Pusvadītāju procesi un iekārtas: plānslāņa pārklājuma procesi un iekārtas

Plānās plēves uzklāšana ir nanoizmēra plēves uzklāšana uz pamatnes, un pēc tam ar atkārtotiem procesiem, piemēram, kodināšanu un pulēšanu, tiek izveidoti daudzi sakrauti vadoši vai izolācijas slāņi, un katram slānim ir izstrādāts ķēdes modelis. Tādā veidā pusvadītāju sastāvdaļas un shēmas tiek integrētas mikroshēmās ar sarežģītām struktūrām.

Ir trīs galvenās plānās kārtiņas nogulsnēšanās kategorijas:

◈ CVD (ķīmiskā tvaiku pārklāšana)

◈ PVD (fiziskā tvaiku pārklāšana)

◈ ALD (atomu slāņu nogulsnēšanās)

Sīkāk apskatīsim plānās kārtiņas nogulsnēšanas tehnoloģijas no šīm trim kategorijām.

 

Ķīmiskais tvaiku pārklāšanas process

Ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD) veido plānu plēvi uz substrāta virsmas termiskās sadalīšanās un/vai gāzveida savienojumu reakcijas rezultātā. Plēves slāņa materiāli, ko var izgatavot ar CVD metodi, ir karbīds, nitrīds, borīds, oksīds, sulfīds, selenīds, telurīds, kā arī daži metālu savienojumi, sakausējumi utt.

Ķīmiskā tvaiku pārklāšana pašlaik ir svarīga mikroskopiskā ražošanas metode, jo tai ir šādas īpašības:

1. Plašs nosēdumu klāsts: var uzklāt metāla un nemetāla plēves, kā arī plēves ar daudzkomponentu sakausējumiem, kā arī keramikas vai saliktos slāņus pēc vajadzības.

2. CVD reakcija tiek veikta atmosfēras spiedienā vai zemā vakuumā, un pārklājuma difrakcija ir laba, un to var vienmērīgi pārklāt dziļiem caurumiem un smalkiem caurumiem uz virsmām ar sarežģītām formām vai sagatavēm.

3. Tas var iegūt plānas plēves pārklājumu ar augstu tīrības pakāpi, labu kompaktumu, zemu atlikušo spriegumu un labu kristalizāciju. Pateicoties reakcijas gāzu, reakcijas produktu un substrātu savstarpējai difūzijai, var iegūt labi lipīgu plēvi, kas ir svarīga virsmas stiegrojuma plēvēm, piemēram, virsmas pasivācijai, izturībai pret koroziju un nodilumizturībai.

4. Tā kā temperatūra, kurā plēve tiek audzēta, ir daudz zemāka par plēves materiāla kušanas temperatūru, ir iespējams iegūt ļoti tīru, pilnībā kristalizētu plēves slāni, kas ir nepieciešams dažiem pusvadītāju pārklājumiem.

5. Pielāgojot nogulsnēšanās parametrus, var efektīvi kontrolēt apšuvuma ķīmisko sastāvu, morfoloģiju, kristāla struktūru un graudu izmēru.

6. Iekārta ir vienkārša, viegli lietojama un kopjama.

7. Reakcijas temperatūra ir pārāk augsta, parasti 850 ~ 1100 grādi, un daudzi matricas materiāli nevar izturēt CVD augsto temperatūru. Lai samazinātu nogulsnēšanās temperatūru, var izmantot plazmas vai lāzera palīdzību.

Ķīmiskās tvaiku pārklāšanas process ir sadalīts trīs svarīgos posmos:

1, reakcijas gāze izkliedējas uz matricas virsmu

2, reakcijas gāze tiek adsorbēta uz matricas virsmas

3, uz matricas virsmas notiek ķīmiska reakcija, veidojot cietas nogulsnes, un iegūtie gāzes fāzes blakusprodukti tiek atdalīti no matricas virsmas.

