1. Въведение
Процесът на прикрепване на вещества (суровини) към повърхността на субстратните материали чрез физични или химични методи се нарича растеж на тънък филм.
Съгласно различни принципи на работа, отлагането на тънък филм с интегрална схема може да бъде разделено на:
-Physical Vapor Deposition (PVD);
-Chemical Vapor Deposition (CVD);
-Разширение.
2. Процес на растеж на тънък филм
2.1 Физическо отлагане на пари и процес на разпрашаване
Процесът на физическо отлагане на пари (PVD) се отнася до използването на физични методи като вакуумно изпаряване, разпрашване, плазмено покритие и епитаксия с молекулен лъч за образуване на тънък филм върху повърхността на пластина.
В VLSI индустрията най-широко използваната PVD технология е разпрашването, което се използва главно за електроди и метални връзки на интегрални схеми. Разпрашването е процес, при който редки газове [като аргон (Ar)] се йонизират в йони (като Ar+) под действието на външно електрическо поле при условия на висок вакуум и бомбардират източника на материалната цел при среда с високо напрежение, избиване на атоми или молекули от целевия материал и след това пристигане на повърхността на пластината, за да образува тънък филм след процес на полет без сблъсък. Ar има стабилни химични свойства и неговите йони няма да реагират химически с целевия материал и филма. Тъй като чиповете с интегрални схеми навлизат в ерата на медните връзки от 0,13 μm, слоят от меден бариерен материал използва филм от титанов нитрид (TiN) или танталов нитрид (TaN). Търсенето на промишлена технология насърчи изследванията и развитието на технологията за разпръскване на химическа реакция, тоест в камерата за разпрашаване, в допълнение към Ar, има и реактивен газ азот (N2), така че Ti или Ta, бомбардирани от целевият материал Ti или Ta реагира с N2, за да генерира необходимия TiN или TaN филм.
Има три често използвани метода на разпрашаване, а именно разпрашаване с постоянен ток, радиочестотно разпрашаване и магнетронно разпрашаване. Тъй като интеграцията на интегралните схеми продължава да се увеличава, броят на слоевете на многослойните метални кабели се увеличава и приложението на PVD технологията става все по-широкообхватно. PVD материалите включват Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2 и др.
Процесите на PVD и разпрашване обикновено се извършват в силно запечатана реакционна камера със степен на вакуум от 1×10-7 до 9×10-9 Torr, което може да гарантира чистотата на газа по време на реакцията; в същото време е необходимо външно високо напрежение за йонизиране на редкия газ, за да се генерира достатъчно високо напрежение за бомбардиране на целта. Основните параметри за оценка на процесите на PVD и разпръскване включват количеството прах, както и стойността на съпротивлението, равномерността, дебелината на отразяване и напрежението на образувания филм.
2.2 Процес на химическо отлагане на пари и разпръскване
Химичното отлагане на пари (CVD) се отнася до технология на процес, при която различни газообразни реагенти с различни парциални налягания реагират химически при определена температура и налягане и генерираните твърди вещества се отлагат върху повърхността на субстратния материал, за да се получи желаната тънкост. филм. В традиционния процес на производство на интегрални схеми получените тънкослойни материали обикновено са съединения като оксиди, нитриди, карбиди или материали като поликристален силиций и аморфен силиций. Селективният епитаксиален растеж, който се използва по-често след 45nm възел, като източник и изтичане на SiGe или Si селективен епитаксиален растеж, също е CVD технология.
Тази технология може да продължи да формира монокристални материали от същия тип или подобни на оригиналната решетка върху единичен кристален субстрат от силиций или други материали по протежение на оригиналната решетка. CVD се използва широко при растежа на изолационни диелектрични филми (като SiO2, Si3N4 и SiON и др.) И метални филми (като волфрам и др.).
Като цяло, според класификацията на налягането, CVD може да се раздели на химическо отлагане на пари при атмосферно налягане (APCVD), химическо отлагане на пари под атмосферно налягане (SAPCVD) и химическо отлагане на пари при ниско налягане (LPCVD).
Според температурната класификация CVD може да се раздели на високотемпературно/нискотемпературно химическо отлагане на оксиден филм (HTO/LTO CVD) и бързо термично химическо отлагане на пари (Rapid Thermal CVD, RTCVD);
Според източника на реакция CVD може да се раздели на CVD на основата на силан, CVD на базата на полиестер (CVD на базата на TEOS) и металоорганично химическо отлагане на пари (MOCVD);
Според енергийната класификация CVD може да се раздели на термично химично отлагане на пари (Thermal CVD), плазмено усилено химическо отлагане на пари (Plasma Enhanced CVD, PECVD) и плазмено химическо отлагане с висока плътност (High Density Plasma CVD, HDPCVD). Наскоро беше разработено и течливо химическо отлагане на пари (Flowable CVD, FCVD) с отлична способност за запълване на празнини.
