Pooljuhtprotsessid ja seadmed: õhukese kile sadestamise protsessid ja seadmed

Õhukese kile sadestamine on nano-suuruses kile sadestamine substraadile ja seejärel korduvate protsessidega, nagu söövitamine ja poleerimine, tehakse palju virnastatud juhtivaid või isoleerivaid kihte ning igal kihil on kavandatud vooluahela muster. Sel viisil integreeritakse pooljuhtkomponendid ja ahelad keeruka struktuuriga kiibidesse.

Õhukese kile sadestumisel on kolm peamist kategooriat:

◈ CVD (keemiline aurustamine-sadestamine)

◈ PVD (füüsiline aurustamine-sadestamine)

◈ ALD (aatomikihtsadestamine)

Vaatame lähemalt õhukese kile sadestamise tehnoloogiaid nendest kolmest kategooriast.

 

Keemiline aurustamise-sadestamise protsess

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD) moodustab termilise lagunemise ja/või gaasiliste ühendite reaktsiooni kaudu substraadi pinnale õhukese kile. Kilekihi materjalid, mida saab valmistada CVD meetodil, on karbiid, nitriid, boriid, oksiid, sulfiid, seleniidid, telluriidid, aga ka mõned metalliühendid, sulamid jne.

Keemiline aurustamine-sadestamine on praegu oluline mikroskoopiline tootmismeetod, kuna sellel on järgmised omadused:

1. Lai valik sadestusi: sadestada saab metallist ja mittemetallist kilet, samuti mitmekomponentsete sulamitega kilesid, samuti vastavalt vajadusele keraamilisi või liitkihte.

2. CVD-reaktsioon viiakse läbi atmosfäärirõhul või madalal vaakumil ja katte difraktsioon on hea ning seda saab ühtlaselt katta sügavate aukude ja peente aukude jaoks keeruka kujuga või töödeldavate detailidega pindadel.

3. See võib saada õhukese kilekatte, millel on kõrge puhtusaste, hea kompaktsus, madal jääkpinge ja hea kristallisatsioon. Tänu reaktsioonigaaside, reaktsioonisaaduste ja substraatide vastastikusele difusioonile on võimalik saada hästi kleepuv kile, mis on oluline pinnatugevduskilede puhul nagu pinna passivatsioon, korrosioonikindlus ja kulumiskindlus.

4. Kuna temperatuur, mille juures kile kasvatatakse, on palju madalam kilematerjali sulamistemperatuurist, on võimalik saada väga puhas, täielikult kristalliseerunud kilekiht, mis on vajalik mõne pooljuhtkatte puhul.

5. Sadestamise parameetrite reguleerimisega saab tõhusalt kontrollida katte keemilist koostist, morfoloogiat, kristallstruktuuri ja tera suurust.

6. Seadmed on lihtsad, kergesti kasutatavad ja hooldatavad.

7. Reaktsioonitemperatuur on liiga kõrge, tavaliselt 850–1100 kraadi, ja paljud maatriksmaterjalid ei talu CVD kõrget temperatuuri. Sadestamistemperatuuri vähendamiseks saab kasutada plasma- või lasertehnoloogiat.

Keemilise aurustamise-sadestamise protsess jaguneb kolmeks oluliseks etapiks:

1, reaktsioonigaas hajub maatriksi pinnale

2, reaktsioonigaas adsorbeeritakse maatriksi pinnale

3, maatriksi pinnal toimub keemiline reaktsioon, mille käigus moodustuvad tahked sadestused ja tekkivad gaasifaasi kõrvalsaadused eralduvad maatriksi pinnalt.

