Ein umfassender Überblick über Dünnschichtabscheidungstechniken: MOCVD, Magnetronsputtern und PECVD

In der Halbleiterherstellung werden neben der Fotolithografie und dem Ätzen am häufigsten Verfahren verwendet, aber auch epitaktische oder Dünnschichtabscheidungsverfahren sind von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel stellt verschiedene gängige Dünnschichtabscheidungsverfahren für die Chipherstellung vor, darunterMOCVD, Magnetronsputtern, UndPECVD.

Warum sind Dünnschichtprozesse bei der Chipherstellung unverzichtbar?

Stellen Sie sich zur Veranschaulichung ein einfach gebackenes Fladenbrot vor. Alleine schmeckt es vielleicht fade. Indem Sie die Oberfläche jedoch mit verschiedenen Soßen bestreichen – wie einer herzhaften Bohnenpaste oder süßem Malzsirup – können Sie seinen Geschmack völlig verändern. Diese geschmacksverstärkenden Beschichtungen ähnelndünne Filmein Halbleiterprozessen, während das Fladenbrot selbst dieSubstrat.

Bei der Chipherstellung erfüllen dünne Filme zahlreiche funktionale Aufgaben – Isolierung, Leitfähigkeit, Passivierung, Lichtabsorption usw. – und jede Funktion erfordert eine spezielle Abscheidungstechnik.

1. Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD)

MOCVD ist ein hochentwickeltes und präzises Verfahren zur Abscheidung hochwertiger dünner Halbleiterschichten und Nanostrukturen. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Geräten wie LEDs, Lasern und Leistungselektronik.

Schlüsselkomponenten eines MOCVD-Systems:

• Gasversorgungssystem
  Verantwortlich für die präzise Zufuhr der Reaktanten in die Reaktionskammer. Dazu gehört die Durchflussregelung von:

• Trägergase

• Metallorganische Vorläufer

• Hydridgase
  Das System verfügt über Mehrwegeventile zum Umschalten zwischen Wachstums- und Spülmodus.

• Reaktionskammer
  Das Herzstück des Systems, in dem das eigentliche Materialwachstum stattfindet. Zu den Komponenten gehören:

  • Graphitsuszeptor (Substrathalter)

  • Heizung und Temperatursensoren

  • Optische Ports für die In-situ-Überwachung

  • Roboterarme zum automatisierten Be- und Entladen von Wafern

• Wachstumskontrollsystem
  Besteht aus speicherprogrammierbaren Steuerungen und einem Hostcomputer. Diese gewährleisten eine präzise Überwachung und Wiederholbarkeit während des gesamten Abscheidungsprozesses.

• In-situ-Überwachung
  Werkzeuge wie Pyrometer und Reflektometer messen:

  • Filmdicke

  • Oberflächentemperatur

  • Substratkrümmung
    Diese ermöglichen Feedback und Anpassungen in Echtzeit.

• Abgasbehandlungssystem
  Behandelt giftige Nebenprodukte durch thermische Zersetzung oder chemische Katalyse, um Sicherheit und Umweltverträglichkeit zu gewährleisten.

Konfiguration des Closed-Coupled Showerhead (CCS):

In vertikalen MOCVD-Reaktoren ermöglicht das CCS-Design die gleichmäßige Einspritzung von Gasen durch abwechselnd angeordnete Düsen in einer Duschkopfstruktur. Dies minimiert vorzeitige Reaktionen und verbessert die gleichmäßige Durchmischung.

• Derrotierender Graphitsuszeptorträgt außerdem zur Homogenisierung der Grenzschicht von Gasen bei und verbessert so die Gleichmäßigkeit des Films auf dem Wafer.

2. Magnetronsputtern

Magnetronsputtern ist ein Verfahren zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), das häufig zum Aufbringen dünner Filme und Beschichtungen verwendet wird, insbesondere in der Elektronik, Optik und Keramik.

