Poluvodički procesi i oprema: procesi i oprema nanošenja tankog filma

Taloženje tankog filma je taloženje filma nano veličine na podlogu, a zatim s ponovljenim procesima kao što su jetkanje i poliranje, napravljeno je mnogo naslaganih provodljivih ili izolacijskih slojeva, a svaki sloj ima dizajniranu shemu kola. Na ovaj način se poluvodičke komponente i kola integrišu u čipove sa složenom strukturom.

Postoje tri glavne kategorije taloženja tankog filma:

◈ CVD (hemijsko taloženje pare)

◈ PVD (fizičko taloženje pare)

◈ ALD (Taloženje atomskih slojeva)

Pogledajmo bliže tehnologije taloženja tankog filma iz ove tri kategorije.

 

Proces taloženja hemijskom parom

Hemijsko taloženje pare (CVD) stvara tanak film na površini supstrata kroz termičku razgradnju i/ili reakciju gasovitih jedinjenja. Materijali za slojeve filma koji se mogu izraditi CVD metodom uključuju karbid, nitrid, borid, oksid, sulfid, selenid, telurid, kao i neka metalna jedinjenja, legure itd.

Kemijsko taloženje pare je trenutno važna mikroskopska metoda proizvodnje jer ima sljedeće karakteristike:

1. Širok raspon depozita: mogu se nanositi metalni i nemetalni filmovi, filmovi sa višekomponentnim legurama, kao i keramički ili složeni slojevi po potrebi.

2. CVD reakcija se izvodi pri atmosferskom pritisku ili niskom vakuumu, a difrakcija premaza je dobra, i može se ravnomjerno premazati za duboke i fine rupe na površinama složenih oblika ili obradaka.

3. Može dobiti tankoslojni premaz visoke čistoće, dobre kompaktnosti, niskog zaostalog naprezanja i dobre kristalizacije. Zbog međusobne difuzije reakcijskih plinova, produkta reakcije i supstrata, može se dobiti film koji dobro prijanja, što je važno za filmove za površinsko ojačanje kao što su površinska pasivizacija, otpornost na koroziju i otpornost na habanje.

4. Budući da je temperatura na kojoj se film uzgaja mnogo niža od tačke topljenja filmskog materijala, moguće je dobiti visoko čist, potpuno kristalizirani sloj filma, koji je neophodan za neke poluvodičke prevlake.

5. Podešavanjem parametara taloženja, hemijski sastav, morfologija, kristalna struktura i veličina zrna obloge mogu se efikasno kontrolisati.

6. Oprema je jednostavna, laka za rukovanje i održavanje.

7. Reakciona temperatura je previsoka, generalno 850~1100 stepeni, i mnogi materijali matrice ne mogu da izdrže visoku temperaturu CVD. Plazma ili laserski potpomognuta tehnologija može se koristiti za smanjenje temperature taloženja.

Proces taloženja hemijskom parom podijeljen je u tri važne faze:

1, reakcijski plin difundira na površinu matrice

2, Reakcioni gas se adsorbuje na površini matrice

3, na površini matrice dolazi do kemijske reakcije koja stvara čvrste naslage i rezultirajući nusproizvodi u plinskoj fazi se odvajaju od površine matrice

Najčešće reakcije hemijskog taloženja iz pare su: reakcija termičke razgradnje, reakcija hemijske sinteze i reakcija hemijskog transporta. Glavni reakcioni procesi KVB su sledeći:
i). Polisilicij

SiH4 ->Si + 2h2 (600 stepeni)

Brzina taloženja 100 - 200 nm /min

Može se dodati fosfor (fosfin), bor (diboran) ili gas arsen. Polisilicij se također može dopirati difuzijskim plinom nakon taloženja.

ii).SilicijumDioksid

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

SiO2 se koristi kao izolator ili sloj za pasivizaciju. Fosfor se obično dodaje da bi se dobila bolja svojstva protoka elektrona. Kada je silicijum prisutan u kiseoniku, SiO2 raste termički. Kiseonik dolazi iz kiseonika ili vodene pare. Zahtjev za temperaturu okoline je 900 ~ 1200 stepeni. Površina silikonske pločice nakon selektivne oksidacije prikazana je na donjoj slici:

I kiseonik i voda difundiraju kroz postojeći SiO2 i kombinuju se sa Si da bi formirali dodatni SiO2. Voda (para) lakše difundira od kiseonika, pa raste mnogo brže pomoću pare. Oksidi se koriste da obezbede izolacioni i pasivacijski sloj za formiranje kapije tranzistora. Suhi kisik se koristi za formiranje kapija i tankih oksidnih slojeva. Para se koristi za formiranje debelog oksidnog sloja. Izolacijski oksidni sloj je obično oko 1500 nm, a sloj gejta je obično između 200 nm i 500 nm.

iii). Siicon Nitride

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

CVD oprema za taloženje hemijskom parom

Postoje tri osnovna tipa CVD reaktora:

◈ APCVD: Atmosferski pritisak CVD

◈ LPCVD: CVD niskog pritiska,LPCVD

◈ UHVCVD: Ultravisoki vakuum CVD

◈ LCVD: Laser CVD

◈ MOCVD: Metalno-organski CVD

◈ KVB (PECVD

Šematski dijagram opreme za niskotlačni CVD proces je prikazan na donjoj slici.

