1. Johdanto
Prosessia, jossa aineet (raaka-aineet) kiinnitetään substraattimateriaalien pintaan fysikaalisilla tai kemiallisilla menetelmillä, kutsutaan ohutkalvon kasvattamiseksi.
Eri toimintaperiaatteiden mukaan integroidun piirin ohutkalvopinnoitus voidaan jakaa:
-Fysikaalinen höyrypinnoitus (PVD);
-Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD);
- Laajennus.
2. Ohutkalvon kasvuprosessi
2.1 Fysikaalinen höyrypinnoitus ja sputterointiprosessi
Fysikaalinen höyrypinnoitusprosessi (PVD) tarkoittaa fysikaalisten menetelmien käyttöä, kuten tyhjöhaihdutusta, sputterointia, plasmapinnoitusta ja molekyylisuihkuepitaksia ohuen kalvon muodostamiseksi kiekon pinnalle.
VLSI-teollisuudessa eniten käytetty PVD-tekniikka on sputterointi, jota käytetään pääasiassa integroitujen piirien elektrodeissa ja metalliliitoksissa. Sputterointi on prosessi, jossa harvinaiset kaasut [kuten argon (Ar)] ionisoidaan ioneiksi (kuten Ar+) ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta korkean tyhjiön olosuhteissa ja pommittavat materiaalin kohdelähdettä korkeajänniteympäristössä, lyömällä pois kohdemateriaalin atomeja tai molekyylejä ja saavuttamalla sitten kiekon pinnalle ohuen kalvon törmäysttömän lentoprosessin jälkeen. Arilla on vakaat kemialliset ominaisuudet, eivätkä sen ionit reagoi kemiallisesti kohdemateriaalin ja kalvon kanssa. Integroitujen piirien sirujen tullessa 0,13 μm:n kupariyhdistysaikaan, kuparisulkumateriaalikerros käyttää titaaninitridi (TiN) tai tantaalinitridi (TaN) kalvoa. Teollisen teknologian kysyntä on edistänyt kemiallisen reaktion sputterointiteknologian tutkimusta ja kehittämistä, eli sputterointikammiossa on Arin lisäksi myös reaktiivista kaasutyppeä (N2), jolloin Ti- tai Ta-pommitetaan kohdemateriaali Ti tai Ta reagoi N2:n kanssa muodostaen tarvittavan TiN- tai TaN-kalvon.
Yleisesti käytettyjä sputterointimenetelmiä on kolme, nimittäin DC-sputterointi, RF-sputterointi ja magnetronisputterointi. Integroitujen piirien integroinnin lisääntyessä monikerroksisten metallijohtojen kerrosten määrä kasvaa ja PVD-tekniikan soveltaminen laajenee. PVD-materiaaleja ovat Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2 jne.
PVD- ja sputterointiprosessit suoritetaan yleensä erittäin suljetussa reaktiokammiossa, jonka alipaineaste on 1 × 10-7 - 9 × 10-9 Torr, mikä voi varmistaa kaasun puhtauden reaktion aikana; samaan aikaan tarvitaan ulkoinen korkea jännite jalokaasun ionisoimiseksi riittävän korkean jännitteen muodostamiseksi kohteen pommittamiseksi. Pääparametreja PVD- ja sputterointiprosessien arvioinnissa ovat pölyn määrä sekä muodostuneen kalvon vastusarvo, tasaisuus, heijastavuuden paksuus ja jännitys.
2.2 Kemiallinen höyrypinnoitus ja sputterointiprosessi
Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) tarkoittaa prosessitekniikkaa, jossa erilaiset kaasumaiset lähtöaineet, joilla on eri osapaineet, reagoivat kemiallisesti tietyssä lämpötilassa ja paineessa ja syntyvät kiinteät aineet kerrostetaan substraattimateriaalin pinnalle halutun ohuen saamiseksi. elokuva. Perinteisessä integroitujen piirien valmistusprosessissa saadut ohutkalvomateriaalit ovat yleensä yhdisteitä, kuten oksideja, nitridejä, karbideja tai materiaaleja, kuten monikiteinen pii ja amorfinen pii. Selektiivinen epitaksiaalinen kasvu, jota käytetään yleisemmin 45 nm solmun jälkeen, kuten lähde- ja nielu SiGe tai Si selektiivinen epitaksiaalinen kasvu, on myös CVD-tekniikka.
Tämä tekniikka voi jatkaa saman tyyppisten tai alkuperäisen hilan kanssa samankaltaisten yksikidemateriaalien muodostamista piin tai muiden materiaalien yksikidealustalle alkuperäistä hilaa pitkin. CVD:tä käytetään laajalti eristekalvojen (kuten SiO2, Si3N4 ja SiON jne.) ja metallikalvojen (kuten volframi jne.) kasvattamiseen.
Yleensä paineluokituksen mukaan CVD voidaan jakaa ilmakehän paineen kemialliseen höyrypinnoitukseen (APCVD), alipaineiseen kemialliseen höyrypinnoitukseen (SAPCVD) ja matalapaineiseen kemialliseen höyrypinnoitukseen (LPCVD).
Lämpötilaluokituksen mukaan CVD voidaan jakaa korkean lämpötilan / matalan lämpötilan oksidikalvokemialliseen höyrypinnoitukseen (HTO/LTO CVD) ja nopeaan lämpökemialliseen höyrypinnoitukseen (Rapid Thermal CVD, RTCVD);
Reaktiolähteen mukaan CVD voidaan jakaa silaanipohjaiseen CVD:hen, polyesteripohjaiseen CVD:hen (TEOS-pohjainen CVD) ja metalliorgaaniseen kemialliseen höyrypinnoitukseen (MOCVD);
Energialuokituksen mukaan CVD voidaan jakaa lämpökemialliseen höyrypinnoitukseen (Thermal CVD), plasmatehosteiseen kemialliseen höyrypinnoitukseen (Plasma Enhanced CVD, PECVD) ja korkeatiheyksiseen plasmakemialliseen höyrypinnoitukseen (High Density Plasma CVD, HDPCVD). Viime aikoina on kehitetty myös virtaava kemiallinen höyrypinnoitus (Flowable CVD, FCVD), jolla on erinomainen aukkojen täyttökyky.
