. Som ett resultat kan tjockleken på filmen kontrolleras exakt genom att styra antalet avsättningscykler.

ALD-deponerbara material inkluderar metaller, oxider, kol (kväve, svavel, kisel), olika halvledarmaterial och supraledande material. I takt med att de integrerade kretsarna blir mer och mer integrerade och mindre, ersätter grinddielektriken med hög dielektricitet (hög k) gradvis traditionella kiseloxidgrindar, och bildförhållandet blir större och större, vilket ställer högre krav på stegtäckningsförmågan hos deponeringsteknik, så ALD har alltmer antagits som en ny deponeringsprocess som kan uppfylla ovanstående krav.

En ALD-cykel kan delas in i fyra steg:

Den första prekursorgasen införs i substratet, och adsorption eller kemisk reaktion sker med ytan av substratet;

Spola den återstående gasen med inert gas;

Inför den andra prekursorgasen; kemisk reaktion med den första prekursorgasen adsorberad på ytan av matrisen för att bilda en beläggning, eller produkten som reagerar med den första prekursorn och matrisen fortsätter att reagera för att bilda en beläggning;

Tvätta bort överskottsgasen med inert gas igen.

Funktioner och fördelar med ALD-teknik:

Utmärkt tredimensionell konformalitet: ALD producerar en film som överensstämmer med formen på det ursprungliga substratet, dvs filmen kan avsättas enhetligt på en konkavliknande yta. Därför är den lämplig för substrat av olika former; Enhetlig tredimensionell film, konsekvent form och konformalitet är de unika fördelarna med ALD-teknik.

Hög planhet: Ytan är hålfri, och tillväxtmekanismen nedifrån och upp avgör filmens hålfria natur, vilket är värdefullt för blockerings- och passiveringsapplikationer.

Utmärkt vidhäftning: Den kemiska adsorptionen av prekursorn till substratytan säkerställer utmärkt vidhäftning

Låg termisk budget (låg deponeringstemperatur): Tillväxt av tunn film kan utföras vid låga temperaturer (rumstemperatur till 400 grader), vilket är mycket attraktivt för temperaturbegränsade polymeranordningar och beläggningar av biomaterial

Hög noggrannhet: Substratfilmens tjocklek kan kontrolleras enkelt och exakt genom att kontrollera reaktionscykeln, och filmens tjockleksnoggrannhet kan nå tjockleken av en atom.

ALD-utrustning

Processtemperaturen för ALD-utrustning är 50~500 grader, vilket kan fungera under normalt tryck, men det tenderar att fungera under lågtrycksförhållanden (0,1~10Torr). ALD kan delas in i het atomär deposition och plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) enligt olika energiförsörjningsmetoder. Termisk ALD är beroende av termisk energi för att excitera två eller flera prekursorer för att reagera kemiskt. För att tillhandahålla tillräcklig reaktionsaktiveringsenergi fungerar termisk atomskiktsavsättningsutrustning i allmänhet i intervallet 200 ~ 500 grader.

Bilden nedan visar en enkel-wafer ALD-enhet

0020-24896 TÄCKRING 6" SST 101 AL

 

--Slut--