Levinumad keemilised aurustamise-sadestamise reaktsioonid on: termilise lagunemise reaktsioon, keemilise sünteesi reaktsioon ja keemilise transpordi reaktsioon. CVD peamised reaktsiooniprotsessid on järgmised:
i). Polüräni

SiH4 ->Si + 2h2 (600 kraadi)

Sadestamiskiirus 100 - 200 nm/min

Lisada võib fosforit (fosfiini), boori (diboraani) või arseeni. Polüräni saab ka pärast sadestamist difusioongaasiga legeerida.

ii).RäniDioksiid

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

SiO2 kasutatakse isolaatori või passiveerimiskihina. Paremate elektronide vooluomaduste saamiseks lisatakse tavaliselt fosforit. Kui hapnikus on räni, kasvab SiO2 termiliselt. Hapnik pärineb hapnikust või veeaurust. Ümbritseva õhu temperatuuri nõue on 900–1200 kraadi. Ränivahvli pind pärast selektiivset oksüdatsiooni on näidatud alloleval joonisel:

Nii hapnik kui vesi difundeeruvad läbi olemasoleva SiO2 ja ühinevad Si-ga, moodustades täiendava SiO2. Vesi (aur) hajub kergemini kui hapnik, seega kasvab see auru kasutades palju kiiremini. Oksiide kasutatakse isoleeriva ja passiveeriva kihi moodustamiseks transistori paisu moodustamiseks. Kuiva hapnikku kasutatakse väravate ja õhukeste oksiidikihtide moodustamiseks. Paksu oksiidikihi moodustamiseks kasutatakse auru. Isoleeriv oksiidikiht on tavaliselt umbes 1500 nm ja paisukiht on tavaliselt vahemikus 200 nm kuni 500 nm.

iii). Siikoonnitriid

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Keemilise aurustamise-sadestamise CVD-seadmed

CVD-reaktoreid on kolme põhitüüpi:

◈ APCVD: atmosfäärirõhu CVD

◈ LPCVD: madala rõhuga CVD, LPCVD

◈ UHVCVD: ülikõrge vaakum-CVD

◈ LCVD: laser-CVD

◈ MOCVD: Metall-orgaaniline CVD

◈ CVD (PECVD

Madalrõhu CVD protsessi seadmete skemaatiline diagramm on näidatud alloleval joonisel.

Allolev diagramm näitab süsiniku sadestamiseks ja teemanditaolise katte valmistamiseks kasutatava ioonidega täiustatud CVD-seadme struktuuri.

PVDProtsess

Vaakumtingimustes aurustatakse materjaliallika pinnal olev materjal (tahke või vedel) füüsikaliste meetoditega gaasilisteks aatomiteks, molekulideks või osadeks, mis ioniseeritakse ioonideks ning maatriksi pinnale sadestatakse erifunktsiooniga õhuke kile. madala rõhuga gaasi (või plasma) protsessi kaudu. Füüsikalise aur-sadestamise abil ei saa sadestada ainult metallkilesid ja sulamikilesid, vaid ka ühendeid, keraamikat, pooljuhte, polümeerkilesid jne. Füüsilise aurustamise-sadestamise tehnoloogia põhiprintsiibi võib jagada kolme protsessietappi: (1) Aurusadestamine kattematerjal: isegi kui kattematerjal aurustub, sublimeerub või pihustatakse, st läbi kattematerjali aurustumisallika. (2) Pindamismaterjali aatomite, molekulide või ioonide migratsioon: pärast gaasistamisallikast tarnitud aatomite, molekulide või ioonide kokkupõrget tekivad mitmesugused reaktsioonid. (3) Pinnase aatomite, molekulide või ioonide sadestumine substraadile. Füüsilise aurustamise-sadestamise tehnoloogia protsess on saastevaba ja sellel on vähe kulumaterjale. Kile on ühtlane ja tihe ning sidumisjõud aluspinnaga on tugev. Tehnoloogiat kasutatakse laialdaselt lennunduses, elektroonikas, optikas, masinates, ehituses, kergetööstuses, metallurgias, materjalides ja muudes valdkondades ning see võib valmistada katteid kulumiskindlate, korrosioonikindlate, dekoratiivsete, juhtivate, isolatsiooni, valgusjuhtivuse, piesoelektriga, magnetism, määrimine, ülijuhtivus ja muud omadused. Füüsilise aurustamise-sadestamise jaoks on ka mitmesuguseid protsesse:

◈ Õhukese kilega vaakumkate

◈ PVD-pritsimine

◈ Ioonkate

Allpool kirjeldame kõigi nende kolme tüüpi meetodi protsessitehnoloogiaid.