Различните филми, отгледани чрез CVD, имат различни свойства (като химичен състав, диелектрична константа, опън, напрежение и пробивно напрежение) и могат да се използват отделно в съответствие с различни изисквания на процеса (като температура, степенно покритие, изисквания за пълнене и т.н.).
2.3 Процес на отлагане на атомен слой
Отлагането на атомен слой (ALD) се отнася до отлагането на атоми слой по слой върху материал на субстрата чрез отглеждане на един атомен филм слой по слой. Типичният ALD използва метода за въвеждане на газообразни прекурсори в реактора по променлив импулсен начин.
Например, първо реакционният прекурсор 1 се въвежда в повърхността на субстрата и след химическа адсорбция се образува единичен атомен слой върху повърхността на субстрата; след това прекурсорът 1, останал на повърхността на субстрата и в реакционната камера, се изпомпва от въздушна помпа; след това реакционният прекурсор 2 се въвежда в повърхността на субстрата и реагира химически с прекурсора 1, адсорбиран върху повърхността на субстрата, за да генерира съответния тънкослоен материал и съответните странични продукти на повърхността на субстрата; когато прекурсорът 1 реагира напълно, реакцията автоматично ще приключи, което е самоограничаващата се характеристика на ALD, и след това останалите реагенти и странични продукти се извличат, за да се подготвят за следващия етап на растеж; чрез непрекъснато повтаряне на горния процес може да се постигне отлагане на тънкослойни материали, отгледани слой по слой с единични атоми.
Както ALD, така и CVD са начини за въвеждане на източник на газова химическа реакция, който да реагира химически върху повърхността на субстрата, но разликата е, че източникът на газова реакция на CVD няма характеристиката на самоограничаващ се растеж. Може да се види, че ключът към разработването на ALD технология е намирането на прекурсори със самоограничаващи се реакционни свойства.
2.4 Епитаксиален процес
Епитаксиалният процес се отнася до процеса на отглеждане на напълно подреден монокристален слой върху субстрат. Най-общо казано, епитаксиалният процес е да се отгледа кристален слой със същата ориентация на решетката като оригиналния субстрат върху единичен кристален субстрат. Епитаксиалният процес се използва широко в производството на полупроводници, като например епитаксиални силициеви пластини в индустрията за интегрални схеми, епитаксиален растеж на вграден източник и изтичане на MOS транзистори, епитаксиален растеж върху LED субстрати и др.
Според различните фазови състояния на източника на растеж, методите за епитаксиален растеж могат да бъдат разделени на епитаксия в твърда фаза, епитаксия в течна фаза и епитаксия в парна фаза. В производството на интегрални схеми често използваните епитаксиални методи са епитаксия в твърда фаза и епитаксия в парна фаза.
Твърдофазова епитаксия: отнася се до растежа на единичен кристален слой върху субстрат с помощта на твърд източник. Например термичното отгряване след имплантиране на йони всъщност е процес на епитаксия в твърда фаза. По време на имплантирането на йони, силициевите атоми на силициевата пластина се бомбардират от високоенергийни имплантирани йони, напускайки първоначалните си позиции на решетката и ставайки аморфни, образувайки повърхностен аморфен силициев слой. След високотемпературно термично отгряване, аморфните атоми се връщат в своите решетъчни позиции и остават в съответствие с ориентацията на атомния кристал вътре в субстрата.
Методите за растеж на епитаксия с газова фаза включват химическа епитаксия с газова фаза, епитаксия с молекулярни лъчи, епитаксия на атомен слой и т.н. В производството на интегрални схеми най-често се използва химическа епитаксия с газова фаза. Принципът на химическата епитаксия с газова фаза е основно същият като този на химическото отлагане на пари. И двата са процеси, които отлагат тънки филми чрез химическа реакция върху повърхността на вафлите след смесване на газ.
Разликата е, че тъй като епитаксията с химическа газова фаза отглежда единичен кристален слой, има по-високи изисквания за съдържанието на примеси в оборудването и чистотата на повърхността на пластината. Ранният епитаксиален силициев процес с химическа парна фаза трябва да се извърши при условия на висока температура (над 1000°C). С подобряването на технологичното оборудване, особено с приемането на технологията на камерата за вакуумен обмен, чистотата на кухината на оборудването и повърхността на силиконовата пластина е значително подобрена и силициевата епитаксия може да се извърши при по-ниска температура (600-700 ° В). Процесът на епитаксиална силициева пластина се състои в отглеждане на слой монокристален силиций върху повърхността на силиконовата пластина.