Funktionsprinzip:

1. Zielmaterial
   Das abzuscheidende Ausgangsmaterial – Metall, Oxid, Nitrid usw. – wird auf einer Kathode fixiert.

2. Vakuumkammer
   Der Prozess wird unter Hochvakuum durchgeführt, um Verunreinigungen zu vermeiden.

3. Plasmaerzeugung
   Ein Inertgas, normalerweise Argon, wird ionisiert, um Plasma zu bilden.

4. Magnetfeldanwendung
   Ein Magnetfeld hält Elektronen in der Nähe des Ziels fest, um die Ionisierungseffizienz zu verbessern.

5. Sputterprozess
   Ionen bombardieren das Ziel und lösen Atome, die durch die Kammer wandern und sich auf dem Substrat ablagern.

Vorteile des Magnetronsputterns:

• Gleichmäßige Filmabscheidungüber große Flächen.

• Fähigkeit zur Abscheidung komplexer Verbindungen, einschließlich Legierungen und Keramik.

• Einstellbare Prozessparameterzur präzisen Kontrolle von Dicke, Zusammensetzung und Mikrostruktur.

• Hohe Filmqualitätmit starker Haftung und mechanischer Festigkeit.

• Breite Materialkompatibilität, von Metallen bis hin zu Oxiden und Nitriden.

• Betrieb bei niedrigen Temperaturen, geeignet für temperaturempfindliche Substrate.

3. Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)

PECVD wird häufig zur Abscheidung dünner Filme wie Siliziumnitrid (SiNx), Siliziumdioxid (SiO₂) und amorphem Silizium verwendet.

Prinzip:

In einem PECVD-System werden Vorläufergase in eine Vakuumkammer eingeleitet, wo einGlimmentladungsplasmawird generiert mit:

• HF-Anregung

• Gleichspannung

• Mikrowellen- oder gepulste Quellen

Das Plasma aktiviert die Gasphasenreaktionen und erzeugt reaktive Spezies, die sich auf dem Substrat ablagern und einen dünnen Film bilden.

Ablagerungsschritte:

1. Plasmabildung
   Durch elektromagnetische Felder angeregt, ionisieren Vorläufergase und bilden reaktive Radikale und Ionen.

2. Reaktion und Transport
   Diese Spezies unterliegen sekundären Reaktionen, während sie sich in Richtung des Substrats bewegen.

3. Oberflächenreaktion
   Beim Erreichen des Substrats werden sie adsorbiert, reagieren und bilden einen festen Film. Einige Nebenprodukte werden als Gase freigesetzt.

Vorteile von PECVD:

• Hervorragende Gleichmäßigkeitin Filmzusammensetzung und -dicke.

• Starke Haftungselbst bei relativ niedrigen Abscheidungstemperaturen.

• Hohe Abscheideraten, wodurch es für die Produktion im industriellen Maßstab geeignet ist.

4. Techniken zur Charakterisierung dünner Filme

Das Verständnis der Eigenschaften dünner Filme ist für die Qualitätskontrolle von entscheidender Bedeutung. Zu den gängigen Techniken gehören:

(1) Röntgenbeugung (XRD)

• Zweck: Analysieren Sie Kristallstrukturen, Gitterkonstanten und Orientierungen.

• Prinzip: Basierend auf dem Braggschen Gesetz, misst es, wie Röntgenstrahlen durch ein kristallines Material gebeugt werden.

• Anwendungen: Kristallographie, Phasenanalyse, Dehnungsmessung und Dünnschichtbewertung.

(2) Rasterelektronenmikroskopie (REM)

• Zweck: Beobachten Sie die Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur.

• Prinzip: Verwendet einen Elektronenstrahl, um die Probenoberfläche abzutasten. Erkannte Signale (z. B. Sekundär- und Rückstreuelektronen) zeigen Oberflächendetails.

• Anwendungen: Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Biologie und Fehleranalyse.

(3) Rasterkraftmikroskopie (AFM)

• Zweck: Bildoberflächen mit atomarer oder Nanometerauflösung.

• Prinzip: Eine scharfe Sonde tastet die Oberfläche ab, während die Wechselwirkungskraft konstant bleibt. Vertikale Verschiebungen erzeugen eine 3D-Topographie.

• Anwendungen: Nanostrukturforschung, Messung der Oberflächenrauheit, biomolekulare Studien.