◈ Õhukese kilega vaakumkate

Põhimõte:Õhukese kilega vaakumkateon tehnoloogia, mis soojendab ja aurustab plaadistuse sihtmärki vaakumtingimustes, nii et suur hulk aatomeid ja molekule aurustub ja lahkuvad vedelast kattematerjalist või lahkuvad tahkelt plaadistuspinnalt (või sublimatsioonist) ja sadestuvad lõpuks plaadi pinnale. substraat. Kogu protsessi käigus migreeruvad gaasilised aatomid ja molekulid vaakumis väheste kokkupõrgetega otse maatriksisse ja sadestuvad maatriksi pinnale, moodustades õhukese kile. Aurustamismeetodid hõlmavad takistuskuumutamist, kõrgsageduslikku induktsioonkuumutamist, elektronkiirt, laserkiirt, ioonkiirega suure energiaga pommitamismaterjali jne.

Õhukese kilega vaakumkate on üks vanimaid PVD tehnoloogiaid.

Aurustumise allikas:Kattematerjal kuumutatakse aurustumistemperatuurini ja aurustatakse, seda kütteseadet nimetatakse aurustumisallikaks. Kõige sagedamini kasutatavad aurustusallikad on takistusaurustusallikad ja elektronkiirega aurustumisallikad ning eriotstarbeliste aurustusallikate hulka kuuluvad kõrgsageduslik induktsioonkuumutus, kaarkuumutus, kiirguskuumutus, laserkuumutus aurustusallikad jne. Protsess: vaakumi põhiprotsess aurustamine on järgmine:

Pindamiseelne töötlemine: sealhulgas plaadistusosade puhastamine ja eeltöötlus. Spetsiifilised puhastusmeetodid hõlmavad puhastusvahendiga puhastamist, keemilise lahustiga puhastamist, ultrahelipuhastust ja ioonpommitamist. Spetsiifiline eeltöötlus hõlmab staatilist eemaldamist, kruntvärvimist jne.

Ahju laadimine: sealhulgas vaakumkambri puhastamine, plaadistusrippude puhastamine, aurustumisallikate paigaldamine ja silumine ning hommikumantlite katmine.

Tolmuimemine: üldiselt toimub esimene töötlemata pumpamine üle 6,6 Pa, difusioonipumba etapieelne hooldusvaakumpump avatakse varem ja difusioonipumpa soojendatakse. Kui eelsoojendus on piisav, avage kõrge klapp ja pumbake see difusioonipumbaga 6 × 10-3 Pa taustvaakumini.

Küpsetamine: Küpseta plaaditud osad soovitud temperatuurini.

Ioonidega pommitamine: vaakumi aste on üldiselt 10 Pa ~ 10-1 Pa, ioonide pommitamise pinge on 200 V ~ 1 kV negatiivne kõrgepinge ja väljumisaeg on 5 min ~ 30 min,

Eelsulatamine: reguleerige voolutugevust, et plaadistusmaterjal eelsulataks, ja degaseerige 1 min ~ 2 min.

Aurustussadestamine: reguleerige aurustusvoolu vastavalt nõuetele kuni soovitud sadestusaja lõpuni. 8. Jahutamine: plaaditud osad jahutatakse vaakumkambris teatud temperatuurini.

9. Ahi: pärast korjamist sulgege vaakumkamber, imege vaakum rõhuni 1 × 10-1 Pa ja difusioonipump jahutatakse lubatud temperatuurini, enne kui lülitate hoolduspumba ja jahutusvee välja.

◈ PVD-pritsimine

Pihustuskate viitab energiaga saadud osakeste (nt argooniioonide) kasutamisele sihtmaterjali pinna pommitamiseks vaakumi tingimustes, et sihtmaterjali pinnal olevad aatomid saaksid põgenemiseks piisavalt energiat. nimetatakse pritsimiseks. Pihustatud sihtmärk sadestatakse substraadi pinnale, mida nimetatakse pihustuskatteks.

Argooni (Ar) aatomeid saab ioniseerida argooniioonideks (Ar+), täites argooni (Ar) vaakumkeskkonnas ja tühjendades argooni kõrge pingega. Elektrivälja jõu mõjul kiirendavad argooniioonid plaadistusmaterjalist valmistatud katoodsihtmärgi pommitamist ning sihtmärk pihustatakse välja ja sadestatakse tooriku pinnale.