Visizplatītākās ķīmiskās tvaiku pārklāšanas reakcijas ir: termiskās sadalīšanās reakcija, ķīmiskās sintēzes reakcija un ķīmiskās transportēšanas reakcija. Galvenie CVD reakcijas procesi ir šādi:
i). Polisilīcija

SiH4 ->Si + 2h2 (600 grādi)

Uzklāšanas ātrums 100 - 200 nm/min

Var pievienot fosforu (fosfīnu), boru (diborānu) vai arsēna gāzi. Polisilīciju pēc nogulsnēšanās var arī leģēt ar difūzijas gāzi.

ii).SilīcijsDioksīds

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

SiO2 izmanto kā izolatoru vai pasivācijas slāni. Fosforu parasti pievieno, lai iegūtu labākas elektronu plūsmas īpašības. Kad skābeklī ir silīcijs, SiO2 aug termiski. Skābeklis nāk no skābekļa vai ūdens tvaikiem. Apkārtējās vides temperatūras prasība ir 900–1200 grādi. Silīcija vafeles virsma pēc selektīvās oksidācijas ir parādīta attēlā zemāk:

Gan skābeklis, gan ūdens izkliedējas caur esošo SiO2 un savienojas ar Si, veidojot papildu SiO2. Ūdens (tvaiks) izkliedējas vieglāk nekā skābeklis, tāpēc tas aug daudz ātrāk, izmantojot tvaiku. Oksīdus izmanto, lai nodrošinātu izolācijas un pasivācijas slāni, veidojot tranzistora vārtus. Sausais skābeklis tiek izmantots vārtu un plānu oksīda slāņu veidošanai. Tvaiku izmanto, lai izveidotu biezu oksīda slāni. Izolācijas oksīda slānis parasti ir aptuveni 1500 nm, un vārtu slānis parasti ir no 200 nm līdz 500 nm.

iii). Siicon Nitrīds

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Ķīmiskās tvaiku pārklāšanas CVD iekārtas

Ir trīs CVD reaktoru pamatveidi:

◈ APCVD: atmosfēras spiediena CVD

◈ LPCVD: zema spiediena CVD, LPCVD

◈ UHVCVD: īpaši augsta vakuuma CVD

◈ LCVD: lāzera CVD

◈ MOCVD: metāla un organiskā CVD

◆ CVD (PECVD)

Zemspiediena CVD procesa aprīkojuma shematiskā diagramma ir parādīta attēlā zemāk.

Zemāk redzamajā diagrammā parādīta ar jonu pastiprināta CVD iekārtas struktūra, ko izmanto oglekļa nogulsnēšanai un dimantam līdzīga pārklājuma sagatavošanai.

PVDProcess

Vakuuma apstākļos materiāls uz materiāla avota virsmas (ciets vai šķidrs) tiek iztvaicēts gāzveida atomos, molekulās vai daļās, kas ar fizikālām metodēm tiek jonizētas jonos, un uz matricas virsmas tiek uzklāta plāna plēve ar īpašu funkciju. izmantojot zema spiediena gāzes (vai plazmas) procesu. Fiziskā tvaiku pārklāšana var ne tikai nogulsnēt metāla plēves un sakausējumu plēves, bet arī uzklāt savienojumus, keramiku, pusvadītājus, polimēru plēves utt. Fizikālās tvaiku pārklāšanas tehnoloģijas pamatprincipu var iedalīt trīs procesa posmos: (1) Iztvaicēšana pārklājuma materiāls: pat tad, ja pārklājuma materiāls iztvaiko, sublimējas vai tiek izsmidzināts, tas ir, caur pārklājuma materiāla iztvaikošanas avotu. (2) Apšuvuma materiāla atomu, molekulu vai jonu migrācija: pēc tam, kad gazifikācijas avota piegādātie atomi, molekulas vai joni saduras, tiks ģenerētas dažādas reakcijas. (3) Apšuvuma atomu, molekulu vai jonu nogulsnēšanās uz substrāta. Fizikālās tvaiku pārklāšanas tehnoloģijas process ir bez piesārņojuma, un tajā ir maz palīgmateriālu. Plēve ir viendabīga un blīva, un saistīšanas spēks ar substrātu ir spēcīgs. Tehnoloģiju plaši izmanto aviācijā, elektronikā, optikā, mašīnās, celtniecībā, vieglajā rūpniecībā, metalurģijā, materiālos un citās jomās, un tā var sagatavot pārklājumus ar nodilumizturīgu, korozijizturīgu, dekoratīvu, vadošu, izolāciju, gaismas vadītspēju, pjezoelektrību, magnētisms, eļļošana, supravadītspēja un citas īpašības. Ir arī dažādi fizikālās tvaiku pārklāšanas procesi:

◈ Plānas plēves vakuuma pārklājums

◈ PVD-uzsmidzināšana

◈ Jonu pārklājums

Zemāk mēs aprakstām procesu tehnoloģijas katram no šiem trīs metožu veidiem.