В сравнение с оригиналния силициев субстрат, епитаксиалният силициев слой има по-висока чистота и по-малко дефекти на решетката, като по този начин подобрява добива от производството на полупроводници. В допълнение, дебелината на растежа и концентрацията на допинг на епитаксиалния силициев слой, отгледан върху силиконовата пластина, могат да бъдат гъвкаво проектирани, което внася гъвкавост в дизайна на устройството, като намаляване на съпротивлението на субстрата и подобряване на изолацията на субстрата. Вграденият епитаксиален процес източник-дрейн е технология, широко използвана в усъвършенствани логически технологични възли.
Отнася се до процеса на епитаксиално отглеждане на легиран германиев силиций или силиций в областите на източника и дренажа на MOS транзисторите. Основните предимства на въвеждането на вградения епитаксиален процес сорс-дрейн включват: отглеждане на псевдокристален слой, съдържащ напрежение, дължащо се на адаптация на решетката, подобряване на мобилността на носителя на канала; легирането in situ на източника и дренажа може да намали паразитното съпротивление на връзката източник-дрейн и да намали дефектите на имплантирането на високоенергийни йони.
3. оборудване за растеж на тънък филм
3.1 Оборудване за вакуумно изпаряване
Вакуумното изпаряване е метод за нанасяне на покритие, който нагрява твърди материали във вакуумна камера, за да ги накара да се изпарят, изпарят или сублимират и след това да кондензират и да се отложат върху повърхността на субстратния материал при определена температура.
Обикновено се състои от три части, а именно вакуумна система, изпарителна система и отоплителна система. Вакуумната система се състои от вакуумни тръби и вакуумни помпи, като основната й функция е да осигури квалифицирана вакуумна среда за изпаряване. Изпарителната система се състои от изпарителна маса, нагревателен компонент и компонент за измерване на температурата.
Целевият материал за изпаряване (като Ag, Al и др.) се поставя върху масата за изпаряване; компонентът за измерване на отоплението и температурата е система със затворен цикъл, използвана за контролиране на температурата на изпарение, за да се осигури плавно изпарение. Отоплителната система се състои от вафлен етап и нагревателен компонент. Етапът на пластината се използва за поставяне на субстрата, върху който тънкият филм трябва да се изпари, а нагревателният компонент се използва за осъществяване на нагряване на субстрата и контрол на обратната връзка за измерване на температурата.
Вакуумната среда е много важно условие в процеса на вакуумно изпаряване, което е свързано със скоростта на изпаряване и качеството на филма. Ако степента на вакуум не отговаря на изискванията, изпарените атоми или молекули ще се сблъскват често с молекулите на остатъчния газ, правейки средния им свободен път по-малък, и атомите или молекулите ще се разпръснат силно, като по този начин променят посоката на движение и намаляват филма скорост на образуване.
В допълнение, поради наличието на остатъчни примесни газови молекули, отложеният филм е сериозно замърсен и с лошо качество, особено когато скоростта на повишаване на налягането в камерата не отговаря на стандарта и има изтичане, въздухът ще изтече във вакуумната камера , което ще окаже сериозно влияние върху качеството на филма.
Структурните характеристики на оборудването за вакуумно изпаряване определят, че равномерността на покритието върху големи субстрати е лоша. За да се подобри неговата еднородност, обикновено се приема методът за увеличаване на разстоянието източник-субстрат и въртене на субстрата, но увеличаването на разстоянието източник-субстрат ще пожертва скоростта на растеж и чистотата на филма. В същото време, поради увеличаването на вакуумното пространство, степента на използване на изпарения материал се намалява.
3.2 DC оборудване за физическо отлагане на пари
Физическо отлагане на пари при постоянен ток (DCPVD) е известно също като катодно разпрашване или двустепенно вакуумно разпрашване с постоянен ток. Целевият материал на вакуумното разпрашаване с постоянен ток се използва като катод, а субстратът се използва като анод. Вакуумното разпрашване е за образуване на плазма чрез йонизиране на технологичния газ.
Заредените частици в плазмата се ускоряват в електрическото поле, за да се получи определено количество енергия. Частиците с достатъчна енергия бомбардират повърхността на целевия материал, така че целевите атоми се разпръскват; разпръснатите атоми с определена кинетична енергия се придвижват към субстрата, за да образуват тънък филм върху повърхността на субстрата. Газът, използван за разпръскване, обикновено е рядък газ, като аргон (Ar), така че филмът, образуван от разпрашването, няма да бъде замърсен; в допълнение, атомният радиус на аргона е по-подходящ за разпръскване.