Erilaisilla CVD:llä kasvatetuilla kalvoilla on erilaiset ominaisuudet (kuten kemiallinen koostumus, dielektrisyysvakio, jännitys, jännitys ja läpilyöntijännite), ja niitä voidaan käyttää erikseen eri prosessivaatimusten (kuten lämpötila, askelpeitto, täyttövaatimukset jne.) mukaan.
2.3 Atomikerrospinnoitusprosessi
Atomic layer deposition (ALD) tarkoittaa atomien kerrostumista kerros kerrokselta substraattimateriaalille kasvattamalla yksittäinen atomikalvo kerros kerrokselta. Tyypillinen ALD ottaa käyttöön menetelmän syöttää kaasumaisia esiasteita reaktoriin vuorotellen pulssimaisesti.
Esimerkiksi ensin reaktion esiaste 1 viedään substraatin pintaan ja kemiallisen adsorption jälkeen substraatin pinnalle muodostuu yksi atomikerros; sitten substraatin pinnalle ja reaktiokammioon jäänyt esiaste 1 pumpataan ulos ilmapumpulla; sitten reaktion esiaste 2 viedään substraatin pintaan ja se reagoi kemiallisesti substraatin pinnalle adsorboituneen esiasteen 1 kanssa vastaavan ohutkalvomateriaalin ja vastaavien sivutuotteiden muodostamiseksi substraatin pinnalle; kun prekursori 1 reagoi täydellisesti, reaktio päättyy automaattisesti, mikä on ALD:n itserajoittuva ominaisuus, ja sitten jäljellä olevat lähtöaineet ja sivutuotteet uutetaan valmistautumaan seuraavaan kasvuvaiheeseen; toistamalla yllä olevaa prosessia jatkuvasti, voidaan saavuttaa ohutkalvomateriaalien kerrostaminen kerros kerrokselta yksittäisillä atomeilla.
Sekä ALD että CVD ovat tapoja tuoda kaasumainen kemiallinen reaktiolähde reagoimaan kemiallisesti substraatin pinnalla, mutta erona on, että CVD:n kaasumaisella reaktiolähteellä ei ole itsestään rajoittuvan kasvun ominaisuutta. Voidaan nähdä, että avain ALD-teknologian kehittämiseen on löytää esiasteita, joilla on itserajoittuvia reaktio-ominaisuuksia.
2.4 Epitaksiaalinen prosessi
Epitaksiaalisella prosessilla tarkoitetaan prosessia, jossa substraatille kasvatetaan täysin järjestetty yksikidekerros. Yleisesti ottaen epitaksiaalinen prosessi on kasvattaa yksikidealustalle kidekerros, jolla on sama hilaorientaatio kuin alkuperäisellä substraatilla. Epitaksiaaliprosessia käytetään laajalti puolijohteiden valmistuksessa, kuten epitaksiaalisissa piikiekoissa integroitujen piirien teollisuudessa, sulautetussa lähde- ja nielun MOS-transistorien epitaksiaalisessa kasvussa, epitaksiaalisessa kasvussa LED-substraateilla jne.
Kasvulähteen eri faasitilojen mukaan epitaksiaaliset kasvumenetelmät voidaan jakaa kiinteän faasin epitaksiaan, nestefaasiepitaksiaan ja höyryfaasiepitaksiaan. Integroitujen piirien valmistuksessa yleisesti käytetyt epitaksiaaliset menetelmät ovat kiinteäfaasiepitaksi ja höyryfaasiepitaksi.
Kiinteän faasin epitaksia: viittaa yksittäiskidekerroksen kasvattamiseen substraatille käyttämällä kiinteää lähdettä. Esimerkiksi lämpöhehkutus ioni-istutuksen jälkeen on itse asiassa kiinteäfaasinen epitaksiprosessi. Ioni-istutuksen aikana piikiekon piiatomeja pommitetaan suurienergisilla istutetuilla ioneilla, jolloin ne jättävät alkuperäiset hila-asemansa ja muuttuvat amorfisiksi muodostaen pinta-amorfisen piikerroksen. Korkean lämpötilan lämpöhehkutuksen jälkeen amorfiset atomit palaavat hila-asemiinsa ja pysyvät yhdenmukaisina substraatin sisällä olevan atomikideorientaation kanssa.
Höyryfaasiepitaksian kasvumenetelmiä ovat kemiallinen höyryfaasiepitaksia, molekyylisuihkuepitaksia, atomikerrosepitaksia jne. Integroitujen piirien valmistuksessa kemiallinen höyryfaasiepitaksia on yleisimmin käytetty. Kemiallisen höyryfaasiepitaksian periaate on pohjimmiltaan sama kuin kemiallisen höyryfaasipinnoituksen periaate. Molemmat ovat prosesseja, jotka kerrostavat ohuita kalvoja reagoimalla kemiallisesti kiekkojen pinnalle kaasun sekoittamisen jälkeen.
Erona on, että koska kemiallinen höyryfaasiepitaksi kasvattaa yksikidekerroksen, sillä on korkeammat vaatimukset laitteiston epäpuhtaudelle ja kiekon pinnan puhtaudelle. Varhainen kemiallinen höyryfaasiepitaksiaalinen piiprosessi on suoritettava korkeissa lämpötiloissa (yli 1000 °C). Prosessilaitteiden parantamisen, erityisesti tyhjiönvaihtokammioteknologian käyttöönoton myötä laitteiston ontelon ja piikiekon pinnan puhtaus on parantunut huomattavasti, ja piin epitaksia voidaan suorittaa alemmassa lämpötilassa (600-700°). C). Epitaksisen piikiekon prosessissa kasvatetaan yksikidepiikerros piikiekon pinnalle.