Dijagram ispod prikazuje strukturu CVD postrojenja poboljšanog jonima koji se koristi za taloženje ugljika i pripremu prevlake nalik dijamantu.

PVDProces

U vakuumskim uvjetima, materijal na površini izvora materijala (čvrsti ili tekući) isparava se u plinovite atome, molekule ili dijelove ionizirane u ione fizičkim metodama, a tanak film sa posebnom funkcijom se taloži na površinu matrice. kroz gasni (ili plazma) proces niskog pritiska. Fizičko taloženje parom ne može samo deponovati metalne filmove i filmove od legura, već može deponovati i jedinjenja, keramiku, poluprovodnike, polimerne filmove, itd. Osnovni princip tehnologije fizičkog taloženja parom može se podeliti u tri procesna koraka: (1) Vaporizacija materijala materijal za oblaganje: čak i ako materijal za oblaganje isparava, sublimira ili se raspršuje, odnosno kroz izvor isparavanja materijala za oblaganje. (2) Migracija atoma, molekula ili jona materijala za oblaganje: Nakon što se atomi, molekuli ili joni koje dovodi izvor gasifikacije sudare, nastat će različite reakcije. (3) Nanošenje atoma, molekula ili jona na podlozi. Proces tehnologije fizičkog taloženja parom je bez zagađenja i ima malo potrošnog materijala. Film je ujednačen i gust, a sila vezivanja sa podlogom je jaka. Tehnologija ima široku primenu u vazduhoplovstvu, elektronici, optici, mašinama, građevinarstvu, lakoj industriji, metalurgiji, materijalima i drugim oblastima, a može pripremiti premaze otporne na habanje, otporne na koroziju, dekorativne, provodljive, izolacione, svetlosnu provodljivost, piezoelektričnost, magnetizam, podmazivanje, supravodljivost i druge karakteristike. Postoje i različiti postupci za fizičko taloženje pare:

◈ Tankoslojni vakuumski premaz

◈ PVD-Sputtering

◈ Jonski premaz

U nastavku opisujemo procesne tehnologije za svaku od ove tri vrste metoda.

◈ Tankoslojni vakuumski premaz

princip:Tankoslojni vakuumski premazje tehnologija koja zagrijava i isparava metu za oplate u vakuumskim uvjetima, tako da se veliki broj atoma i molekula ispari i napusti tekući materijal za oblaganje ili napusti čvrstu površinu ploče (ili sublimaciju) i konačno se taloži na površini ploče. supstrat. U cijelom procesu, plinoviti atomi i molekuli će migrirati direktno u matricu uz nekoliko sudara u vakuumu, te se talože na površini matrice i formiraju tanak film. Metode isparavanja uključuju otporno grijanje, visokofrekventno indukcijsko grijanje, elektronski snop, laserski snop, ionski snop visokoenergetskog materijala za bombardiranje itd.

Tankoslojni vakuumski premaz je jedna od najstarijih tehnologija PVD-a.

Izvor isparavanja:Materijal za oblaganje se zagrijava do temperature isparavanja i isparava, ovaj uređaj za grijanje naziva se izvor isparavanja. Najčešće korišteni izvori isparavanja su otporni izvori isparavanja i izvori isparavanja elektronskim snopom, a izvori isparavanja za posebne namjene uključuju visokofrekventno indukcijsko grijanje, grijanje lukom, grijanje zračenjem, lasersko zagrijavanje izvora isparavanja itd. Proces: Osnovni proces vakuuma isparavanje je kako slijedi:

Tretman pre oblaganja: uključujući čišćenje delova i predobradu. Specifične metode čišćenja uključuju čišćenje sredstvom za čišćenje, čišćenje hemijskim rastvaračima, ultrazvučno čišćenje i čišćenje ionskim bombardovanjem. Specifični predtretman uključuje uklanjanje statičkog elektriciteta, nanošenje temeljnog premaza itd.

Punjenje peći: uključujući čišćenje vakuumskih komora, čišćenje vješalica za oplate, ugradnju i otklanjanje grešaka izvora isparavanja i premazivanje haljina.