Размерът на разпръскващите частици трябва да бъде близък до размера на целевите атоми, които ще бъдат разпръснати. Ако частиците са твърде големи или твърде малки, не може да се образува ефективно разпръскване. В допълнение към фактора на размера на атома, факторът на масата на атома също ще повлияе на качеството на разпръскване. Ако източникът на разпръскващи частици е твърде лек, целевите атоми няма да бъдат разпръснати; ако разпръскващите частици са твърде тежки, мишената ще бъде „огъната“ и целта няма да бъде разпръскана.
Целевият материал, използван в DCPVD, трябва да бъде проводник. Това е така, защото когато аргоновите йони в технологичния газ бомбардират целевия материал, те ще се рекомбинират с електроните на повърхността на целевия материал. Когато целевият материал е проводник като метал, електроните, консумирани от тази рекомбинация, се допълват по-лесно от захранването и свободните електрони в други части на целевия материал чрез електрическа проводимост, така че повърхността на целевия материал като цялото остава отрицателно заредено и разпръскването се поддържа.
Напротив, ако целевият материал е изолатор, след като електроните на повърхността на целевия материал се рекомбинират, свободните електрони в други части на целевия материал не могат да бъдат попълнени чрез електрическа проводимост и дори положителните заряди ще се натрупат върху повърхността на целевия материал, причинявайки повишаване на потенциала на целевия материал и отрицателният заряд на целевия материал се отслабва, докато изчезне, което в крайна сметка води до прекратяване на разпръскването.
Следователно, за да се направят изолационните материали също така използваеми за разпръскване, е необходимо да се намери друг метод за разпръскване. Радиочестотното разпръскване е метод на разпрашаване, който е подходящ както за проводими, така и за непроводими цели.
Друг недостатък на DCPVD е, че напрежението на запалване е високо и електронното бомбардиране на субстрата е силно. Ефективен начин за решаване на този проблем е използването на магнетронно разпрашване, така че магнетронното разпрашаване е наистина от практическа стойност в областта на интегралните схеми.
3.3 РЧ оборудване за физическо отлагане на пари
Радиочестотно физическо отлагане на пари (RFPVD) използва радиочестотна мощност като източник на възбуждане и е PVD метод, подходящ за различни метални и неметални материали.
Общите честоти на радиочестотното захранване, използвано в RFPVD, са 13,56MHz, 20MHz и 60MHz. Положителните и отрицателните цикли на RF захранването се появяват последователно. Когато мишената на PVD е в положителен полупериод, тъй като повърхността на мишената е с положителен потенциал, електроните в атмосферата на процеса ще потекат към повърхността на мишената, за да неутрализират положителния заряд, натрупан на нейната повърхност, и дори ще продължат да натрупват електрони, правейки повърхността му отрицателно предубедена; когато целта за разпръскване е в отрицателния полуцикъл, положителните йони ще се придвижат към целта и ще бъдат частично неутрализирани върху повърхността на целта.
Най-критичното е, че скоростта на движение на електроните в радиочестотното електрическо поле е много по-бърза от тази на положителните йони, докато времето на положителните и отрицателните полупериоди е същото, така че след пълен цикъл повърхността на мишената ще бъде “нетно” отрицателно заредени. Следователно, през първите няколко цикъла, отрицателният заряд на целевата повърхност показва нарастваща тенденция; след това целевата повърхност достига стабилен отрицателен потенциал; след това, тъй като отрицателният заряд на целта има отблъскващ ефект върху електроните, количеството положителни и отрицателни заряди, получени от целевия електрод, има тенденция да се балансира и целта представя стабилен отрицателен заряд.
От горния процес може да се види, че процесът на образуване на отрицателно напрежение няма нищо общо със свойствата на самия целеви материал, така че методът RFPVD може не само да реши проблема с разпръскването на изолационни цели, но също така е добре съвместим с конвенционални метални проводникови мишени.
3.4 Оборудване за магнетронно разпрашване
Магнетронното разпрашване е PVD метод, който добавя магнити към задната част на целта. Добавените магнити и системата за захранване с постоянен ток (или захранване с променлив ток) образуват източник на магнетронно разпръскване. Източникът на разпръскване се използва за формиране на интерактивно електромагнитно поле в камерата, улавяне и ограничаване на обхвата на движение на електроните в плазмата вътре в камерата, разширяване на пътя на движение на електроните и по този начин увеличаване на концентрацията на плазмата и в крайна сметка постигане на повече отлагане.
В допълнение, тъй като повече електрони са свързани близо до повърхността на мишената, бомбардирането на субстрата от електрони се намалява и температурата на субстрата се намалява. В сравнение с технологията DCPVD с плоска плоча, една от най-очевидните характеристики на магнетронната технология за физическо отлагане на пари е, че напрежението при запалване е по-ниско и по-стабилно.