Alkuperäiseen piisubstraattiin verrattuna epitaksiaalisella piikerroksella on korkeampi puhtaus ja vähemmän hilavirheitä, mikä parantaa puolijohteiden valmistuksen saantoa. Lisäksi piikiekolle kasvatetun epitaksiaalisen piikerroksen kasvupaksuus ja seostuspitoisuus voidaan suunnitella joustavasti, mikä tuo laitteen suunnitteluun joustavuutta, kuten substraatin vastustuskyvyn vähentäminen ja substraatin eristyksen tehostaminen. Sulautettu lähde-virtaus-epitaksiprosessi on tekniikka, jota käytetään laajalti edistyneen logiikkateknologian solmuissa.
Se viittaa prosessiin, jossa epitaksiaalisesti kasvatetaan seostettua germaniumpiitä tai piitä MOS-transistorien lähde- ja nielualueilla. Sulautetun lähde-viemärin epitaksiaalisen prosessin käyttöönoton tärkeimpiä etuja ovat: pseudokiteisen kerroksen kasvattaminen, joka sisältää hilan mukautumisesta johtuvaa jännitystä, kanavan kantoaallon liikkuvuuden parantaminen; Lähteen ja viemärin in situ doping voi vähentää lähde-viemäriliitoksen loisvastusta ja vähentää suurienergisten ionien istuttamisen vikoja.
3. ohutkalvon kasvulaitteet
3.1 Tyhjiöhaihdutuslaitteet
Tyhjiöhaihdutus on pinnoitusmenetelmä, joka kuumentaa kiinteitä aineita tyhjiökammiossa, jolloin ne haihtuvat, höyrystyvät tai sublimoituvat, ja sitten kondensoituvat ja kerrostuvat alustamateriaalin pinnalle tietyssä lämpötilassa.
Yleensä se koostuu kolmesta osasta, nimittäin tyhjiöjärjestelmästä, haihdutusjärjestelmästä ja lämmitysjärjestelmästä. Tyhjiöjärjestelmä koostuu tyhjiöputkista ja tyhjiöpumpuista, ja sen päätehtävänä on tarjota pätevä tyhjiöympäristö haihduttamiselle. Haihdutusjärjestelmä koostuu haihdutuspöydästä, lämmityskomponentista ja lämpötilan mittauskomponentista.
Haihdutettava kohdemateriaali (kuten Ag, Al jne.) asetetaan haihdutuspöydälle; Lämmitys- ja lämpötilanmittauskomponentti on suljetun kierron järjestelmä, jota käytetään säätelemään haihtumislämpötilaa tasaisen haihtumisen varmistamiseksi. Lämmitysjärjestelmä koostuu kiekkovaiheesta ja lämmityskomponentista. Kiekkovaiheessa asetetaan substraatti, jolle ohutkalvo on haihdutettava, ja lämmityskomponenttia käytetään substraatin lämmityksen ja lämpötilamittauksen takaisinkytkennän ohjaamiseen.
Tyhjiöympäristö on erittäin tärkeä ehto tyhjöhaihdutusprosessissa, mikä liittyy haihtumisnopeuteen ja kalvon laatuun. Jos tyhjiöaste ei täytä vaatimuksia, höyrystyneet atomit tai molekyylit törmäävät usein jäännöskaasumolekyyleihin, jolloin niiden keskimääräinen vapaa reitti pienenee ja atomit tai molekyylit hajoavat voimakkaasti, mikä muuttaa liikesuuntaa ja pienentää kalvoa. muodostumisnopeus.
Lisäksi jäämien epäpuhtauskaasumolekyylien vuoksi kerrostunut kalvo on vakavasti saastunut ja huonolaatuinen, varsinkin kun kammion paineen nousunopeus ei täytä standardia ja vuotoja, ilmaa vuotaa tyhjiökammioon. , jolla on vakava vaikutus elokuvan laatuun.
Tyhjiöhaihdutuslaitteiston rakenteelliset ominaisuudet määräävät, että pinnoitteen tasaisuus suurikokoisilla alustoilla on huono. Sen yhtenäisyyden parantamiseksi menetelmää lähde-substraatin etäisyyden lisäämiseksi ja alustan pyörittämiseksi käytetään yleisesti, mutta lähde-substraatin etäisyyden lisääminen uhraa kalvon kasvunopeuden ja puhtauden. Samanaikaisesti alipainetilan kasvun vuoksi haihdutetun materiaalin käyttöaste laskee.
3.2 DC fyysinen höyrypinnoituslaitteisto
Tasavirtafyysinen höyrypinnoitus (DCPVD) tunnetaan myös nimellä katodisputterointi tai tyhjiö-DC kaksivaiheinen sputterointi. Katodina käytetään tyhjiö-DC-sputteroinnin kohdemateriaalia ja anodina substraattia. Tyhjösputteroinnin tarkoituksena on muodostaa plasma ionisoimalla prosessikaasu.
Plasman varautuneita hiukkasia kiihdytetään sähkökentässä, jotta saadaan tietty määrä energiaa. Riittävän energian omaavat hiukkaset pommittavat kohdemateriaalin pintaa siten, että kohdeatomit sputteroituvat ulos; sputteroidut atomit tietyllä kineettisellä energialla liikkuvat substraattia kohti muodostaen ohuen kalvon substraatin pinnalle. Sputteroinnissa käytettävä kaasu on yleensä harvinainen kaasu, kuten argon (Ar), joten sputteroinnissa muodostuva kalvo ei saastu; lisäksi argonin atomisäde soveltuu paremmin sputterointiin.