◈ Plānas plēves vakuuma pārklājums

Princips:Plānas plēves vakuuma pārklājumsir tehnoloģija, kas uzsilda un iztvaicē pārklājuma mērķi vakuuma apstākļos, lai liels skaits atomu un molekulu tiktu iztvaicēti un atstātu šķidro pārklājuma materiālu vai atstātu cieto pārklājuma virsmu (vai sublimāciju) un visbeidzot nogulsnētu uz virsmas. substrāts. Visā procesā gāzveida atomi un molekulas migrēs tieši uz matricu ar dažām sadursmēm vakuumā un tiek nogulsnētas uz matricas virsmas, veidojot plānu plēvi. Iztvaicēšanas metodes ietver pretestības sildīšanu, augstfrekvences indukcijas sildīšanu, elektronu staru, lāzera staru, jonu staru augstas enerģijas bombardēšanas pārklājuma materiālu utt.

Plānās plēves vakuuma pārklājums ir viena no senākajām PVD tehnoloģijām.

Iztvaikošanas avots:Apšuvuma materiāls tiek uzkarsēts līdz iztvaikošanas temperatūrai un iztvaicēts, šo sildīšanas ierīci sauc par iztvaikošanas avotu. Visbiežāk izmantotie iztvaikošanas avoti ir pretestības iztvaikošanas avoti un elektronu staru iztvaikošanas avoti, un īpašiem nolūkiem paredzēti iztvaikošanas avoti ir augstfrekvences indukcijas sildīšana, loka sildīšana, starojuma sildīšana, lāzera sildīšanas iztvaikošanas avoti utt. Process: Vakuuma pamatprocess iztvaikošana notiek šādi:

Iepriekšēja apstrāde: ieskaitot apšuvuma daļu tīrīšanu un pirmapstrādi. Īpašās tīrīšanas metodes ietver tīrīšanu ar tīrīšanas līdzekļiem, tīrīšanu ar ķīmiskiem šķīdinātājiem, tīrīšanu ar ultraskaņu un tīrīšanu ar jonu bombardēšanu. Īpaša pirmapstrāde ietver statisko noņemšanu, grunts pārklājumu utt.

Krāsns iekraušana: ieskaitot vakuuma kameras tīrīšanu, apšuvuma pakaramo tīrīšanu, iztvaikošanas avotu uzstādīšanu un atkļūdošanu, kā arī halātu pārklāšanu.

Vakuums: parasti pirmā aptuvenā sūknēšana līdz vairāk nekā 6,6 Pa, difūzijas sūkņa pirmsposma apkopes vakuumsūknis tiek atvērts agrāk un difūzijas sūknis tiek uzkarsēts. Kad priekšsildīšana ir pietiekama, atveriet augsto vārstu un ar difūzijas sūkni sūknējiet to uz fona vakuumu 6 × 10-3 Pa.

Cepšana: apceptās daļas cep vēlamajā temperatūrā.

Jonu bombardēšana: vakuuma pakāpe parasti ir 10 Pa ~ 10-1 Pa, jonu bombardēšanas spriegums ir 200 V ~ 1 kV negatīvs augstspriegums, un atiešanas laiks ir 5 min ~ 30 min.

Iepriekšēja kausēšana: noregulējiet strāvu, lai iepriekš izkausētu pārklājuma materiālu, un degazējiet 1 min ~ 2 min.

Iztvaikošanas nogulsnēšanās: noregulējiet iztvaikošanas strāvu atbilstoši prasībām līdz vēlamā nogulsnēšanas laika beigām. 8. Dzesēšana: pārklātās daļas vakuuma kamerā atdzesē līdz noteiktai temperatūrai.

9. Krāsns: pēc savākšanas aizveriet vakuuma kameru, izsūciet līdz 1×10-1Pa, un difūzijas sūknis tiek atdzesēts līdz pieļaujamajai temperatūrai, pirms izslēdzat apkopes sūkni un dzesēšanas ūdeni.

◈ PVD-Sputtering

Izsmidzināšanas pārklājums attiecas uz enerģiju iegūto daļiņu (piemēram, argona jonu) izmantošanu, lai bombardētu mērķa materiāla virsmu vakuuma apstākļos, lai atomi uz mērķa materiāla virsmas varētu iegūt pietiekami daudz enerģijas, lai izkļūtu. Šis process ir sauc par izsmidzināšanu. Izsmidzinātais mērķis tiek nogulsnēts uz substrāta virsmas, ko sauc par izsmidzināšanas pārklājumu.

Argona (Ar) atomus var jonizēt argona jonos (Ar+), piepildot argonu (Ar) vakuuma vidē un izvadot argonu pie augsta sprieguma. Elektriskā lauka spēka iedarbībā argona joni paātrina no pārklājuma materiāla izgatavota katoda mērķa bombardēšanu, un mērķis tiks izsmidzināts un nogulsnēts uz sagataves virsmas.