Usisavanje: Općenito, prvo grubo pumpanje na više od 6,6 Pa, vakuumska pumpa za održavanje prije faze difuzijske pumpe se otvara ranije, a difuzijska pumpa se zagrijava. Nakon što je predgrijavanje dovoljno, otvorite visoki ventil i pumpajte ga do pozadinskog vakuuma od 6×10-3Pa pomoću difuzijske pumpe.

Pečenje: Ispecite obložene dijelove na željenoj temperaturi.

Jonsko bombardiranje: stepen vakuuma je generalno 10Pa~10-1Pa, napon ionskog bombardiranja je 200V~1kV negativni visoki napon, a vrijeme polaska je 5min~30min,

Prethodno topljenje: Podesite struju da prethodno otopi materijal za oblaganje i otplinjavanje u trajanju od 1min~2min.

Taloženje isparavanjem: Podesite struju isparavanja prema zahtjevima do kraja željenog vremena taloženja. 8. Hlađenje: Platirani dijelovi se hlade na određenu temperaturu u vakuum komori.

9. Peć: Nakon branja zatvorite vakuumsku komoru, vakuumirajte na 1×10-1Pa, a difuziona pumpa se ohladi na dozvoljenu temperaturu prije isključivanja pumpe za održavanje i rashladne vode.

◈ PVD-Sputtering

Raspršivanje se odnosi na korištenje čestica dobijenih energijom (kao što su joni argona) za bombardiranje površine ciljanog materijala u vakuumskim uvjetima, tako da atomi na površini ciljanog materijala mogu dobiti dovoljno energije za bijeg, ovaj proces je zove prskanje. Raspršena meta se nanosi na površinu podloge, što se naziva premaz za raspršivanje.

Atomi argona (Ar) mogu se jonizirati u argonove ione (Ar+) punjenjem argona (Ar) u vakuumskom okruženju i ispuštanjem argona na visokom naponu. Pod djelovanjem sile električnog polja, joni argona ubrzavaju bombardiranje katodne mete izrađene od materijala za oblaganje, a meta će se raspršiti i nanijeti na površinu obratka.

Prevlaka za raspršivanje može se podijeliti na jednosmjerno raspršivanje, raspršivanje radio frekvencijama i magnetronsko raspršivanje, a odgovarajući izvor napona svjetlećeg pražnjenja i kontrolno polje su visokonaponska jednosmjerna struja, radiofrekventna (RF) izmjenična struja i magnetron (M) polje, respektivno.

Sputering premaz, velika brzina taloženja, dobra ponovljivost procesa, laka automatizacija, pogodan za oblaganje velikih arhitektonskih ukrasa i funkcionalno premazivanje industrijskih materijala. Premazi za raspršivanje također igraju važnu ulogu u proizvodnji integriranih kola i poluvodičkih uređaja.

S razvojem visokotehnoloških industrija i industrija u nastajanju, postoje mnoge nove i napredne prednosti u tehnologiji fizičkog taloženja pare, kao što su višelučna ionska obrada i tehnologija kompatibilnosti s magnetronskim raspršivanjem, velike pravokutne dugolučne mete i mete za raspršivanje, neravnoteža Magnetronske mete za raspršivanje, tehnologija dvostrukih meta, tehnologija prevlake za namotavanje s višestrukim lučnim taloženjem trake, trakasta vlakna Tehnologija namotavanja tkanina, itd., korištenje kompletnih setova opreme za premazivanje, do kompjuterski automatiziranog, velikog razvoja kemijske industrije.

◈ Jonski premaz

Osnovni princip ionskog premaza je korištenje tehnologije jonizacije plazme u vakuumskim uvjetima kako bi se djelomično ionizirali atomi materijala za oblaganje u ione, a istovremeno proizveli mnogo neutralnih atoma visoke energije. Na podlogu koja se oblaže nanosi se negativna prednagiba, tako da se pod djelovanjem dubokog negativnog skretanja ioni talože na površinu supstrata i formiraju tanak film.

Uz pomoć svjetlećeg pražnjenja inertnog plina, jonski premaz čini da se materijal za oblaganje (kao što je metalni titanij) gasifikuje, isparava i ionizira, a ioni se ubrzavaju električnim poljem kako bi bombardirali površinu obratka s većom energijom, pri tome vremena, ako se uvedu ugljični dioksid, dušik i drugi reakcioni plinovi, na površini obratka mogu se dobiti pokrivni slojevi TiC i TiN, a tvrdoća je jednako visoka kao 2000HV.

Ionsko prevlačenje je jedan od najčešće korištenih procesa prevlačenja u metodi fizičkog taloženja parom.

Njegove prednosti su sljedeće:

①Adhezija između sloja filma i matrice je jaka, a temperatura reakcije je niska.

②Sloj filma je ujednačen i gust.

③Dobro namotavanje pod negativnim pritiskom.

④Nema kontaminacije.