Sputteroivien hiukkasten koon tulee olla lähellä sputteroitavien kohdeatomien kokoa. Jos hiukkaset ovat liian suuria tai liian pieniä, tehokasta sputterointia ei voida muodostaa. Sputteroinnin laatuun vaikuttaa atomin kokotekijän lisäksi myös atomin massatekijä. Jos sputteroiva hiukkaslähde on liian kevyt, kohdeatomit eivät sputteroidu; jos sputteroivat hiukkaset ovat liian raskaita, kohde "taipuu" eikä kohdetta ruiskuta.
DCPVD:ssä käytettävän kohdemateriaalin on oltava johdin. Tämä johtuu siitä, että kun prosessikaasun argon-ionit pommittavat kohdemateriaalia, ne yhdistyvät uudelleen kohdemateriaalin pinnalla olevien elektronien kanssa. Kun kohdemateriaali on johdin, kuten metalli, tämän rekombinaation kuluttamat elektronit täydentyvät helpommin virtalähteellä ja vapaat elektronit kohdemateriaalin muissa osissa sähkönjohtavuuden kautta, jolloin kohdemateriaalin pinta on kokonaisuus pysyy negatiivisesti varautuneena ja sputterointi säilyy.
Päinvastoin, jos kohdemateriaali on eriste, kohdemateriaalin pinnalla olevien elektronien uudelleenyhdistelyn jälkeen kohdemateriaalin muissa osissa olevia vapaita elektroneja ei voida täydentää sähkönjohtavuudella, ja jopa positiivisia varauksia kertyy kohdemateriaalin pintaan, jolloin kohdemateriaalin potentiaali nousee, ja kohdemateriaalin negatiivinen varaus heikkenee, kunnes se katoaa, mikä lopulta johtaa sputteroinnin päättymiseen.
Siksi, jotta eristemateriaaleja voitaisiin käyttää myös sputterointiin, on löydettävä toinen sputterointimenetelmä. Radiotaajuinen sputterointi on sputterointimenetelmä, joka sopii sekä johtaviin että johtamattomiin kohteisiin.
Toinen DCPVD:n haittapuoli on, että sytytysjännite on korkea ja elektronipommitus alustaan on voimakasta. Tehokas tapa ratkaista tämä ongelma on käyttää magnetronisputterointia, joten magnetronisputteroinnilla on todella käytännön arvoa integroitujen piirien alalla.
3.3 RF-fyysinen höyrypinnoituslaitteisto
Radiotaajuusfyysinen höyrypinnoitus (RFPVD) käyttää radiotaajuista tehoa virityslähteenä ja on PVD-menetelmä, joka soveltuu useille metalli- ja ei-metallimateriaaleille.
RFPVD:ssä käytetyn RF-virtalähteen yleiset taajuudet ovat 13.56MHz, 20MHz ja 60MHz. RF-virtalähteen positiiviset ja negatiiviset jaksot näkyvät vuorotellen. Kun PVD-kohde on positiivisessa puolijaksossa, koska kohdepinta on positiivisessa potentiaalissa, prosessiatmosfäärissä olevat elektronit virtaavat kohdepintaan neutraloimaan sen pinnalle kertyneen positiivisen varauksen ja jopa jatkavat elektronien keräämistä, tehdä sen pinnasta negatiivisesti vinoutunut; kun sputterointikohde on negatiivisessa puolijaksossa, positiiviset ionit liikkuvat kohti kohdetta ja neutraloituvat osittain kohteen pinnalla.
Kriittisin asia on, että elektronien liikenopeus RF-sähkökentässä on paljon nopeampi kuin positiivisten ionien, kun taas positiivisten ja negatiivisten puolijaksojen aika on sama, joten täydellisen syklin jälkeen kohdepinta on "net" negatiivisesti varautunut. Siksi muutaman ensimmäisen syklin aikana kohdepinnan negatiivinen varaus osoittaa kasvavaa trendiä; sen jälkeen kohdepinta saavuttaa vakaan negatiivisen potentiaalin; sen jälkeen, koska kohteen negatiivisella varauksella on hylkivä vaikutus elektroneihin, kohdeelektrodin vastaanottamien positiivisten ja negatiivisten varausten määrä pyrkii tasapainottumaan ja kohde esittää stabiilin negatiivisen varauksen.
Yllä olevasta prosessista voidaan nähdä, että negatiivisen jännitteen muodostumisprosessilla ei ole mitään tekemistä itse kohdemateriaalin ominaisuuksien kanssa, joten RFPVD-menetelmä ei ainoastaan ratkaise eristyskohteiden ruiskutusongelmaa, vaan on myös hyvin yhteensopiva. tavanomaisilla metallijohdinkohteilla.
3.4 Magnetronisputterointilaitteet
Magnetronisputterointi on PVD-menetelmä, joka lisää magneetteja kohteen takaosaan. Lisätyt magneetit ja DC-virtalähdejärjestelmä (tai AC-virtalähde) muodostavat magnetronin sputterointilähteen. Sputterointilähdettä käytetään muodostamaan interaktiivinen sähkömagneettinen kenttä kammioon, sieppaamaan ja rajoittamaan elektronien liikealuetta kammion sisällä olevassa plasmassa, pidentämään elektronien liikerataa ja siten lisäämään plasman pitoisuutta ja lopulta saavuttamaan enemmän laskeuma.
Lisäksi, koska enemmän elektroneja on sidottu lähellä kohteen pintaa, substraatin elektronien pommittaminen vähenee ja substraatin lämpötila laskee. Tasalevyiseen DCPVD-tekniikkaan verrattuna yksi magnetronin fyysisen höyrypinnoitustekniikan ilmeisimmistä ominaisuuksista on, että sytytyspurkausjännite on pienempi ja vakaampi.
Suuremman plasmapitoisuutensa ja suuremman sputterointisaantonsa ansiosta se voi saavuttaa erinomaisen pinnoitustehokkuuden, kerrostuksen paksuuden hallinnan suurella kokoalueella, tarkan koostumuksen hallinnan ja alhaisemman sytytysjännitteen. Siksi magnetronisputterointi on hallitsevassa asemassa nykyisessä metallikalvo-PVD:ssä. Yksinkertaisin magnetronisputterointilähdesuunnittelu on sijoittaa ryhmä magneetteja tasaisen kohteen takaosaan (tyhjiöjärjestelmän ulkopuolelle) magneettikentän tuottamiseksi yhdensuuntaisena kohdepinnan kanssa kohdepinnan paikalliselle alueelle.
