1. Introdução
O processo de fixação de substâncias (matérias-primas) à superfície dos materiais do substrato por métodos físicos ou químicos é denominado crescimento de filme fino.
De acordo com diferentes princípios de funcionamento, a deposição de filmes finos em circuito integrado pode ser dividida em:
-Deposição Física de Vapor (PVD);
-Deposição Química de Vapor (CVD);
-Extensão.
2. Processo de crescimento de filme fino
2.1 Deposição física de vapor e processo de pulverização catódica
O processo de deposição física de vapor (PVD) refere-se ao uso de métodos físicos, como evaporação a vácuo, pulverização catódica, revestimento de plasma e epitaxia por feixe molecular para formar uma película fina na superfície de um wafer.
Na indústria VLSI, a tecnologia PVD mais utilizada é a pulverização catódica, que é usada principalmente para eletrodos e interconexões metálicas de circuitos integrados. A pulverização catódica é um processo no qual gases raros [como o argônio (Ar)] são ionizados em íons (como o Ar+) sob a ação de um campo elétrico externo sob condições de alto vácuo e bombardeiam a fonte alvo do material sob um ambiente de alta tensão, eliminando átomos ou moléculas do material alvo e, em seguida, chegando à superfície do wafer para formar uma película fina após um processo de voo sem colisão. Ar tem propriedades químicas estáveis e seus íons não reagem quimicamente com o material alvo e o filme. À medida que os chips de circuito integrado entram na era da interconexão de cobre de 0,13 μm, a camada de material de barreira de cobre usa filme de nitreto de titânio (TiN) ou nitreto de tântalo (TaN). A demanda por tecnologia industrial tem promovido a pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de pulverização catódica de reação química, ou seja, na câmara de pulverização catódica, além do Ar, existe também um gás reativo nitrogênio (N2), de modo que o Ti ou Ta bombardeado do o material alvo Ti ou Ta reage com N2 para gerar o filme TiN ou TaN necessário.
Existem três métodos de pulverização catódica comumente usados, nomeadamente pulverização catódica DC, pulverização catódica RF e pulverização catódica por magnetron. À medida que a integração de circuitos integrados continua a aumentar, o número de camadas de fiação metálica multicamadas está aumentando e a aplicação da tecnologia PVD está se tornando cada vez mais extensa. Os materiais PVD incluem Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2, etc.
Os processos de PVD e pulverização catódica são geralmente concluídos em uma câmara de reação altamente selada com um grau de vácuo de 1×10-7 a 9×10-9 Torr, o que pode garantir a pureza do gás durante a reação; ao mesmo tempo, uma alta tensão externa é necessária para ionizar o gás raro e gerar uma tensão alta o suficiente para bombardear o alvo. Os principais parâmetros para avaliação dos processos de PVD e sputtering incluem a quantidade de poeira, bem como o valor de resistência, uniformidade, espessura de refletividade e tensão do filme formado.
2.2 Deposição Química de Vapor e Processo de Sputtering
A deposição química de vapor (CVD) refere-se a uma tecnologia de processo na qual uma variedade de reagentes gasosos com diferentes pressões parciais reagem quimicamente a uma determinada temperatura e pressão, e as substâncias sólidas geradas são depositadas na superfície do material do substrato para obter a espessura fina desejada. filme. No processo tradicional de fabricação de circuitos integrados, os materiais de película fina obtidos são geralmente compostos como óxidos, nitretos, carbonetos ou materiais como silício policristalino e silício amorfo. O crescimento epitaxial seletivo, que é mais comumente usado após o nó de 45 nm, como fonte e dreno SiGe ou crescimento epitaxial seletivo de Si, também é uma tecnologia CVD.
Esta tecnologia pode continuar a formar materiais monocristalinos do mesmo tipo ou semelhantes à rede original em um substrato monocristalino de silício ou outros materiais ao longo da rede original. CVD é amplamente utilizado no crescimento de filmes dielétricos isolantes (como SiO2, Si3N4 e SiON, etc.) e filmes metálicos (como tungstênio, etc.).
Geralmente, de acordo com a classificação de pressão, a CVD pode ser dividida em deposição química de vapor à pressão atmosférica (APCVD), deposição química de vapor à pressão subatmosférica (SAPCVD) e deposição química de vapor a baixa pressão (LPCVD).