Izsmidzināšanas pārklājumu var iedalīt līdzstrāvas izsmidzināšanā, radiofrekvences izsmidzināšanā un magnetronu izsmidzināšanā, un atbilstošais kvēlizlādes sprieguma avots un vadības lauks ir attiecīgi augstsprieguma līdzstrāva, radiofrekvences (RF) maiņstrāva un magnetrona (M) lauks.

Izsmidzināšanas pārklājums, augsts uzklāšanas ātrums, laba procesa atkārtojamība, viegla automatizācija, piemērots liela mēroga arhitektūras apdares pārklājumam un rūpniecisko materiālu funkcionālajam pārklājumam. Izsmidzināšanas pārklājumiem ir svarīga loma arī integrālo shēmu un pusvadītāju ierīču ražošanā.

Attīstoties augsto tehnoloģiju un jaunām nozarēm, fizikālajā tvaiku pārklāšanas tehnoloģijā ir daudz jaunu un progresīvu elementu, piemēram, vairāku loku jonu pārklājuma un magnetronu izsmidzināšanas savietojamības tehnoloģija, lieli taisnstūrveida gara loka mērķi un izsmidzināšanas mērķi, nelīdzsvarotība. magnetronu izsmidzināšanas mērķi, dubultā mērķa tehnoloģija, lentes putu vairāku loku uzklāšanas tinumu pārklājuma tehnoloģija, lentes šķiedras audums tinumu pārklājuma tehnoloģija utt., pilnu pārklājuma iekārtu komplektu izmantošana, datorizēta automatizēta, liela mēroga ķīmiskās rūpniecības mēroga attīstība.

◈ Jonu pārklājums

Jonu pārklājuma pamatprincips ir izmantot plazmas jonizācijas tehnoloģiju vakuuma apstākļos, lai daļēji jonizētu pārklājuma materiāla atomus jonos un tajā pašā laikā ražotu daudzus augstas enerģijas neitrālus atomus. Pārklājamajai pamatnei tiek uzklāta negatīva nobīde, lai dziļas negatīvas novirzes iedarbībā uz substrāta virsmas nogulsnējas joni, veidojot plānu plēvi.

Ar inertās gāzes kvēlizlādes palīdzību jonu pārklājums liek pārklājuma materiālam (piemēram, metāla titānam) gazificēt, iztvaikot un jonizēties, un jonus paātrina elektriskais lauks, lai bombardētu apstrādājamās detaļas virsmu ar lielāku enerģiju. laikā, ja tiek ievadīts oglekļa dioksīds, slāpeklis un citas reakcijas gāzes, uz sagataves virsmas var iegūt TiC un TiN pārklājošos slāņus, un cietība sasniedz 2000 HV.

Jonu pārklāšana ir viens no visplašāk izmantotajiem pārklāšanas procesiem fizikālās tvaiku pārklāšanas metodē.

Tās priekšrocības ir šādas:

① Saķere starp plēves slāni un matricu ir spēcīga, un reakcijas temperatūra ir zema.

② Plēves slānis ir vienmērīgs un blīvs.

③ Labs tinumu pārklājums zem negatīva slīpuma spiediena.

④ Nav piesārņojuma.

⑤Jonu pārklāšanai ir piemērots plašs substrāta materiālu klāsts.

Attīstoties jonu pārklājuma tehnoloģijai, ir radušies daudzi dažādi jonu pārklāšanas tehnoloģiju veidi, piemēram: reaktīvā jonu pārklāšana, plazmas pārklājums, daudzloku jonu pārklāšana utt. Šeit es tos visus neapskatīšu.

PVDAprīkojums

Fizikālās tvaiku pārklāšanas iekārtas ietver vakuuma iztvaicēšanas pārklājumus, vakuuma izsmidzināšanas pārklājumus un vakuuma jonu pārklājumus. Tālāk esošajā attēlā ir parādīts vakuuma iztvaikošanas pārklājuma strukturālais princips.