Jos kestomagneetti sijoitetaan, sen magneettikenttä on suhteellisen kiinteä, mikä johtaa suhteellisen kiinteään magneettikentän jakautumiseen kammion kohdepinnalle. Vain kohteen tietyillä alueilla olevat materiaalit sputteroidaan, tavoitekäyttöaste on alhainen ja valmistetun kalvon tasaisuus on huono.
On tietty todennäköisyys, että sputteroidut metalli- tai muun materiaalin hiukkaset kerrostuvat takaisin kohdepinnalle, aggregoituen siten hiukkasiksi ja muodostaen viallista kontaminaatiota. Siksi kaupalliset magnetronisputterointilähteet käyttävät enimmäkseen pyörivää magneettirakennetta kalvon tasaisuuden, tavoitekäyttöasteen ja täyden kohteen sputteroinnin parantamiseksi.
On ratkaisevan tärkeää tasapainottaa nämä kolme tekijää. Jos vaakaa ei käsitellä hyvin, se voi johtaa hyvään kalvon tasaisuuteen ja samalla vähentää huomattavasti tavoitekäyttöastetta (lyhentää tavoiteikää) tai saavuttamatta täyttä tavoiteruiskutusta tai täyttä kohdekorroosiota, mikä aiheuttaa hiukkasongelmia sputteroinnin aikana. käsitellä.
Magnetroni-PVD-tekniikassa on huomioitava pyörivän magneetin liikemekanismi, kohteen muoto, kohteen jäähdytysjärjestelmä ja magnetronisputterointilähde sekä kiekkoa kuljettavan alustan toiminnallinen kokoonpano, kuten kiekkojen adsorptio ja lämpötilan säätö. PVD-prosessissa kiekon lämpötilaa ohjataan vaaditun kiderakenteen, raekoon ja orientaation sekä suorituskyvyn stabiilisuuden saavuttamiseksi.
Koska lämmön johtuminen kiekon takaosan ja pohjan pinnan välillä vaatii tietyn paineen, yleensä useiden torrien luokkaa, ja kammion työpaine on yleensä usean mTorin luokkaa, takaosan paine kiekon paine on paljon suurempi kuin kiekon yläpinnassa oleva paine, joten kiekon sijoittamiseen ja rajoittamiseen tarvitaan mekaaninen istukka tai sähköstaattinen istukka.
Mekaaninen istukka nojaa omaan painoinsa ja kiekon reunaan saavuttaakseen tämän toiminnon. Vaikka kiekon etuna on yksinkertainen rakenne ja epäherkkyys kiekon materiaalille, kiekon reunavaikutus on ilmeinen, mikä ei edistä hiukkasten tiukkaa valvontaa. Siksi se on vähitellen korvattu sähköstaattisella istukalla IC-valmistusprosessissa.
Prosesseissa, jotka eivät ole erityisen herkkiä lämpötilalle, voidaan käyttää myös ei-adsorptiota, ei-reunakontaktista hyllytysmenetelmää (ei paine-eroa kiekon ylä- ja alapinnan välillä). PVD-prosessin aikana kammion vuoraus ja plasman kanssa kosketuksissa olevien osien pinta kerrostuvat ja peittyvät. Kun kerrostetun kalvon paksuus ylittää rajan, kalvo halkeilee ja irtoaa aiheuttaen hiukkasongelmia.
Siksi osien, kuten vuorauksen, pintakäsittely on avain tämän rajan pidentämiseen. Pintahiekkapuhallus ja alumiiniruiskutus ovat kaksi yleisesti käytettyä menetelmää, joiden tarkoituksena on lisätä pinnan karheutta kalvon ja vuorauspinnan välisen sidoksen vahvistamiseksi.
3.5 Ionisaatiofyysinen höyrypinnoituslaitteisto
Mikroelektroniikan jatkuvan kehityksen myötä ominaisuuksien koot pienenevät ja pienenevät. Koska PVD-tekniikka ei voi hallita hiukkasten kerrostumissuuntaa, PVD:n kyky päästä sisään reikien ja kapeiden kanavien läpi korkealla kuvasuhteella on rajoitettu, mikä tekee perinteisen PVD-tekniikan laajennetusta soveltamisesta entistä haastavampaa. PVD-prosessissa huokosuran sivusuhteen kasvaessa pohjan peitto pienenee muodostaen räystäsmäisen ulkonevan rakenteen yläkulmaan ja heikoimman peiton alanurkkaan.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin ionisoitu fyysinen höyrypinnoitustekniikka. Se plasmatoi ensin kohteesta eri tavoilla sputteroidut metalliatomit ja säätää sitten kiekkoon kuormitettua esijännitettä ohjaamaan metalli-ionien suuntaa ja energiaa, jotta saadaan vakaa suunnattu metalli-ionivirtaus ohuen kalvon valmistamiseksi, mikä parantaa korkean kuvasuhteen portaiden pohjan peitto reikien ja kapeiden kanavien kautta.
Ionisoidun metalliplasmatekniikan tyypillinen piirre on radiotaajuuskelan lisääminen kammioon. Prosessin aikana kammion työpaine pidetään suhteellisen korkeassa tilassa (5-10 kertaa normaali työpaine). PVD:n aikana radiotaajuuskelaa käytetään generoimaan toinen plasma-alue, jossa plasman argonpitoisuus kasvaa radiotaajuisen tehon ja kaasun paineen kasvaessa. Kun kohteesta ruiskutetut metalliatomit kulkevat tämän alueen läpi, ne ovat vuorovaikutuksessa suuritiheyksisen argonplasman kanssa muodostaen metalli-ioneja.