De acordo com a classificação de temperatura, o CVD pode ser dividido em deposição de vapor químico de filme de óxido de alta temperatura/baixa temperatura (HTO/LTO CVD) e deposição de vapor químico térmico rápido (CVD térmico rápido, RTCVD);
De acordo com a fonte de reação, o CVD pode ser dividido em CVD à base de silano, CVD à base de poliéster (CVD à base de TEOS) e deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD);
De acordo com a classificação energética, o CVD pode ser dividido em deposição de vapor químico térmico (CVD térmico), deposição de vapor químico aprimorado por plasma (CVD aprimorado por plasma, PECVD) e deposição de vapor químico por plasma de alta densidade (CVD de plasma de alta densidade, HDPCVD). Recentemente, também foi desenvolvida a deposição de vapor químico fluido (Flowable CVD, FCVD) com excelente capacidade de preenchimento de lacunas.
Diferentes filmes cultivados em CVD têm propriedades diferentes (como composição química, constante dielétrica, tensão, tensão e tensão de ruptura) e podem ser usados separadamente de acordo com diferentes requisitos do processo (como temperatura, cobertura de etapas, requisitos de enchimento, etc.).
2.3 Processo de deposição da camada atômica
A deposição de camada atômica (ALD) refere-se à deposição de átomos camada por camada em um material de substrato pelo crescimento de um único filme atômico camada por camada. Um ALD típico adota o método de inserir precursores gasosos no reator de maneira pulsada alternada.
Por exemplo, primeiro, o precursor de reação 1 é introduzido na superfície do substrato e, após a adsorção química, uma única camada atômica é formada na superfície do substrato; então o precursor 1 que permanece na superfície do substrato e na câmara de reação é bombeado para fora por uma bomba de ar; então o precursor de reação 2 é introduzido na superfície do substrato e reage quimicamente com o precursor 1 adsorvido na superfície do substrato para gerar o material de película fina correspondente e os subprodutos correspondentes na superfície do substrato; quando o precursor 1 reage completamente, a reação terminará automaticamente, o que é a característica autolimitada da ALD, e então os reagentes e subprodutos restantes serão extraídos para se preparar para o próximo estágio de crescimento; repetindo continuamente o processo acima, a deposição de materiais de película fina crescidos camada por camada com átomos únicos pode ser alcançada.
Tanto ALD quanto CVD são formas de introduzir uma fonte gasosa de reação química para reagir quimicamente na superfície do substrato, mas a diferença é que a fonte gasosa de reação de CVD não possui a característica de crescimento autolimitado. Pode-se observar que a chave para o desenvolvimento da tecnologia ALD é encontrar precursores com propriedades de reação autolimitadas.
2.4 Processo Epitaxial
O processo epitaxial refere-se ao processo de crescimento de uma camada de cristal único completamente ordenada em um substrato. De modo geral, o processo epitaxial consiste em fazer crescer uma camada de cristal com a mesma orientação de rede do substrato original em um único substrato de cristal. O processo epitaxial é amplamente utilizado na fabricação de semicondutores, como wafers de silício epitaxiais na indústria de circuitos integrados, crescimento epitaxial de fonte e dreno incorporados de transistores MOS, crescimento epitaxial em substratos de LED, etc.
De acordo com os diferentes estados de fase da fonte de crescimento, os métodos de crescimento epitaxial podem ser divididos em epitaxia em fase sólida, epitaxia em fase líquida e epitaxia em fase de vapor. Na fabricação de circuitos integrados, os métodos epitaxiais comumente usados são epitaxia em fase sólida e epitaxia em fase vapor.
Epitaxia de fase sólida: refere-se ao crescimento de uma única camada de cristal em um substrato usando uma fonte sólida. Por exemplo, o recozimento térmico após a implantação iônica é na verdade um processo de epitaxia em fase sólida. Durante a implantação iônica, os átomos de silício da pastilha de silício são bombardeados por íons implantados de alta energia, deixando suas posições originais na rede e tornando-se amorfos, formando uma camada superficial de silício amorfo. Após o recozimento térmico em alta temperatura, os átomos amorfos retornam às suas posições de rede e permanecem consistentes com a orientação do cristal atômico dentro do substrato.
Os métodos de crescimento da epitaxia em fase de vapor incluem epitaxia em fase de vapor química, epitaxia em fase de vapor molecular, epitaxia em fase de vapor, etc. Na fabricação de circuitos integrados, a epitaxia em fase de vapor química é a mais comumente usada. O princípio da epitaxia química em fase de vapor é basicamente o mesmo da deposição química de vapor. Ambos são processos que depositam filmes finos por reação química na superfície dos wafers após a mistura do gás.