Поради по-високата си плазмена концентрация и по-големия добив на разпръскване, той може да постигне отлична ефективност на отлагане, контрол на дебелината на отлагането в голям диапазон на размери, прецизен контрол на състава и по-ниско напрежение на запалване. Следователно, магнетронното разпрашване е в доминираща позиция в настоящия PVD метален филм. Най-простият дизайн на източника на магнетронно разпръскване е да се постави група магнити на гърба на плоската мишена (извън вакуумната система), за да се генерира магнитно поле, успоредно на целевата повърхност в локална област на целевата повърхност.
Ако се постави постоянен магнит, неговото магнитно поле е относително фиксирано, което води до относително фиксирано разпределение на магнитното поле върху целевата повърхност в камерата. Разпръскват се само материали в определени области на целта, степента на използване на целта е ниска и еднородността на подготвения филм е лоша.
Има известна вероятност разпръснатите метални или частици от друг материал да се отложат обратно върху целевата повърхност, като по този начин се агрегират в частици и образуват дефектно замърсяване. Следователно търговските източници на магнетронно разпръскване използват предимно дизайн на въртящ се магнит, за да подобрят равномерността на филма, степента на използване на целта и пълното разпрашаване на целта.
От решаващо значение е да балансирате тези три фактора. Ако балансът не се поддържа добре, това може да доведе до добра еднородност на филма, като същевременно значително намали степента на използване на целта (скъсява живота на целта) или не успява да постигне пълно разпръскване на целта или пълна корозия на целта, което ще причини проблеми с частиците по време на разпръскването процес.
При магнетронната PVD технология е необходимо да се вземе предвид механизмът за движение на въртящия се магнит, формата на целта, системата за охлаждане на целта и източникът на магнетронно разпръскване, както и функционалната конфигурация на основата, която носи пластината, като адсорбция на пластина и контрол на температурата. В PVD процеса температурата на пластината се контролира, за да се получи необходимата кристална структура, размер на зърното и ориентация, както и стабилност на работата.
Тъй като топлопроводимостта между гърба на пластината и повърхността на основата изисква определено налягане, обикновено от порядъка на няколко Torr, а работното налягане на камерата обикновено е от порядъка на няколко mTor, налягането върху гърба на пластината е много по-голямо от налягането върху горната повърхност на пластината, така че е необходим механичен патронник или електростатичен патронник за позициониране и ограничаване на пластината.
Механичният патронник разчита на собственото си тегло и ръба на пластината, за да постигне тази функция. Въпреки че има предимствата на проста структура и нечувствителност към материала на пластината, ефектът на ръба на пластината е очевиден, което не е благоприятно за строгия контрол на частиците. Поради това той постепенно е заменен от електростатичен патронник в производствения процес на IC.
За процеси, които не са особено чувствителни към температурата, може да се използва и неадсорбционен метод на рафтове без контакт с ръбове (без разлика в налягането между горната и долната повърхност на пластината). По време на PVD процеса облицовката на камерата и повърхността на частите в контакт с плазмата ще бъдат отложени и покрити. Когато дебелината на отложения филм надвиши лимита, филмът ще се напука и ще се отлепи, причинявайки проблеми с частиците.
Следователно повърхностната обработка на части като облицовката е ключът към разширяването на тази граница. Повърхностното пясъкоструене и пръскането на алуминий са два често използвани метода, чиято цел е да се увеличи грапавостта на повърхността, за да се укрепи връзката между фолиото и повърхността на облицовката.
3.5 Оборудване за йонизиращо физическо отлагане на пари
С непрекъснатото развитие на микроелектронните технологии, размерите на характеристиките стават все по-малки. Тъй като PVD технологията не може да контролира посоката на отлагане на частиците, способността на PVD да навлиза през дупки и тесни канали с високи аспектни съотношения е ограничена, което прави разширеното приложение на традиционната PVD технология все по-предизвикателно. При PVD процеса, с увеличаването на аспектното съотношение на жлеба на порите, покритието в долната част намалява, образувайки подобна на стреха надвиснала структура в горния ъгъл и образувайки най-слабото покритие в долния ъгъл.
Технологията за йонизирано физическо отлагане на пари е разработена за решаване на този проблем. Първо плазматизира металните атоми, разпръснати от целта по различни начини, и след това регулира напрежението на отклонение, заредено върху пластината, за да контролира посоката и енергията на металните йони, за да получи стабилен насочен поток от метални йони, за да подготви тънък филм, като по този начин подобрява покритието на дъното на стъпалата с високо съотношение на страните през дупки и тесни канали.
Типичната характеристика на технологията за йонизирана метална плазма е добавянето на радиочестотна намотка в камерата. По време на процеса работното налягане в камерата се поддържа на относително високо състояние (5 до 10 пъти нормалното работно налягане). По време на PVD, радиочестотната намотка се използва за генериране на втората плазмена област, в която концентрацията на аргонова плазма се увеличава с увеличаването на радиочестотната мощност и налягането на газа. Когато металните атоми, разпръснати от целта, преминават през тази област, те взаимодействат с аргоновата плазма с висока плътност, за да образуват метални йони.