RF-lähteen asettaminen kiekon alustaan (kuten sähköstaattinen istukka) voi lisätä kiekon negatiivista esijännitettä houkutellakseen metallipositiivisia ioneja huokosuran pohjalle. Tämä suunnattu metalli-ionivirtaus, joka on kohtisuorassa kiekon pintaan nähden, parantaa korkean kuvasuhteen huokosten ja kapeiden kanavien porraspeittoa.
Kiekkoon kohdistettu negatiivinen esijännite saa myös ionit pommittamaan kiekon pintaa (käänteinen sputterointi), mikä heikentää huokosuran suuaukon ulkonevaa rakennetta ja roiskuttaa pohjaan kertyneen kalvon huokosen pohjan kulmien sivuseinille. uraa, mikä parantaa askelman peittoa kulmissa.
3.6 Ilmanpaineen kemialliset höyrypinnoituslaitteet
APCVD-laitteistolla tarkoitetaan laitetta, joka suihkuttaa kaasumaista reaktiolähdettä tasaisella nopeudella kuumennetun kiinteän substraatin pinnalle ympäristössä, jonka paine on lähellä ilmakehän painetta, jolloin reaktiolähde reagoi kemiallisesti substraatin pintaan ja reaktiotuote kerrostetaan substraatin pinnalle ohuen kalvon muodostamiseksi.
APCVD-laitteet ovat vanhimpia CVD-laitteita, ja niitä käytetään edelleen laajalti teollisessa tuotannossa ja tieteellisessä tutkimuksessa. APCVD-laitteistolla voidaan valmistaa ohuita kalvoja, kuten yksikiteistä piitä, monikiteistä piitä, piidioksidia, sinkkioksidia, titaanidioksidia, fosfosilikaattilasia ja boorifosfosilikaattilasia.
3.7 Matalapaineiset kemialliset höyrypinnoituslaitteet
Matalan paineen kemiallinen höyrypinnoituslaitteisto (LPCVD) tarkoittaa laitteita, jotka käyttävät kaasumaisia raaka-aineita reagoidakseen kemiallisesti kiinteän alustan pinnalla kuumennetussa (350-1100 °C) ja matalapaineisessa (10-100 mTorr) ympäristössä. reagoivat aineet kerrostetaan substraatin pinnalle ohuen kalvon muodostamiseksi. LPCVD-laitteet on kehitetty APCVD:n pohjalta parantamaan ohuiden kalvojen laatua, parantamaan ominaisparametrien, kuten kalvon paksuuden ja resistiivisyyden, jakautumisen tasaisuutta sekä parantamaan tuotannon tehokkuutta.
Sen pääominaisuus on, että matalapaineisessa lämpökenttäympäristössä prosessikaasu reagoi kemiallisesti kiekkosubstraatin pinnalla ja reaktiotuotteet kerrostuvat substraatin pinnalle muodostaen ohuen kalvon. LPCVD-laitteistolla on etuja korkealaatuisten ohutkalvojen valmistuksessa, ja niitä voidaan käyttää ohuiden kalvojen, kuten piioksidin, piinitridin, polypiin, piikarbidin, galliumnitridin ja grafeenin valmistukseen.
Verrattuna APCVD:hen LPCVD-laitteiston matalapaineinen reaktioympäristö lisää kaasun keskimääräistä vapaata reittiä ja diffuusiokerrointa reaktiokammiossa.
Reaktiokaasu- ja kantokaasumolekyylit reaktiokammiossa voidaan jakaa tasaisesti lyhyessä ajassa, mikä parantaa huomattavasti kalvon paksuuden tasaisuutta, resistiivisyyden tasaisuutta ja kalvon vaihepeittoa, ja myös reaktiokaasun kulutus on pieni. Lisäksi matalapaineinen ympäristö nopeuttaa myös kaasuaineiden siirtonopeutta. Substraatista diffundoituneet epäpuhtaudet ja reaktion sivutuotteet voidaan nopeasti poistaa reaktiovyöhykkeestä rajakerroksen läpi, ja reaktiokaasu kulkee nopeasti rajakerroksen läpi päästäkseen substraatin pinnalle reaktiota varten, mikä estää tehokkaasti itseseostusta, valmistautuu korkealaatuisia kalvoja jyrkillä siirtymävyöhykkeillä ja myös tuotannon tehokkuuden parantamista.
3.8 Plasmatehostetut kemialliset höyrypinnoituslaitteet
Plasma-tehostettu kemiallinen höyrypinnoitus (PECVD) on laajalti käytetty thin kalvopinnoitustekniikkaa. Plasmaprosessin aikana kaasumainen esiaste ionisoituu plasman vaikutuksesta virittyneiden aktiivisten ryhmien muodostamiseksi, jotka diffundoituvat substraatin pintaan ja käyvät sitten läpi kemiallisia reaktioita kalvon kasvun loppuunsaattamiseksi.
Plasmanmuodostustiheyden mukaan PECVD:ssä käytettävä plasma voidaan jakaa kahteen tyyppiin: radiotaajuusplasma (RF plasma) ja mikroaaltouuni plasma (Microwave plasma). Tällä hetkellä teollisuudessa käytetty radiotaajuus on yleensä 13,56 MHz.
Radiotaajuusplasman käyttöönotto jaetaan yleensä kahteen tyyppiin: kapasitiivinen kytkentä (CCP) ja induktiivinen kytkentä (ICP). Kapasitiivinen kytkentämenetelmä on tavallisesti suora plasmareaktiomenetelmä; kun taas induktiivinen kytkentämenetelmä voi olla suora plasmamenetelmä tai etäplasmamenetelmä.