A diferença é que, como a epitaxia química em fase de vapor desenvolve uma única camada de cristal, ela possui requisitos mais elevados para o teor de impurezas no equipamento e para a limpeza da superfície do wafer. O processo químico inicial de silício epitaxial em fase de vapor precisa ser realizado sob condições de alta temperatura (superiores a 1000°C). Com a melhoria dos equipamentos de processo, especialmente a adoção da tecnologia de câmara de troca de vácuo, a limpeza da cavidade do equipamento e da superfície do wafer de silício foi bastante melhorada, e a epitaxia de silício pode ser realizada em uma temperatura mais baixa (600-700° C). O processo do wafer de silício epitaxial consiste no crescimento de uma camada de silício de cristal único na superfície do wafer de silício.
Em comparação com o substrato de silício original, a camada epitaxial de silício tem maior pureza e menos defeitos de rede, melhorando assim o rendimento da fabricação de semicondutores. Além disso, a espessura de crescimento e a concentração de dopagem da camada epitaxial de silício cultivada no wafer de silício podem ser projetadas de forma flexível, o que traz flexibilidade ao design do dispositivo, como reduzir a resistência do substrato e melhorar o isolamento do substrato. O processo epitaxial fonte-dreno incorporado é uma tecnologia amplamente utilizada em nós de tecnologia lógica avançada.
Refere-se ao processo de crescimento epitaxial de silício ou silício de germânio dopado nas regiões de fonte e dreno dos transistores MOS. As principais vantagens da introdução do processo epitaxial fonte-dreno embutido incluem: crescimento de uma camada pseudocristalina contendo tensão devido à adaptação da rede, melhorando a mobilidade do portador do canal; A dopagem in-situ da fonte e do dreno pode reduzir a resistência parasitária da junção fonte-dreno e reduzir os defeitos de implantação iônica de alta energia.
3. Equipamento de crescimento de filme fino
3.1 Equipamento de evaporação a vácuo
A evaporação a vácuo é um método de revestimento que aquece materiais sólidos em uma câmara de vácuo para fazer com que evaporem, vaporizem ou sublimem e depois condensem e depositem na superfície de um material de substrato a uma determinada temperatura.
Normalmente consiste em três partes, nomeadamente o sistema de vácuo, o sistema de evaporação e o sistema de aquecimento. O sistema de vácuo consiste em tubos de vácuo e bombas de vácuo, e sua principal função é fornecer um ambiente de vácuo qualificado para evaporação. O sistema de evaporação consiste em uma mesa de evaporação, um componente de aquecimento e um componente de medição de temperatura.
O material alvo a ser evaporado (como Ag, Al, etc.) é colocado na mesa de evaporação; o componente de medição de aquecimento e temperatura é um sistema de circuito fechado usado para controlar a temperatura de evaporação para garantir uma evaporação suave. O sistema de aquecimento consiste em um estágio wafer e um componente de aquecimento. O estágio de wafer é usado para colocar o substrato no qual o filme fino precisa ser evaporado, e o componente de aquecimento é usado para realizar o aquecimento do substrato e o controle de feedback de medição de temperatura.
O ambiente de vácuo é uma condição muito importante no processo de evaporação a vácuo, que está relacionado à taxa de evaporação e à qualidade do filme. Se o grau de vácuo não atender aos requisitos, os átomos ou moléculas vaporizadas colidirão frequentemente com as moléculas do gás residual, tornando seu caminho livre médio menor, e os átomos ou moléculas se dispersarão severamente, mudando assim a direção do movimento e reduzindo o filme taxa de formação.
Além disso, devido à presença de moléculas de gás de impureza residual, o filme depositado está seriamente contaminado e de má qualidade, especialmente quando a taxa de aumento de pressão da câmara não atende ao padrão e há vazamento, o ar vazará para dentro da câmara de vácuo , o que terá um sério impacto na qualidade do filme.
As características estruturais do equipamento de evaporação a vácuo determinam que a uniformidade do revestimento em substratos de grande porte seja fraca. Para melhorar sua uniformidade, geralmente é adotado o método de aumentar a distância fonte-substrato e girar o substrato, mas aumentar a distância fonte-substrato sacrificará a taxa de crescimento e a pureza do filme. Ao mesmo tempo, devido ao aumento do espaço de vácuo, a taxa de utilização do material evaporado é reduzida.
3.2 Equipamento físico de deposição de vapor CC
A deposição física de vapor por corrente contínua (DCPVD) também é conhecida como pulverização catódica ou pulverização catódica a vácuo DC de dois estágios. O material alvo da pulverização catódica a vácuo DC é usado como cátodo e o substrato é usado como ânodo. A pulverização catódica a vácuo consiste em formar um plasma ionizando o gás do processo.