Прилагането на RF източник към носителя на пластината (като електростатичен патронник) може да увеличи отрицателното отклонение на пластината, за да привлече метални положителни йони към дъното на жлеба на порите. Този насочен поток от метални йони, перпендикулярен на повърхността на пластината, подобрява покритието на дъното на стъпалото на порите с високо аспектно съотношение и тесните канали.
Отрицателното отклонение, приложено към пластината, също кара йони да бомбардират повърхността на пластината (обратно разпрашване), което отслабва надвисналата структура на устието на жлеба на порите и разпръсква филма, отложен на дъното, върху страничните стени в ъглите на дъното на порите жлеб, като по този начин подобрява покритието на стъпалата в ъглите.
3.6 Оборудване за химическо отлагане на пари при атмосферно налягане
Оборудването за химическо отлагане на пари при атмосферно налягане (APCVD) се отнася до устройство, което пръска източник на газообразна реакция с постоянна скорост върху повърхността на нагрят твърд субстрат в среда с налягане, близко до атмосферното, което кара източника на реакция да реагира химически на повърхността на субстрата и реакционният продукт се отлага върху повърхността на субстрата, за да образува тънък филм.
APCVD оборудването е най-ранното CVD оборудване и все още се използва широко в индустриалното производство и научните изследвания. Оборудването APCVD може да се използва за приготвяне на тънки филми като монокристален силиций, поликристален силиций, силициев диоксид, цинков оксид, титанов диоксид, фосфосиликатно стъкло и борофосфосиликатно стъкло.
3.7 Оборудване за химическо отлагане на пари при ниско налягане
Оборудването за химическо отлагане на пари при ниско налягане (LPCVD) се отнася до оборудване, което използва газообразни суровини за химическа реакция върху повърхността на твърд субстрат при нагрята (350-1100°C) и среда с ниско налягане (10-100 mTorr), и реагентите се отлагат върху повърхността на субстрата, за да образуват тънък филм. Оборудването LPCVD е разработено на базата на APCVD за подобряване на качеството на тънките филми, подобряване на равномерността на разпределението на характерни параметри като дебелина на филма и съпротивление и подобряване на производствената ефективност.
Основната му характеристика е, че в среда на термично поле с ниско налягане процесният газ реагира химически върху повърхността на субстрата на вафлата и реакционните продукти се отлагат върху повърхността на субстрата, за да образуват тънък филм. LPCVD оборудването има предимства при подготовката на висококачествени тънки филми и може да се използва за получаване на тънки филми като силициев оксид, силициев нитрид, полисилиций, силициев карбид, галиев нитрид и графен.
В сравнение с APCVD, реакционната среда с ниско налягане на оборудването LPCVD увеличава средния свободен път и коефициента на дифузия на газа в реакционната камера.
Молекулите на реакционния газ и носещия газ в реакционната камера могат да бъдат равномерно разпределени за кратко време, като по този начин значително се подобрява еднаквостта на дебелината на филма, еднородното съпротивление и стъпаловидно покритие на филма, а консумацията на реакционен газ също е малка. В допълнение, средата с ниско налягане също ускорява скоростта на предаване на газовите вещества. Примесите и страничните продукти от реакцията, разпръснати от субстрата, могат бързо да бъдат изведени от реакционната зона през граничния слой и реакционният газ бързо преминава през граничния слой, за да достигне повърхността на субстрата за реакция, като по този начин ефективно потиска самодопинга, подготвяйки висококачествени филми със стръмни преходни зони, както и подобряване на производствената ефективност.
3.8 Плазмено усилено оборудване за химическо парно отлагане
Плазмено усиленото химическо отлагане на пари (PECVD) е широко използван tтехнология за отлагане на филм. По време на плазмения процес газообразният прекурсор се йонизира под действието на плазмата, за да образува възбудени активни групи, които дифундират към повърхността на субстрата и след това претърпяват химични реакции за завършване на растежа на филма.
Според честотата на генериране на плазма, плазмата, използвана в PECVD, може да бъде разделена на два вида: радиочестотна плазма (RF плазма) и микровълнова плазма (Микровълнова плазма). Понастоящем радиочестотата, използвана в индустрията, обикновено е 13,56MHz.
Въвеждането на радиочестотна плазма обикновено се разделя на два типа: капацитивно свързване (CCP) и индуктивно свързване (ICP). Методът на капацитивно свързване обикновено е метод на директна плазмена реакция; докато методът на индуктивно свързване може да бъде директен плазмен метод или дистанционен плазмен метод.