Nākamajā attēlā parādīta izsmidzināšanas pārklājuma iekārtas struktūras shematiska diagramma

Nākamajā attēlā parādīta jonu pārklājuma iekārtas strukturālā shematiskā diagramma

ALDProcess

ALD: Atomic Layers Deposition ir augstas precizitātes plānslāņa pārklājuma tehnoloģija, kuras pamatā ir ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD), kas ir tehnoloģija, kas materiālu materiālu slāni pa slānim uz substrāta virsmas uzklāj vienas atomu plēves veidā, pamatojoties uz ķīmiskā tvaiku fāze.Atšķirībā no parastā CVD, ALD ir nogulsnēšanās, kurā pārmaiņus tiek nogulsnēti reakcijas prekursori, un jaunās atomu plēves ķīmiskā reakcija ir tieši saistīta ar iepriekšējo slāni, tāpēc ka katrā reakcijā tiek nogulsnēts tikai viens atomu slānis.

Katrā reakcijā tiek nogulsnēts tikai viens atomu slānis, kas ir pašierobežojošs, ļaujot plēvei uzklāt uz substrāta konformāli un bez caurumiem. Rezultātā plēves biezumu var precīzi kontrolēt, kontrolējot nogulsnēšanas ciklu skaitu.

ALD nogulsnējamie materiāli ir metāli, oksīdi, ogleklis (slāpeklis, sērs, silīcijs), dažādi pusvadītāju materiāli un supravadoši materiāli. Tā kā integrālās shēmas kļūst arvien integrētākas un mazākas, augstas dielektriskās konstantes (augstas k) vārstu dielektriķi pakāpeniski aizstāj tradicionālos silīcija oksīda vārtus, un malu attiecība kļūst arvien lielāka un lielāka, kas izvirza augstākas prasības soļu pārklājuma spējai. nogulsnēšanas tehnoloģija, tāpēc ALD arvien vairāk tiek pieņemts kā jauns nogulsnēšanas process, kas var atbilst iepriekš minētajām prasībām.

ALD ciklu var iedalīt četros posmos:

Pirmā prekursora gāze tiek ievadīta substrātā, un ar substrāta virsmu notiek adsorbcija vai ķīmiska reakcija;

Atlikušo gāzi izskalo ar inertu gāzi;

Ieviest otro prekursoru gāzi; ķīmiskā reakcija ar pirmo prekursoru gāzi, kas adsorbēta uz matricas virsmas, veidojot pārklājumu, vai produkta reakcija ar pirmo prekursoru un matrica turpina reaģēt, veidojot pārklājumu;

Atkal noskalojiet lieko gāzi ar inertu gāzi.

ALD tehnoloģijas īpašības un priekšrocības:

Lieliska trīsdimensiju atbilstība: ALD rada plēvi, kas atbilst oriģinālā substrāta formai, ti, plēvi var vienmērīgi uzklāt uz ieliektas virsmas. Tāpēc tas ir piemērots dažādu formu substrātiem; Vienota trīsdimensiju plēve, konsekventa forma un atbilstība ir unikālās ALD tehnoloģijas priekšrocības.

Augsts līdzenums: virsma ir bez caurumiem, un augšanas mehānisms no apakšas uz augšu nosaka plēves bezcaurumu raksturu, kas ir vērtīgs bloķēšanas un pasivēšanas lietojumos.

Lieliska saķere: prekursora ķīmiskā adsorbcija uz pamatnes virsmas nodrošina izcilu adhēziju

Zems termiskais budžets (zema nogulsnēšanās temperatūra): Plānas plēves augšanu var veikt zemā temperatūrā (istabas temperatūra līdz 400 grādiem), kas ir ļoti pievilcīga temperatūras ierobežotām polimēru ierīcēm un biomateriālu pārklājumiem.

Augsta precizitāte: substrāta plēves biezumu var vienkārši un precīzi kontrolēt, kontrolējot reakcijas ciklu, un plēves biezuma precizitāte var sasniegt viena atoma biezumu.

ALD aprīkojums

ALD iekārtu procesa temperatūra ir 50~500 grādi, kas var darboties normālā spiedienā, bet tā mēdz darboties zema spiediena (0,1 ~ 10Torr) apstākļos. ALD var iedalīt karstās atomu nogulsnēšanās un plazmas uzlabotā atomu slāņa nogulsnēšanās (PEALD) saskaņā ar dažādām enerģijas piegādes metodēm. Termiskā ALD paļaujas uz siltumenerģiju, lai ierosinātu divus vai vairākus prekursorus ķīmiskai reakcijai. Lai nodrošinātu pietiekamu reakcijas aktivācijas enerģiju, termiskās atomu slāņa nogulsnēšanas iekārtas parasti darbojas diapazonā no 200 līdz 500 grādiem.

Zemāk redzamajā attēlā redzama vienas vafeles ALD ierīce

0020-24896 VĀCIJAS GREDZENS 6" SST 101 AL

 

--Beigas--