As partículas carregadas no plasma são aceleradas no campo elétrico para obter uma certa quantidade de energia. As partículas com energia suficiente bombardeiam a superfície do material alvo, de modo que os átomos alvo são expelidos; os átomos pulverizados com uma certa energia cinética movem-se em direção ao substrato para formar uma película fina na superfície do substrato. O gás usado para pulverização catódica é geralmente um gás raro, como o argônio (Ar), portanto o filme formado pela pulverização catódica não será contaminado; além disso, o raio atômico do argônio é mais adequado para pulverização catódica.
O tamanho das partículas de pulverização catódica deve ser próximo do tamanho dos átomos alvo a serem pulverizados. Se as partículas forem muito grandes ou muito pequenas, não será possível formar uma pulverização catódica eficaz. Além do fator de tamanho do átomo, o fator de massa do átomo também afetará a qualidade da pulverização catódica. Se a fonte de partículas de pulverização catódica for muito leve, os átomos alvo não serão pulverizados; se as partículas de pulverização forem muito pesadas, o alvo será “dobrado” e não será pulverizado.
O material alvo utilizado no DCPVD deve ser um condutor. Isto ocorre porque quando os íons de argônio no gás de processo bombardeiam o material alvo, eles se recombinam com os elétrons na superfície do material alvo. Quando o material alvo é um condutor como um metal, os elétrons consumidos por esta recombinação são mais facilmente reabastecidos pela fonte de alimentação e elétrons livres em outras partes do material alvo através da condução elétrica, de modo que a superfície do material alvo como um todo permanece carregado negativamente e a pulverização catódica é mantida.
Pelo contrário, se o material alvo for um isolante, após a recombinação dos elétrons na superfície do material alvo, os elétrons livres em outras partes do material alvo não poderão ser reabastecidos por condução elétrica, e até mesmo cargas positivas se acumularão no superfície do material alvo, fazendo com que o potencial do material alvo aumente, e a carga negativa do material alvo é enfraquecida até desaparecer, eventualmente levando ao término da pulverização catódica.
Portanto, para tornar os materiais isolantes também utilizáveis para pulverização catódica, é necessário encontrar outro método de pulverização catódica. A pulverização catódica por radiofrequência é um método de pulverização catódica adequado para alvos condutores e não condutores.
Outra desvantagem do DCPVD é que a tensão de ignição é alta e o bombardeio de elétrons no substrato é forte. Uma maneira eficaz de resolver esse problema é usar a pulverização catódica por magnetron, de modo que a pulverização catódica por magnetron é realmente de valor prático no campo de circuitos integrados.
3.3 Equipamento de Deposição Física de Vapor RF
A deposição física de vapor por radiofrequência (RFPVD) usa energia de radiofrequência como fonte de excitação e é um método PVD adequado para uma variedade de materiais metálicos e não metálicos.
As frequências comuns da fonte de alimentação de RF usadas no RFPVD são 13,56 MHz, 20 MHz e 60 MHz. Os ciclos positivos e negativos da fonte de alimentação de RF aparecem alternadamente. Quando o alvo PVD está no meio ciclo positivo, porque a superfície alvo está em um potencial positivo, os elétrons na atmosfera do processo fluirão para a superfície alvo para neutralizar a carga positiva acumulada em sua superfície, e até mesmo continuarão a acumular elétrons, tornando sua superfície polarizada negativamente; quando o alvo de pulverização catódica está no meio ciclo negativo, os íons positivos se moverão em direção ao alvo e serão parcialmente neutralizados na superfície do alvo.
O mais crítico é que a velocidade de movimento dos elétrons no campo elétrico de RF é muito mais rápida que a dos íons positivos, enquanto o tempo dos meios ciclos positivo e negativo é o mesmo, portanto, após um ciclo completo, a superfície alvo será “líquido” carregado negativamente. Portanto, nos primeiros ciclos, a carga negativa da superfície alvo apresenta uma tendência crescente; depois, a superfície alvo atinge um potencial negativo estável; a partir de então, como a carga negativa do alvo tem efeito repulsivo sobre os elétrons, a quantidade de cargas positivas e negativas recebidas pelo eletrodo alvo tende a se equilibrar e o alvo apresenta uma carga negativa estável.