В процесите на производство на полупроводници PECVD често се използва за отглеждане на тънки филми върху субстрати, съдържащи метали или други чувствителни към температура структури. Например, в областта на задния край на металното взаимно свързване на интегрални схеми, тъй като структурата на източника, портата и източването на устройството са формирани в предния процес, растежът на тънки филми в областта на металното взаимно свързване е предмет към много строги топлинни бюджетни ограничения, така че обикновено се допълва с плазмена помощ. Чрез регулиране на параметрите на плазмения процес, плътността, химичният състав, съдържанието на примеси, механичната якост и параметрите на напрежението на тънкия филм, отгледан чрез PECVD, могат да бъдат регулирани и оптимизирани в рамките на определен диапазон.
3.9 Оборудване за отлагане на атомен слой
Отлагането на атомен слой (ALD) е технология за отлагане на тънък слой, който нараства периодично под формата на квазимоноатомен слой. Неговата характеристика е, че дебелината на отложения филм може да се регулира прецизно чрез контролиране на броя на циклите на растеж. За разлика от процеса на химическо отлагане на пари (CVD), двата (или повече) прекурсора в процеса ALD преминават последователно през повърхността на субстрата и се изолират ефективно чрез продухване на благороден газ.
Двата прекурсора няма да се смесват и срещат в газовата фаза, за да реагират химически, а реагират само чрез химическа адсорбция върху повърхността на субстрата. Във всеки ALD цикъл, количеството прекурсор, адсорбиран върху повърхността на субстрата, е свързано с плътността на активните групи върху повърхността на субстрата. Когато реактивните групи на повърхността на субстрата са изчерпани, дори ако се въведе излишък от прекурсор, няма да настъпи химическа адсорбция на повърхността на субстрата.
Този реакционен процес се нарича повърхностна самоограничаваща се реакция. Този механизъм на процеса прави дебелината на филма, който се отглежда във всеки цикъл на процеса ALD, постоянна, така че процесът ALD има предимствата на прецизен контрол на дебелината и добро покритие на стъпките на филма.
3.10 Оборудване за епитаксия с молекулярни лъчи
Системата за епитаксия с молекулярни лъчи (MBE) се отнася до епитаксиално устройство, което използва един или повече топлинни енергийни атомни лъчи или молекулярни лъчи за пръскане върху нагрятата повърхност на субстрата с определена скорост при условия на свръхвисок вакуум и адсорбира и мигрира върху повърхността на субстрата за епитаксиално отглеждане на монокристални тънки филми по протежение на посоката на кристалната ос на субстратния материал. Обикновено, при условие на нагряване от реактивна пещ с топлинен щит, източникът на лъч образува атомен лъч или молекулярен лъч и филмът расте слой по слой по посоката на кристалната ос на субстратния материал.
Неговите характеристики са ниска епитаксиална температура на растеж, а дебелината, интерфейсът, химическият състав и концентрацията на примеси могат да бъдат точно контролирани на атомно ниво. Въпреки че MBE произхожда от получаването на полупроводникови ултратънки монокристални филми, приложението му сега се разшири до различни материални системи като метали и изолационни диелектрици и може да подготви III-V, II-VI, силиций, силициев германий (SiGe ), графен, оксиди и органични филми.
Системата за епитаксия с молекулярни лъчи (MBE) се състои главно от система с ултрависок вакуум, източник на молекулен лъч, система за фиксиране и нагряване на субстрата, система за трансфер на проби, система за мониторинг на място, система за контрол и тест система.
Вакуумната система включва вакуумни помпи (механични помпи, молекулярни помпи, йонни помпи и кондензационни помпи и др.) и различни клапани, които могат да създадат среда за растеж на свръхвисок вакуум. Обикновено постижимата степен на вакуум е 10-8 до 10-11 Torr. Вакуумната система има основно три вакуумни работни камери, а именно камерата за инжектиране на пробата, камерата за предварителна обработка и анализ на повърхността и камерата за растеж.
Камерата за инжектиране на проби се използва за прехвърляне на проби към външния свят, за да се гарантират условията на висок вакуум на други камери; камерата за предварителна обработка и анализ на повърхността свързва камерата за инжектиране на пробата и камерата за растеж и основната й функция е да обработи предварително пробата (дегазиране при висока температура, за да се гарантира пълната чистота на повърхността на субстрата) и да извърши предварителен анализ на повърхността на почистена проба; камерата за растеж е основната част на системата MBE, съставена главно от пещ източник и съответния му затвор, конзола за контрол на пробата, система за охлаждане, дифракция на електрони с висока енергия на отражение (RHEED) и система за наблюдение на място . Някои производствени MBE съоръжения имат множество конфигурации на камери за растеж. Схематичната диаграма на структурата на оборудването MBE е показана по-долу:
MBE от силициев материал използва силиций с висока чистота като суровина, расте при условия на ултрависок вакуум (10-10～10-11Torr) и температурата на растеж е 600～900℃, с Ga (P-тип) и Sb ( N-тип) като източници на допинг. Често използвани източници на допинг като P, As и B рядко се използват като източници на лъчи, тъй като те трудно се изпаряват.