Puolijohteiden valmistusprosesseissa PECVD:tä käytetään usein kasvattamaan ohuita kalvoja substraateille, jotka sisältävät metalleja tai muita lämpötilaherkkiä rakenteita. Esimerkiksi integroitujen piirien metallisen taustakytkennän alalla, koska laitteen lähde-, portti- ja viemärirakenteet on muodostettu etupääprosessissa, ohutkalvojen kasvu metallien yhteenliittämisen alalla on aiheellista. erittäin tiukoille lämpöbudjetin rajoituksille, joten se täydennetään yleensä plasma-avulla. Plasmaprosessiparametreja säätämällä PECVD:llä kasvatetun ohuen kalvon tiheyttä, kemiallista koostumusta, epäpuhtauspitoisuutta, mekaanista sitkeyttä ja jännitysparametreja voidaan säätää ja optimoida tietyllä alueella.
3.9 Atomikerrospinnoituslaitteet
Atomic layer deposition (ALD) on ohutkalvopinnoitustekniikka, joka kasvaa ajoittain näennäisen monoatomisen kerroksen muodossa. Sen ominaisuus on, että kerrostetun kalvon paksuutta voidaan säätää tarkasti säätämällä kasvujaksojen määrää. Toisin kuin kemiallisessa höyrypinnoitusprosessissa (CVD), kaksi (tai useampi) ALD-prosessin esiastetta kulkevat vuorotellen substraatin pinnan läpi ja ne eristetään tehokkaasti puhdistamalla jalokaasu.
Nämä kaksi esiastetta eivät sekoitu eivätkä tapaa kaasufaasissa reagoidakseen kemiallisesti, vaan reagoivat vain kemiallisen adsorption kautta substraatin pinnalle. Jokaisessa ALD-syklissä alustan pinnalle adsorboituneen esiasteen määrä on suhteessa aktiivisten ryhmien tiheyteen substraatin pinnalla. Kun substraatin pinnalla olevat reaktiiviset ryhmät ovat loppuneet, vaikka esiastetta lisätäänkin liikaa, substraatin pinnalle ei tapahdu kemiallista adsorptiota.
Tätä reaktioprosessia kutsutaan pinnan itsestään rajoittuvaksi reaktioksi. Tämä prosessimekanismi tekee jokaisessa ALD-prosessin syklissä kasvatetun kalvon paksuuden vakioksi, joten ALD-prosessin etuna on tarkka paksuuden säätö ja hyvä kalvon vaihepeitto.
3.10 Molekyylisuihkuepitaksilaitteet
Molecular Beam Epitaxy (MBE) -järjestelmä viittaa epitaksiaaliseen laitteeseen, joka käyttää yhtä tai useampaa lämpöenergia-atomisädettä tai molekyylisädettä ruiskuttaakseen kuumennetun substraatin pinnalle tietyllä nopeudella ultrakorkeassa tyhjiöolosuhteissa sekä adsorboitua ja kulkeutua alustan pinnalle. kasvaa epitaksiaalisesti yksikideohutkalvoja substraattimateriaalin kiteen akselin suunnassa. Yleensä lämpösuojalla varustetulla suihkuuunilla kuumennettaessa säteen lähde muodostaa atomisäteen tai molekyylisäteen, ja kalvo kasvaa kerros kerrokselta substraattimateriaalin kiteen akselin suunnassa.
Sen ominaisuudet ovat alhainen epitaksiaalinen kasvulämpötila, ja paksuutta, rajapintaa, kemiallista koostumusta ja epäpuhtauspitoisuutta voidaan säätää tarkasti atomitasolla. Vaikka MBE on peräisin puolijohteiden ultraohuiden yksikidekalvojen valmistuksesta, sen käyttö on nyt laajentunut erilaisiin materiaalijärjestelmiin, kuten metalleihin ja eristeisiin, ja sillä voidaan valmistaa III-V, II-VI, piitä, piigermaniumia (SiGe) ), grafeenia, oksideja ja orgaanisia kalvoja.
Molecular beam epitaxy (MBE) -järjestelmä koostuu pääasiassa ultrakorkeasta tyhjiöjärjestelmästä, molekyylisäteen lähteestä, substraatin kiinnitys- ja lämmitysjärjestelmästä, näytteensiirtojärjestelmästä, in situ -seurantajärjestelmästä, ohjausjärjestelmästä ja testistä. järjestelmä.
Tyhjiöjärjestelmä sisältää tyhjiöpumput (mekaaniset pumput, molekyylipumput, ionipumput ja kondensaatiopumput jne.) ja erilaisia venttiilejä, jotka voivat luoda erittäin korkean tyhjiön kasvuympäristön. Yleisesti saavutettavissa oleva tyhjiöaste on 10-8 - 10-11 Torr. Tyhjiöjärjestelmässä on pääasiassa kolme tyhjiötyökammiota, nimittäin näytteen injektiokammio, esikäsittely- ja pintaanalyysikammio sekä kasvukammio.
Näytteen injektiokammiota käytetään näytteiden siirtämiseen ulkomaailmaan muiden kammioiden korkean tyhjiön varmistamiseksi; esikäsittely- ja pinta-analyysikammio yhdistää näytteen injektiokammion ja kasvatuskammion, ja sen päätehtävänä on esikäsitellä näyte (korkean lämpötilan kaasunpoisto substraatin pinnan täydellisen puhtauden varmistamiseksi) ja suorittaa alustava pinta-analyysi puhdistettu näyte; kasvukammio on MBE-järjestelmän ydinosa, joka koostuu pääasiassa lähdeuunista ja sitä vastaavasta suljinkokoonpanosta, näytteenohjauskonsolista, jäähdytysjärjestelmästä, heijastussuuren energian elektronidiffraktiosta (RHEED) ja in situ -valvontajärjestelmästä. . Joissakin tuotanto-MBE-laitteissa on useita kasvukammiokokoonpanoja. Kaavamainen kaavio MBE-laitteistorakenteesta on esitetty alla:
Piimateriaalin MBE käyttää erittäin puhdasta piitä raaka-aineena, kasvaa ultrakorkeassa tyhjiössä (10-10～10-11Torr) ja kasvulämpötila on 600～900 ℃, Ga (P-tyyppi) ja Sb ( N-tyyppi) dopinglähteinä. Yleisesti käytettyjä dopinglähteitä, kuten P, As ja B, käytetään harvoin säteen lähteinä, koska niitä on vaikea haihduttaa.