Pommitamiskatte saab jagada alalisvoolu pommituseks, raadiosageduslikuks pommituseks ja magnetroni pihustamiseks ning vastavad hõõglahenduse pingeallikaks ja juhtimisväljaks on vastavalt kõrgepinge alalisvool, raadiosageduslik (RF) vahelduvvool ja magnetroni (M) väli.

Pihustuskate, kõrge sadestamiskiirus, hea protsessi korratavus, lihtne automatiseerimine, sobib suuremahuliseks arhitektuurseks dekoratiivkatteks ja tööstuslike materjalide funktsionaalseks katmiseks. Pritsimiskatted mängivad olulist rolli ka integraallülituste ja pooljuhtseadmete valmistamisel.

Kõrgtehnoloogiliste ja arenevate tööstusharude arenedes on füüsilises aurustamise-sadestamise tehnoloogias palju uusi ja täiustatud tipphetki, nagu mitmekaareline ioonplaatimine ja magnetroni pihustamise ühilduvustehnoloogia, suured ristkülikukujulised pikakaarelised sihtmärgid ja pihustusobjektid, tasakaalutus magnetroni pihustussihtmärgid, kahe sihtmärgi tehnoloogia, lintvaht mitme kaare sadestamise mähise katmise tehnoloogia, ribakiudkangas mähise katmise tehnoloogia jne, katmisseadmete komplektide kasutamine, arvuti automatiseeritud, suuremahuline keemiatööstuse arendamine.

◈ Ioonkate

Ioonkatte põhiprintsiibiks on plasma ionisatsioonitehnoloogia kasutamine vaakumtingimustes plaadistusmaterjali aatomite osaliseks ioniseerimiseks ioonideks ja samal ajal paljude suure energiaga neutraalsete aatomite tootmiseks. Plaaditavale substraadile kantakse negatiivne nihe, nii et sügava negatiivse nihke toimel sadestuvad ioonid substraadi pinnale, moodustades õhukese kile.

Inertgaasi hõõglahenduse abil paneb ioonkate kattematerjali (nt metalltitaan) gaasistama ja aurustuma ning ioniseeruma ning ioone kiirendab elektriväli, et pommitada töödeldava detaili pinda suurema energiaga. süsinikdioksiidi, lämmastiku ja muude reaktsioonigaaside sisseviimisel võib töödeldava detaili pinnale tekkida TiC ja TiN kattekihid ning kõvadus on kuni 2000 HV.

Ioonkatmine on füüsikalise aurustamise-sadestamise meetodil üks enim kasutatavaid katmisprotsesse.

Selle eelised on järgmised:

① Kilekihi ja maatriksi vaheline haardumine on tugev ja reaktsioonitemperatuur madal.

②Kilekiht on ühtlane ja tihe.

③ Hea mähise plaatimine negatiivse eelpinge rõhu all.

④ Saastumata.

⑤Ioonplaadistamiseks sobib lai valik substraatmaterjale.

Ioonkatte tehnoloogia arenedes on tekkinud palju erinevaid ioonkatte tehnoloogia viise, nagu näiteks: reaktiivne ioonplaatimine, plasmakatmine, mitmekaareline ioonplaatimine jne. Ma ei hakka neid kõiki siin läbi vaatama.

PVDVarustus

Füüsilise aurustamise-sadestamise seadmed hõlmavad vaakum-aurustuskatmisseadmeid, vaakum-pihustamiskattajaid ja vaakum-ioonkatteseadmeid. Alloleval joonisel on kujutatud vaakumaurustuskatja konstruktsioonipõhimõtet.