A partir do processo acima, pode-se observar que o processo de formação de tensão negativa não tem nada a ver com as propriedades do material alvo em si, portanto o método RFPVD pode não apenas resolver o problema de pulverização catódica de alvos isolantes, mas também é bem compatível com alvos condutores metálicos convencionais.
3.4 Equipamento de pulverização catódica Magnetron
A pulverização catódica de magnetron é um método PVD que adiciona ímãs à parte de trás do alvo. Os ímãs adicionados e o sistema de fonte de alimentação CC (ou fonte de alimentação CA) formam uma fonte de pulverização catódica de magnetron. A fonte de pulverização catódica é usada para formar um campo eletromagnético interativo na câmara, capturar e limitar a faixa de movimento dos elétrons no plasma dentro da câmara, estender o caminho do movimento dos elétrons e, assim, aumentar a concentração do plasma e, finalmente, alcançar mais deposição.
Além disso, como mais elétrons estão ligados perto da superfície do alvo, o bombardeio do substrato por elétrons é reduzido e a temperatura do substrato é reduzida. Em comparação com a tecnologia DCPVD de placa plana, uma das características mais óbvias da tecnologia de deposição física de vapor do magnetron é que a tensão de descarga de ignição é mais baixa e mais estável.
Devido à sua maior concentração de plasma e maior rendimento de pulverização catódica, pode alcançar excelente eficiência de deposição, controle de espessura de deposição em uma grande faixa de tamanho, controle preciso de composição e menor tensão de ignição. Portanto, a pulverização catódica por magnetron está em uma posição dominante no atual filme metálico PVD. O projeto de fonte de pulverização catódica mais simples é colocar um grupo de ímãs na parte traseira do alvo plano (fora do sistema de vácuo) para gerar um campo magnético paralelo à superfície do alvo em uma área local na superfície do alvo.
Se um íman permanente for colocado, o seu campo magnético é relativamente fixo, resultando numa distribuição de campo magnético relativamente fixa na superfície alvo na câmara. Apenas materiais em áreas específicas do alvo são pulverizados, a taxa de utilização do alvo é baixa e a uniformidade do filme preparado é fraca.
Há uma certa probabilidade de que o metal pulverizado ou outras partículas de material sejam depositadas de volta na superfície alvo, agregando-se assim em partículas e formando contaminação de defeito. Portanto, as fontes comerciais de pulverização catódica por magnetron usam principalmente um design de ímã rotativo para melhorar a uniformidade do filme, a taxa de utilização do alvo e a pulverização catódica completa do alvo.
É crucial equilibrar esses três fatores. Se a balança não for bem manuseada, pode resultar em uma boa uniformidade do filme e, ao mesmo tempo, reduzir bastante a taxa de utilização do alvo (encurtando a vida útil do alvo), ou não conseguir atingir a pulverização catódica total ou a corrosão total do alvo, o que causará problemas de partículas durante a pulverização catódica. processo.
Na tecnologia magnetron PVD, é necessário considerar o mecanismo de movimento do ímã rotativo, o formato do alvo, o sistema de resfriamento do alvo e a fonte de pulverização catódica do magnetron, bem como a configuração funcional da base que carrega o wafer, como adsorção do wafer e controle de temperatura. No processo PVD, a temperatura do wafer é controlada para obter a estrutura cristalina, tamanho e orientação de grão necessários, bem como a estabilidade de desempenho.
Como a condução de calor entre a parte traseira do wafer e a superfície da base requer uma certa pressão, geralmente da ordem de vários Torr, e a pressão de trabalho da câmara é geralmente da ordem de vários mTorr, a pressão na parte traseira do wafer é muito maior do que a pressão na superfície superior do wafer, portanto, um mandril mecânico ou eletrostático é necessário para posicionar e limitar o wafer.
O mandril mecânico depende de seu próprio peso e da borda do wafer para atingir esta função. Embora tenha as vantagens de estrutura simples e insensibilidade ao material do wafer, o efeito de borda do wafer é óbvio, o que não conduz ao controle estrito das partículas. Portanto, ele foi gradualmente substituído por um mandril eletrostático no processo de fabricação do IC.
Para processos que não são particularmente sensíveis à temperatura, um método de shelving sem adsorção e sem contato com as bordas (sem diferença de pressão entre as superfícies superior e inferior do wafer) também pode ser usado. Durante o processo PVD, o revestimento da câmara e a superfície das peças em contato com o plasma serão depositados e cobertos. Quando a espessura do filme depositado excede o limite, o filme irá rachar e descascar, causando problemas de partículas.
