Una visió general completa de les tècniques de deposició de pel·lícules primes: MOCVD, pulverització catòdica magnetrònica i PECVD

En la fabricació de semiconductors, mentre que la fotolitografia i el gravat són els processos més esmentats, les tècniques de deposició epitaxial o de pel·lícula fina són igualment crítiques. Aquest article presenta diversos mètodes comuns de deposició de pel·lícula fina utilitzats en la fabricació de xips, incloent-hiMOCVD, polvorització catòdica amb magnetró, iPECVD.

Per què són essencials els processos de pel·lícula fina en la fabricació de xips?

Per il·lustrar-ho, imagineu-vos un pa pla cuit al forn. Per si sol, pot tenir un gust insípid. Tanmateix, untant la superfície amb diferents salses, com una pasta de mongetes saborosa o un xarop de malta dolç, podeu transformar-ne completament el sabor. Aquests recobriments que milloren el sabor són similars apel·lícules primesen processos de semiconductors, mentre que el pa pla en si representa elsubstrat.

En la fabricació de xips, les pel·lícules primes tenen nombroses funcions (aïllament, conductivitat, passivació, absorció de llum, etc.) i cada funció requereix una tècnica de deposició específica.

1. Deposició química de vapor metall-orgànic (MOCVD)

La MOCVD és una tècnica altament avançada i precisa que s'utilitza per a la deposició de pel·lícules primes i nanoestructures semiconductores d'alta qualitat. Té un paper crucial en la fabricació de dispositius com LED, làsers i electrònica de potència.

Components clau d'un sistema MOCVD:

• Sistema de subministrament de gas
  Responsable de la introducció precisa dels reactius a la cambra de reacció. Això inclou el control del flux de:

• Gasos portadors

• Precursors metallorgànics

• gasos hidrurs
  El sistema disposa de vàlvules multidireccionals per canviar entre els modes de creixement i purga.

• Cambra de reacció
  El cor del sistema on es produeix el creixement real del material. Els components inclouen:

  • Susceptor de grafit (suport del substrat)

  • Sensors de calefacció i temperatura

  • Ports òptics per a monitorització in situ

  • Braços robòtics per a la càrrega/descàrrega automatitzada de làmines

• Sistema de control del creixement
  Consta de controladors lògics programables i un ordinador amfitrió. Aquests garanteixen una monitorització precisa i repetibilitat durant tot el procés de deposició.

• Monitorització in situ
  Eines com els piròmetres i els reflectòmetres mesuren:

  • Gruix de la pel·lícula

  • Temperatura de la superfície

  • Curvatura del substrat
    Això permet obtenir comentaris i ajustaments en temps real.

• Sistema de tractament d'escapament
  Tracta els subproductes tòxics mitjançant la descomposició tèrmica o la catàlisi química per garantir la seguretat i el compliment de les normes ambientals.

Configuració de capçal de dutxa tancat (CCS):

En els reactors MOCVD verticals, el disseny CCS permet injectar els gasos uniformement a través de broquets alterns en una estructura de dutxa. Això minimitza les reaccions prematures i millora la barreja uniforme.

• Elsusceptor de grafit giratoriajuda a homogeneïtzar la capa límit de gasos, millorant la uniformitat de la pel·lícula a través de l'oblea.

2. Pulverització catòdica magnetrònica

La pulverització catòdica magnetrònica és un mètode de deposició física de vapor (PVD) àmpliament utilitzat per dipositar pel·lícules primes i recobriments, particularment en electrònica, òptica i ceràmica.

Principi de funcionament:

1. Material objectiu
   El material font que s'ha de dipositar (metall, òxid, nitrid, etc.) es fixa en un càtode.

2. Cambra de buit
   El procés es realitza sota alt buit per evitar contaminacions.

3. Generació de plasma
   Un gas inert, normalment argó, s'ionitza per formar plasma.

4. Aplicació del camp magnètic
   Un camp magnètic confina els electrons a prop de l'objectiu per millorar l'eficiència de la ionització.

5. Procés de pulverització catòdica
   Els ions bombardegen l'objectiu, desplaçant els àtoms que viatgen a través de la cambra i es dipositen sobre el substrat.

Avantatges de la pulverització catòdica amb magnetró:

• Deposició uniforme de pel·lículesa través de grans àrees.

• Capacitat de dipositar compostos complexos, incloent-hi aliatges i ceràmiques.

• Paràmetres de procés ajustablesper a un control precís del gruix, la composició i la microestructura.

• Alta qualitat de pel·lículaamb forta adherència i resistència mecànica.

• Àmplia compatibilitat de materials, des de metalls fins a òxids i nitrids.

• Funcionament a baixa temperatura, adequat per a substrats sensibles a la temperatura.

3. Deposició química de vapor potenciada per plasma (PECVD)

La PECVD s'utilitza àmpliament per a la deposició de pel·lícules primes com el nitrur de silici (SiNx), el diòxid de silici (SiO₂) i el silici amorf.

Principi:

En un sistema PECVD, els gasos precursors s'introdueixen en una cambra de buit onplasma de descàrrega luminescentes genera mitjançant:

• Excitació de radiofreqüència

• Alta tensió de CC

• Fonts de microones o pulsades

El plasma activa les reaccions en fase gasosa, generant espècies reactives que es dipositen sobre el substrat per formar una pel·lícula fina.

Passos de la deposició:

1. Formació de plasma
   Excitats per camps electromagnètics, els gasos precursors s'ionitzen per formar radicals i ions reactius.

2. Reacció i transport
   Aquestes espècies experimenten reaccions secundàries a mesura que es mouen cap al substrat.

3. Reacció superficial
   En arribar al substrat, s'adsorbeixen, reaccionen i formen una pel·lícula sòlida. Alguns subproductes s'alliberen com a gasos.

Beneficis de la PECVD:

• Excel·lent uniformitaten la composició i el gruix de la pel·lícula.

• Forta adherènciafins i tot a temperatures de deposició relativament baixes.

• Altes taxes de deposició, cosa que el fa adequat per a la producció a escala industrial.

4. Tècniques de caracterització de pel·lícules primes

Comprendre les propietats de les pel·lícules primes és essencial per al control de qualitat. Les tècniques habituals inclouen:

(1) Difracció de raigs X (XRD)

• PropòsitAnalitzar estructures cristal·lines, constants de xarxa i orientacions.

• PrincipiBasat en la llei de Bragg, mesura com els raigs X difracten a través d'un material cristal·lí.

• AplicacionsCristalografia, anàlisi de fases, mesura de deformació i avaluació de pel·lícules primes.

(2) Microscòpia electrònica de rastreig (SEM)

• Propòsit: Observeu la morfologia i la microestructura de la superfície.

• PrincipiUtilitza un feix d'electrons per escanejar la superfície de la mostra. Els senyals detectats (per exemple, electrons secundaris i retrodispersats) revelen detalls de la superfície.

• AplicacionsCiència de materials, nanotecnologia, biologia i anàlisi de fallades.

(3) Microscòpia de força atòmica (AFM)

• PropòsitSuperfícies d'imatge amb resolució atòmica o nanomètrica.

• PrincipiUna sonda afilada escaneja la superfície mentre manté una força d'interacció constant; els desplaçaments verticals generen una topografia 3D.

• AplicacionsRecerca de nanoestructures, mesurament de la rugositat superficial, estudis biomoleculars.