⑤Širok spektar materijala supstrata je pogodan za ionsko prevlačenje.

Sa razvojem tehnologije ionskog premaza, pojavilo se mnogo različitih načina tehnologije ionskog prevlačenja, kao što su: reaktivno ionsko prevlačenje, plazma prevlačenje, višelučno ionsko prevlačenje, itd. Neću ih ovdje sve proći.

PVDOprema

Oprema za fizičko taloženje parom uključuje vakuumske evaporacijske mašine za premazivanje, vakuumske raspršivače i vakuumske ionske premaze. Slika ispod prikazuje strukturni princip vakuumskog isparavanja

Na sljedećoj slici prikazan je šematski dijagram strukture opreme raspršivanja

Sljedeća slika prikazuje strukturni šematski dijagram opreme za ionsku prevlaku

ALDProces

ALD: Atomic Layers Deposition je visoko precizna tehnologija taloženja tankog filma zasnovana na hemijskom taloženju pare (CVD), što je tehnologija koja nanosi materijalne materijale sloj po sloj na površinu supstrata u obliku jednog atomskog filma zasnovanog na hemijska parna faza. Za razliku od konvencionalnog CVD-a, ALD je taloženje u kojem se naizmjenično talože prekursori reakcije, a kemijska reakcija novog atomskog filma je direktno povezan sa prethodnim slojem, tako da se u svakoj reakciji taloži samo jedan sloj atoma.

Samo jedan sloj atoma se taloži u svakoj reakciji, koja je samoograničavajuća, omogućavajući da se film nanese na podlogu konformno i bez rupica. Kao rezultat toga, debljina filma se može precizno kontrolirati kontroliranjem broja ciklusa taloženja.

ALD materijali za odlaganje uključuju metale, okside, ugljik (azot, sumpor, silicijum), razne poluprovodničke materijale i supravodljive materijale. Kako integrirana kola postaju sve više integrirana i manja, dielektrici gejta visoke dielektrične konstante (visoke k) postupno zamjenjuju tradicionalne kapije od silicijum oksida, a omjer stranica postaje sve veći i veći, što postavlja veće zahtjeve za sposobnost pokrivanja koraka tehnologija taloženja, pa se ALD sve više usvaja kao novi proces taloženja koji može ispuniti gore navedene zahtjeve.

ALD ciklus se može podijeliti u četiri koraka:

Prvi gas-prekursor se uvodi u supstrat, a na površini supstrata dolazi do adsorpcije ili hemijske reakcije;

Isprati preostali gas inertnim gasom;

Uvesti drugi gas prekursor; hemijska reakcija sa prvim prekursorskim gasom adsorbovanim na površini matrice da bi se formirao premaz, ili proizvod koji reaguje sa prvim prekursorom i matriks nastavlja da reaguje da bi formirao premaz;

Višak gasa ponovo isperite inertnim gasom.

Karakteristike i prednosti ALD tehnologije:

Odlična trodimenzionalna konformalnost: ALD proizvodi film koji je u skladu s oblikom originalne podloge, tj. film se može ravnomjerno nanijeti na konkavnu površinu. Stoga je pogodan za podloge različitih oblika; Ujednačen trodimenzionalni film, konzistentan oblik i konformalnost jedinstvene su prednosti ALD tehnologije.

Visoka ravnost: površina je bez rupica, a mehanizam rasta odozdo prema gore određuje prirodu filma bez rupica, što je dragocjeno za aplikacije blokiranja i pasivizacije.

Odlična adhezija: Hemijska adsorpcija prethodnika na površinu podloge osigurava odličnu adheziju

Nizak termalni budžet (niska temperatura taloženja): Rast tankog filma može se izvesti na niskim temperaturama (sobna temperatura do 400 stepeni), što je vrlo atraktivno za polimerne uređaje i premaze od biomaterijala

Visoka tačnost: Debljina supstratnog filma može se jednostavno i precizno kontrolisati kontrolom ciklusa reakcije, a tačnost debljine filma može doseći debljinu jednog atoma.

ALD oprema

Temperatura procesa ALD opreme je 50~500 stepeni, koja može raditi pod normalnim pritiskom, ali ima tendenciju da radi pod uslovima niskog pritiska (0,1~10Torr). ALD se može podijeliti na vruće atomsko taloženje i taloženje atomskog sloja pojačano plazmom (PEALD) prema različitim metodama opskrbe energijom. Termalni ALD se oslanja na toplinsku energiju da potakne dva ili više prekursora da kemijski reagiraju. Da bi se obezbedila dovoljna energija aktivacije reakcije, oprema za taloženje termičkog atomskog sloja generalno radi u opsegu od 200~500 stepeni.

Slika ispod prikazuje ALD uređaj sa jednom pločicom

0020-24896 POKLOPAC 6" SST 101 AL

 

--Kraj--