Portanto, o tratamento superficial de peças como o forro é a chave para ampliar esse limite. O jateamento de superfície e a pulverização de alumínio são dois métodos comumente usados, cujo objetivo é aumentar a rugosidade da superfície para fortalecer a ligação entre o filme e a superfície do revestimento.
3.5 Equipamento de Deposição Física de Vapor por Ionização
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia microeletrônica, os tamanhos dos recursos estão se tornando cada vez menores. Como a tecnologia PVD não pode controlar a direção de deposição das partículas, a capacidade do PVD de entrar através de furos e canais estreitos com altas proporções é limitada, tornando a aplicação expandida da tecnologia tradicional de PVD cada vez mais desafiada. No processo PVD, à medida que a proporção da ranhura dos poros aumenta, a cobertura na parte inferior diminui, formando uma estrutura saliente semelhante a um beiral no canto superior e formando a cobertura mais fraca no canto inferior.
A tecnologia de deposição física de vapor ionizado foi desenvolvida para resolver este problema. Ele primeiro plasmatiza os átomos de metal expelidos do alvo de diferentes maneiras e, em seguida, ajusta a tensão de polarização carregada no wafer para controlar a direção e a energia dos íons metálicos para obter um fluxo de íons metálicos direcional estável para preparar um filme fino, melhorando assim a cobertura da parte inferior dos degraus de alta proporção através de furos e canais estreitos.
A característica típica da tecnologia de plasma de metal ionizado é a adição de uma bobina de radiofrequência na câmara. Durante o processo, a pressão de trabalho da câmara é mantida num estado relativamente elevado (5 a 10 vezes a pressão de trabalho normal). Durante o PVD, a bobina de radiofrequência é usada para gerar a segunda região de plasma, na qual a concentração plasmática de argônio aumenta com o aumento da potência de radiofrequência e da pressão do gás. Quando os átomos de metal expelidos do alvo passam por esta região, eles interagem com o plasma de argônio de alta densidade para formar íons metálicos.
A aplicação de uma fonte de RF no transportador do wafer (como um mandril eletrostático) pode aumentar a polarização negativa no wafer para atrair íons metálicos positivos para a parte inferior da ranhura do poro. Este fluxo direcional de íons metálicos perpendicular à superfície do wafer melhora a cobertura do fundo do degrau de poros de alta proporção e canais estreitos.
A polarização negativa aplicada ao wafer também faz com que os íons bombardeiem a superfície do wafer (sputtering reverso), o que enfraquece a estrutura saliente da boca da ranhura do poro e espalha o filme depositado na parte inferior nas paredes laterais nos cantos da parte inferior do poro ranhura, aumentando assim a cobertura do degrau nos cantos.
3.6 Equipamento de Deposição de Vapor Químico à Pressão Atmosférica
Equipamento de deposição química de vapor à pressão atmosférica (APCVD) refere-se a um dispositivo que pulveriza uma fonte de reação gasosa a uma velocidade constante sobre a superfície de um substrato sólido aquecido sob um ambiente com uma pressão próxima à pressão atmosférica, fazendo com que a fonte de reação reaja quimicamente em a superfície do substrato, e o produto da reação é depositado na superfície do substrato para formar uma película fina.
O equipamento APCVD é o primeiro equipamento CVD e ainda é amplamente utilizado na produção industrial e na pesquisa científica. O equipamento APCVD pode ser usado para preparar filmes finos, como silício monocristalino, silício policristalino, dióxido de silício, óxido de zinco, dióxido de titânio, vidro fosfosilicato e vidro borofosfosilicato.
3.7 Equipamento de Deposição de Vapor Químico de Baixa Pressão
Equipamento de deposição química de vapor de baixa pressão (LPCVD) refere-se a equipamentos que utilizam matérias-primas gasosas para reagir quimicamente na superfície de um substrato sólido sob um ambiente aquecido (350-1100°C) e de baixa pressão (10-100mTorr), e os reagentes são depositados na superfície do substrato para formar uma película fina. O equipamento LPCVD é desenvolvido com base no APCVD para melhorar a qualidade de filmes finos, melhorar a uniformidade de distribuição de parâmetros característicos, como espessura e resistividade do filme, e melhorar a eficiência da produção.
Sua principal característica é que em um ambiente de campo térmico de baixa pressão, o gás do processo reage quimicamente na superfície do substrato do wafer e os produtos da reação são depositados na superfície do substrato para formar uma película fina. O equipamento LPCVD apresenta vantagens na preparação de filmes finos de alta qualidade e pode ser utilizado para preparar filmes finos como óxido de silício, nitreto de silício, polissilício, carboneto de silício, nitreto de gálio e grafeno.