Järgmisel joonisel on kujutatud pihustuskatte seadmete struktuuri skemaatiline diagramm

Järgmisel joonisel on kujutatud ioonkatte seadmete struktuurne skemaatiline diagramm

ALDProtsess

ALD: Atomic Layers Deposition on ülitäpne õhukese kile sadestamise tehnoloogia, mis põhineb keemilisel aurustamise-sadestamisel (CVD), mis on tehnoloogia, mille abil sadestatakse materjalimaterjale kiht-kihilt substraadi pinnale ühe aatomkile kujul, mis põhineb keemiline aurufaas. Erinevalt tavapärasest CVD-st on ALD sadestamine, mille käigus sadestatakse vaheldumisi reaktsiooni prekursorid ja uue aatomikile keemiline reaktsioon on otseselt seotud eelmise kihiga, nii et et igas reaktsioonis ladestub ainult üks aatomikiht.

Igas reaktsioonis sadestatakse ainult üks aatomite kiht, mis on isepiirav, võimaldades kile sadestada substraadile konformselt ja ilma aukudeta. Selle tulemusel saab kile paksust täpselt reguleerida, reguleerides sadestustsüklite arvu.

ALD-sadestatavate materjalide hulka kuuluvad metallid, oksiidid, süsinik (lämmastik, väävel, räni), erinevad pooljuhtmaterjalid ja ülijuhtivad materjalid. Kuna integraallülitused muutuvad üha integreeritumaks ja väiksemaks, asendavad suure dielektrilise konstandiga (kõrge k) paisu dielektrikud järk-järgult traditsioonilisi ränioksiidväravaid ja kuvasuhe muutub järjest suuremaks, mis seab kõrgemad nõuded astmelise katvuse võimele. sadestamise tehnoloogia, mistõttu ALD-d on üha enam kasutusele võetud uue sadestamisprotsessina, mis vastab ülaltoodud nõuetele.

ALD-tsükli võib jagada neljaks etapiks:

Esimene lähtegaas juhitakse substraati ja substraadi pinnaga toimub adsorptsioon või keemiline reaktsioon;

Loputage ülejäänud gaas inertse gaasiga;

Sisestage teine ​​lähtegaas; keemiline reaktsioon maatriksi pinnale adsorbeeritud esimese lähtegaasiga, et moodustada kattekiht, või saadus reageerib esimese prekursoriga ja maatriks jätkab reageerimist, moodustades katte;

Peske liigne gaas uuesti inertgaasiga välja.

ALD tehnoloogia omadused ja eelised:

Suurepärane kolmemõõtmeline vastavus: ALD toodab kile, mis on kooskõlas algse substraadi kujuga, st kilet saab ühtlaselt ladestada nõgusale pinnale. Seetõttu sobib see erineva kujuga aluspindadele; Ühtne kolmemõõtmeline kile, ühtlane kuju ja konformaalsus on ALD-tehnoloogia ainulaadsed eelised.

Kõrge tasasus: pind on aukudeta ja alt-üles kasvumehhanism määrab kile aukudeta olemuse, mis on väärtuslik blokeerimis- ja passiveerimisrakendustes.

Suurepärane nakkuvus: prekursori keemiline adsorptsioon aluspinna pinnale tagab suurepärase nakkuvuse

Madal termiline eelarve (madal sadestamistemperatuur): õhukese kile võib kasvatada madalatel temperatuuridel (toatemperatuur kuni 400 kraadi), mis on väga atraktiivne temperatuuripiiranguga polümeerseadmete ja biomaterjalide katete jaoks.

Suur täpsus: substraadi kile paksust saab lihtsalt ja täpselt reguleerida reaktsioonitsükli juhtimisega ning kile paksuse täpsus võib ulatuda ühe aatomi paksuseni.

ALD seadmed

ALD-seadmete protsessitemperatuur on 50~500 kraadi, mis võib töötada normaalrõhul, kuid kaldub töötama madala rõhu (0,1-10 Torri) tingimustes. ALD võib vastavalt erinevatele energiavarustusmeetoditele jagada kuumaks aatomsadeseks ja plasmaga täiustatud aatomkihtsadeseks (PEALD). Termiline ALD tugineb soojusenergiale, et ergutada kahte või enamat lähteainet keemiliselt reageerima. Piisava reaktsiooni aktiveerimisenergia tagamiseks töötavad termilise aatomikihi sadestamise seadmed tavaliselt vahemikus 200–500 kraadi.

Alloleval pildil on ühe vahvliga ALD seade

0020-24896 KAATESÕNGAS 6" SST 101 AL

 

--Lõpp--