Ein umfassender Überblick über Dünnschichtabscheidungstechniken: MOCVD, Magnetron-Sputtern und PECVD

In der Halbleiterfertigung sind Fotolithografie und Ätzen zwar die am häufigsten genannten Prozesse, doch Epitaxie- oder Dünnschichtabscheidungsverfahren sind ebenso wichtig. Dieser Artikel stellt einige gängige Dünnschichtabscheidungsverfahren vor, die bei der Chipherstellung eingesetzt werden, darunterMOCVD, Magnetron-Sputtern, UndPECVD.

Warum sind Dünnschichtprozesse in der Chipherstellung unerlässlich?

Stellen Sie sich beispielsweise ein einfaches Fladenbrot vor. Pur schmeckt es eher fad. Bestreicht man es jedoch mit verschiedenen Soßen – etwa einer herzhaften Bohnenpaste oder einem süßen Malzsirup –, lässt sich der Geschmack völlig verändern. Diese geschmacksverstärkenden Überzüge sind vergleichbar mit …Dünnschichtenin Halbleiterprozessen, während das Fladenbrot selbst das repräsentiertSubstrat.

Bei der Chipherstellung erfüllen Dünnschichten zahlreiche funktionelle Aufgaben – Isolierung, Leitfähigkeit, Passivierung, Lichtabsorption usw. – und jede Funktion erfordert eine spezifische Abscheidungstechnik.

1. Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD)

MOCVD ist eine hochentwickelte und präzise Technik zur Abscheidung hochwertiger Halbleiterdünnschichten und Nanostrukturen. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Bauelementen wie LEDs, Lasern und Leistungselektronik.

Hauptkomponenten eines MOCVD-Systems:

• Gasversorgungssystem
  Verantwortlich für die präzise Zufuhr der Reaktanten in die Reaktionskammer. Dies umfasst die Durchflussregelung von:

• Trägergase

• Metallorganische Vorstufen

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

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

  • Graphitsuszeptor (Substrathalter)

  • Heizungs- und Temperatursensoren

  • Optische Anschlüsse für die In-situ-Überwachung

  • Roboterarme für das automatisierte Be- und Entladen von Wafern

• Wachstumskontrollsystem
  Besteht aus speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und einem Host-Computer. Diese gewährleisten eine präzise Überwachung und Wiederholbarkeit während des gesamten Abscheidungsprozesses.

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

  • Filmdicke

  • Oberflächentemperatur

  • Substratkrümmung
    Diese ermöglichen Echtzeit-Feedback und Anpassungen.

• Abgasreinigungssystem
  Giftige Nebenprodukte werden mittels thermischer Zersetzung oder chemischer Katalyse behandelt, um Sicherheit und Umweltverträglichkeit zu gewährleisten.

Konfiguration mit geschlossener Duschkopfkupplung (CCS):

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

• Derrotierender Graphitsuszeptorträgt außerdem dazu bei, die Grenzschicht der Gase zu homogenisieren und so die Gleichmäßigkeit des Films auf dem Wafer zu verbessern.

2. Magnetron-Sputtern

Magnetron-Sputtern ist ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD), das häufig zur Abscheidung dünner Schichten und Beschichtungen eingesetzt 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 Edelgas, typischerweise Argon, wird ionisiert, um Plasma zu bilden.

4. Anwendung eines Magnetfelds
   Ein Magnetfeld hält die Elektronen in der Nähe des Targets fest, um die Ionisierungseffizienz zu erhöhen.

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

Vorteile des Magnetron-Sputterns:

• Gleichmäßige Filmbeschichtungüber große Gebiete.

• Fähigkeit zur Abscheidung komplexer Verbindungeneinschließlich Legierungen und Keramiken.

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

• Hohe Filmqualitätmit starker Haftung und mechanischer Festigkeit.

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

• Betrieb bei niedrigen Temperaturen, geeignet für temperaturempfindliche Substrate.

3. Plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)

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

Prinzip:

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

• HF-Anregung

• Gleichstrom-Hochspannung

• Mikrowellen- oder Impulsquellen

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

Schritte der Zeugenaussage:

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

2. Reaktion und Transport
   Diese Spezies durchlaufen Sekundärreaktionen, während sie sich in Richtung des Substrats bewegen.

3. Oberflächenreaktion
   Beim Auftreffen auf das Substrat adsorbieren sie, reagieren und bilden einen festen Film. Einige Nebenprodukte werden als Gase freigesetzt.

PECVD-Vorteile:

• Ausgezeichnete Gleichmäßigkeitin der Zusammensetzung und Dicke des Films.

• Starke Haftungselbst bei relativ niedrigen Abscheidungstemperaturen.

• Hohe Ablagerungsratenwodurch es sich für die Produktion im industriellen Maßstab eignet.

4. Charakterisierungstechniken für Dünnschichten

Das Verständnis der Eigenschaften von Dünnschichten ist für die Qualitätskontrolle unerlässlich. Gängige Verfahren umfassen:

(1) Röntgenbeugung (XRD)

• Zweck: Kristallstrukturen, Gitterkonstanten und Orientierungen analysieren.

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

• AnwendungenKristallographie, Phasenanalyse, Dehnungsmessung und Dünnschichtbewertung.

(2) Rasterelektronenmikroskopie (REM)

• Zweck: Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur beobachten.

• PrinzipDabei wird ein Elektronenstrahl verwendet, um die Probenoberfläche abzutasten. Die detektierten Signale (z. B. Sekundär- und Rückstreuelektronen) geben Aufschluss über Oberflächendetails.

• AnwendungenMaterialwissenschaften, Nanotechnologie, Biologie und Schadensanalyse.

(3) Rasterkraftmikroskopie (AFM)

• Zweck: Bilden Sie Oberflächen mit atomarer oder nanometergenauer Auflösung ab.

• PrinzipEine scharfe Sonde tastet die Oberfläche ab und hält dabei eine konstante Interaktionskraft aufrecht; vertikale Verschiebungen erzeugen eine 3D-Topographie.

• AnwendungenNanostrukturforschung, Oberflächenrauheitsmessung, biomolekulare Studien.