Comparado com o APCVD, o ambiente de reação de baixa pressão do equipamento LPCVD aumenta o caminho livre médio e o coeficiente de difusão do gás na câmara de reação.
As moléculas do gás de reação e do gás transportador na câmara de reação podem ser distribuídas uniformemente em um curto espaço de tempo, melhorando muito a uniformidade da espessura do filme, a uniformidade da resistividade e a cobertura das etapas do filme, e o consumo do gás de reação também é pequeno. Além disso, o ambiente de baixa pressão também acelera a velocidade de transmissão de substâncias gasosas. Impurezas e subprodutos de reação difundidos do substrato podem ser rapidamente retirados da zona de reação através da camada limite, e o gás de reação passa rapidamente através da camada limite para alcançar a superfície do substrato para reação, suprimindo efetivamente a autodopagem, preparando filmes de alta qualidade com zonas de transição íngremes e também melhorando a eficiência da produção.
3.8 Equipamento de Deposição de Vapor Químico Aprimorado por Plasma
A deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) é um método amplamente utilizadotecnologia de deposição de filme hin. Durante o processo de plasma, o precursor gasoso é ionizado sob a ação do plasma para formar grupos ativos excitados, que se difundem para a superfície do substrato e depois sofrem reações químicas para completar o crescimento do filme.
De acordo com a frequência de geração do plasma, o plasma utilizado no PECVD pode ser dividido em dois tipos: plasma de radiofrequência (plasma RF) e plasma de microondas (plasma de microondas). Atualmente, a radiofrequência utilizada na indústria é geralmente de 13,56 MHz.
A introdução do plasma de radiofrequência é geralmente dividida em dois tipos: acoplamento capacitivo (CCP) e acoplamento indutivo (ICP). O método de acoplamento capacitivo é geralmente um método de reação direta com plasma; enquanto o método de acoplamento indutivo pode ser um método de plasma direto ou um método de plasma remoto.
Nos processos de fabricação de semicondutores, o PECVD é frequentemente usado para desenvolver filmes finos em substratos contendo metais ou outras estruturas sensíveis à temperatura. Por exemplo, no campo da interconexão metálica back-end de circuitos integrados, uma vez que as estruturas de fonte, porta e dreno do dispositivo foram formadas no processo front-end, o crescimento de filmes finos no campo da interconexão metálica está sujeito a restrições orçamentárias térmicas muito rigorosas, por isso geralmente é completado com assistência de plasma. Ao ajustar os parâmetros do processo de plasma, a densidade, a composição química, o teor de impurezas, a resistência mecânica e os parâmetros de tensão do filme fino cultivado pelo PECVD podem ser ajustados e otimizados dentro de uma determinada faixa.
3.9 Equipamento de Deposição de Camada Atômica
A deposição de camada atômica (ALD) é uma tecnologia de deposição de filme fino que cresce periodicamente na forma de uma camada quase monoatômica. Sua característica é que a espessura do filme depositado pode ser ajustada com precisão controlando o número de ciclos de crescimento. Ao contrário do processo de deposição química de vapor (CVD), os dois (ou mais) precursores no processo ALD passam alternadamente através da superfície do substrato e são efetivamente isolados pela purga de gás raro.
Os dois precursores não se misturam e se encontram na fase gasosa para reagir quimicamente, mas apenas reagem através de adsorção química na superfície do substrato. Em cada ciclo ALD, a quantidade de precursor adsorvido na superfície do substrato está relacionada com a densidade dos grupos ativos na superfície do substrato. Quando os grupos reativos na superfície do substrato se esgotam, mesmo que seja introduzido um excesso de precursor, a adsorção química não ocorrerá na superfície do substrato.
Este processo de reação é chamado de reação autolimitada de superfície. Este mecanismo de processo torna constante a espessura do filme crescido em cada ciclo do processo ALD, de modo que o processo ALD tem as vantagens de um controle preciso da espessura e uma boa cobertura das etapas do filme.
3.10 Equipamento de Epitaxia por Feixe Molecular
O sistema Molecular Beam Epitaxy (MBE) refere-se a um dispositivo epitaxial que usa um ou mais feixes atômicos de energia térmica ou feixes moleculares para pulverizar sobre a superfície aquecida do substrato a uma certa velocidade sob condições de vácuo ultra-alto, e adsorver e migrar na superfície do substrato para crescer epitaxialmente filmes finos de cristal único ao longo da direção do eixo do cristal do material do substrato. Geralmente, sob a condição de aquecimento por um forno a jato com proteção térmica, a fonte do feixe forma um feixe atômico ou molecular, e o filme cresce camada por camada ao longo da direção do eixo do cristal do material do substrato.