MBE:n reaktiokammiossa on erittäin korkea tyhjiöympäristö, mikä lisää molekyylien keskimääräistä vapaata reittiä ja vähentää kontaminaatiota ja hapettumista kasvavan materiaalin pinnalla. Valmistetulla epitaksiaalisella materiaalilla on hyvä pinnan morfologia ja tasaisuus, ja siitä voidaan tehdä monikerroksinen rakenne erilaisilla seostusaineilla tai eri materiaalikomponenteilla.
MBE-teknologialla saavutetaan ultraohuiden epitaksiaalisten kerrosten toistuva kasvu, joiden paksuus on yksi atomikerros, ja epitaksiaalisten kerrosten välinen rajapinta on jyrkkä. Se edistää III-V-puolijohteiden ja muiden monikomponenttisten heterogeenisten materiaalien kasvua. Tällä hetkellä MBE-järjestelmästä on tullut edistynyt prosessilaitteisto uuden sukupolven mikroaaltouunien ja optoelektronisten laitteiden tuotantoon. MBE-tekniikan haittoja ovat hidas kalvon kasvunopeus, korkeat tyhjiövaatimukset sekä korkeat laitteiden ja laitteiden käyttökustannukset.
3.11 Höyryfaasiepitaksijärjestelmä
Höyryfaasiepitaksijärjestelmä (VPE) viittaa epitaksiaaliseen kasvulaitteeseen, joka kuljettaa kaasumaisia yhdisteitä substraattiin ja saa kemiallisten reaktioiden kautta yksikidemateriaalikerroksen, jossa on sama hilajärjestely kuin substraatilla. Epitaksiaalinen kerros voi olla homoepitaksiaalinen kerros (Si/Si) tai heteroepitaksiaalinen kerros (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3 jne.). Tällä hetkellä VPE-tekniikkaa on käytetty laajalti nanomateriaalien valmistuksessa, teholaitteissa, puolijohdeoptoelektronisissa laitteissa, aurinkosähköissä ja integroiduissa piireissä.
Tyypillinen VPE sisältää ilmakehän paineen epitaksia ja alennetussa paineessa epitaksia, ultrakorkea tyhjiökemiallinen höyrypinnoitus, metalliorgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus jne. VPE-tekniikan avainkohdat ovat reaktiokammion suunnittelu, kaasun virtausmuoto ja tasaisuus, lämpötilan tasaisuus ja tarkkuussäätö, paineenhallinta ja vakaus, hiukkasten ja vikojen hallinta jne.
Tällä hetkellä valtavirran kaupallisten VPE-järjestelmien kehityssuunta on suuri kiekkojen lataus, täysautomaattinen ohjaus sekä lämpötilan ja kasvuprosessin reaaliaikainen seuranta. VPE-järjestelmillä on kolme rakennetta: pystysuora, vaaka ja sylinterimäinen. Lämmitysmenetelmiä ovat vastuslämmitys, suurtaajuinen induktiolämmitys ja infrapunasäteilylämmitys.
Tällä hetkellä VPE-järjestelmissä käytetään enimmäkseen vaakasuuntaisia kiekkorakenteita, joilla on hyvä epitaksiaalisen kalvon kasvun tasaisuus ja suuri kiekkokuormitus. VPE-järjestelmät koostuvat yleensä neljästä osasta: reaktori, lämmitysjärjestelmä, kaasupolkujärjestelmä ja ohjausjärjestelmä. Koska GaAs- ja GaN-epitaksiaalisten kalvojen kasvuaika on suhteellisen pitkä, käytetään enimmäkseen induktiokuumennusta ja vastuslämmitystä. Piin VPE:ssä paksun epitaksiaalisen kalvon kasvattaminen käyttää enimmäkseen induktiokuumennusta; ohuen epitaksiaalisen kalvon kasvu käyttää enimmäkseen infrapunalämmitystä saavuttaakseen nopean lämpötilan nousun / laskun.
3.12 Nestefaasiepitaksijärjestelmä
Liquid Phase Epitaxy (LPE) -järjestelmällä tarkoitetaan epitaksiaalista kasvatuslaitteistoa, joka liuottaa kasvatettavan materiaalin (kuten Si, Ga, As, Al jne.) ja lisäaineet (kuten Zn, Te, Sn jne.) metalli, jonka sulamispiste on alempi (kuten Ga, In jne.), niin että liuennut aine on kyllästynyt tai ylikyllästynyt liuottimessa, ja sitten yksikidesubstraatti on saatetaan kosketukseen liuoksen kanssa ja liuennut aine saostetaan liuottimesta asteittain jäähtymällä, ja substraatin pinnalle kasvatetaan kidemateriaalia, jonka kiderakenne ja hilavakio on samanlainen kuin substraatilla.
LPE-menetelmää ehdottivat Nelson et ai. Vuonna 1963. Sitä käytetään Si-ohutkalvojen ja yksikidemateriaalien sekä puolijohdemateriaalien, kuten III-IV-ryhmien ja elohopean kadmiumtelluridin kasvattamiseen, ja sitä voidaan käyttää erilaisten optoelektronisten laitteiden, mikroaaltouunien, puolijohdelaitteiden ja aurinkokennojen valmistukseen. .
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera voi tarjotagrafiittiosat, pehmeä/jäykkä huopa, piikarbidin osat, CVD piikarbidiosat, jaSiC/TaC-pinnoitetut osat30 päivän sisällä.
Jos olet kiinnostunut yllä olevista puolijohdetuotteista,älä epäröi ottaa meihin yhteyttä ensimmäisen kerran.
Puh: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Postitusaika: 31.8.2024