Реакционната камера на MBE има среда със свръхвисок вакуум, която увеличава средния свободен път на молекулите и намалява замърсяването и окисляването на повърхността на растящия материал. Приготвеният епитаксиален материал има добра повърхностна морфология и еднородност и може да бъде направен в многослойна структура с различни допинг или различни компоненти на материала.
Технологията MBE постига многократно нарастване на ултратънки епитаксиални слоеве с дебелина на единичен атомен слой, а интерфейсът между епитаксиалните слоеве е стръмен. Той насърчава растежа на III-V полупроводници и други многокомпонентни хетерогенни материали. Понастоящем системата MBE се превърна в усъвършенствано технологично оборудване за производство на ново поколение микровълнови устройства и оптоелектронни устройства. Недостатъците на MBE технологията са бавната скорост на растеж на филма, високите изисквания за вакуум и високите разходи за оборудване и оборудване.
3.11 Система за епитаксия в парна фаза
Системата за епитаксия в парна фаза (VPE) се отнася до устройство за епитаксиално израстване, което транспортира газообразни съединения към субстрат и получава единичен кристален материален слой със същото подреждане на решетката като субстрата чрез химични реакции. Епитаксиалният слой може да бъде хомоепитаксиален слой (Si/Si) или хетероепитаксиален слой (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3 и др.). Понастоящем технологията VPE се използва широко в областта на подготовката на наноматериали, силови устройства, полупроводникови оптоелектронни устройства, слънчеви фотоволтаици и интегрални схеми.
Типичният VPE включва епитаксия при атмосферно налягане и епитаксия при понижено налягане, химическо отлагане на пари при ултрависок вакуум, химическо отлагане на пари на метални органични вещества и др. Ключовите моменти в технологията VPE са дизайн на реакционна камера, режим и еднородност на газовия поток, еднородност на температурата и прецизен контрол, контрол на налягането и стабилност, контрол на частици и дефекти и др.
Понастоящем посоката на развитие на основните търговски VPE системи е голямо зареждане на пластини, напълно автоматично управление и наблюдение в реално време на температурата и процеса на растеж. VPE системите имат три структури: вертикална, хоризонтална и цилиндрична. Методите за нагряване включват съпротивително нагряване, високочестотно индукционно нагряване и нагряване с инфрачервено лъчение.
Понастоящем VPE системите използват предимно хоризонтални дискови структури, които имат характеристиките на добра равномерност на растежа на епитаксиалния филм и голямо натоварване на пластини. VPE системите обикновено се състоят от четири части: реактор, отоплителна система, система за газов път и система за управление. Тъй като времето за растеж на епитаксиалните филми GaAs и GaN е относително дълго, най-вече се използват индукционно нагряване и съпротивително нагряване. В силициев VPE растежът на дебел епитаксиален филм използва предимно индукционно нагряване; растежът на тънък епитаксиален филм използва най-вече инфрачервено нагряване, за да постигне целта за бързо повишаване/спадане на температурата.
3.12 Система за епитаксия в течна фаза
Системата за епитаксия в течна фаза (LPE) се отнася до оборудване за епитаксиален растеж, което разтваря материала за отглеждане (като Si, Ga, As, Al и др.) и добавки (като Zn, Te, Sn и др.) в метал с по-ниска точка на топене (като Ga, In и др.), така че разтвореното вещество да е наситено или пренаситено в разтворителя и след това монокристалният субстрат влиза в контакт с разтвора и разтвореното вещество се утаява от разтворителя чрез постепенно охлаждане и върху повърхността на субстрата се отглежда слой от кристален материал с кристална структура и константа на решетката, подобни на тези на субстрата.
Методът LPE е предложен от Nelson et al. през 1963 г. Използва се за отглеждане на Si тънки филми и монокристални материали, както и полупроводникови материали като III-IV групи и живачно-кадмиев телурид и може да се използва за направата на различни оптоелектронни устройства, микровълнови устройства, полупроводникови устройства и слънчеви клетки .
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera може да осигуриграфитни части, мек/твърд филц, части от силициев карбид, CVD части от силициев карбид, иЧасти с покритие от SiC/TaCсъс след 30 дни.
Ако се интересувате от горните полупроводникови продукти,моля, не се колебайте да се свържете с нас за първи път.
Тел: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Време на публикуване: 31 август 2024 г