Suas características são baixa temperatura de crescimento epitaxial, e a espessura, interface, composição química e concentração de impurezas podem ser controladas com precisão em nível atômico. Embora o MBE tenha se originado da preparação de filmes semicondutores ultrafinos de cristal único, sua aplicação agora se expandiu para uma variedade de sistemas de materiais, como metais e dielétricos isolantes, e pode preparar III-V, II-VI, silício, silício, germânio (SiGe ), grafeno, óxidos e filmes orgânicos.
O sistema de epitaxia por feixe molecular (MBE) é composto principalmente por um sistema de ultra-alto vácuo, uma fonte de feixe molecular, um sistema de fixação e aquecimento de substrato, um sistema de transferência de amostras, um sistema de monitoramento in-situ, um sistema de controle e um teste sistema.
O sistema de vácuo inclui bombas de vácuo (bombas mecânicas, bombas moleculares, bombas de íons e bombas de condensação, etc.) e várias válvulas, que podem criar um ambiente de crescimento de vácuo ultra-alto. O grau de vácuo geralmente alcançável é de 10-8 a 10-11 Torr. O sistema de vácuo possui principalmente três câmaras de trabalho a vácuo, nomeadamente a câmara de injeção de amostra, a câmara de pré-tratamento e análise de superfície e a câmara de crescimento.
A câmara de injeção de amostra é usada para transferir amostras para o mundo exterior para garantir as condições de alto vácuo de outras câmaras; a câmara de pré-tratamento e análise de superfície conecta a câmara de injeção de amostra e a câmara de crescimento, e sua principal função é pré-processar a amostra (desgaseificação em alta temperatura para garantir a limpeza completa da superfície do substrato) e realizar análise preliminar de superfície no amostra limpa; a câmara de crescimento é a parte central do sistema MBE, composta principalmente por um forno fonte e seu conjunto de veneziana correspondente, um console de controle de amostra, um sistema de resfriamento, uma reflexão de difração de elétrons de alta energia (RHEED) e um sistema de monitoramento in-situ . Alguns equipamentos de produção MBE possuem múltiplas configurações de câmara de crescimento. O diagrama esquemático da estrutura do equipamento MBE é mostrado abaixo:
MBE de material de silício usa silício de alta pureza como matéria-prima, cresce sob condições de ultra-alto vácuo (10-10 ~ 10-11 Torr) e a temperatura de crescimento é de 600 ~ 900 ℃, com Ga (tipo P) e Sb ( Tipo N) como fontes de doping. Fontes de dopagem comumente usadas, como P, As e B, raramente são usadas como fontes de feixe porque são difíceis de evaporar.
A câmara de reação do MBE possui um ambiente de ultra-alto vácuo, o que aumenta o caminho livre médio das moléculas e reduz a contaminação e oxidação na superfície do material em crescimento. O material epitaxial preparado possui boa morfologia e uniformidade superficial, podendo ser transformado em uma estrutura multicamadas com diferentes dopagem ou diferentes componentes de material.
A tecnologia MBE atinge o crescimento repetido de camadas epitaxiais ultrafinas com a espessura de uma única camada atômica, e a interface entre as camadas epitaxiais é íngreme. Promove o crescimento de semicondutores III-V e outros materiais heterogêneos multicomponentes. Atualmente, o sistema MBE tornou-se um equipamento de processo avançado para a produção de uma nova geração de dispositivos de microondas e dispositivos optoeletrônicos. As desvantagens da tecnologia MBE são a lenta taxa de crescimento do filme, altos requisitos de vácuo e altos custos de equipamentos e uso de equipamentos.
3.11 Sistema Epitaxia em Fase Vapor
O sistema epitaxia em fase de vapor (VPE) refere-se a um dispositivo de crescimento epitaxial que transporta compostos gasosos para um substrato e obtém uma única camada de material cristalino com o mesmo arranjo de rede do substrato por meio de reações químicas. A camada epitaxial pode ser uma camada homoepitaxial (Si/Si) ou uma camada heteroepitaxial (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3, etc.). Atualmente, a tecnologia VPE tem sido amplamente utilizada nas áreas de preparação de nanomateriais, dispositivos de energia, dispositivos optoeletrônicos semicondutores, energia solar fotovoltaica e circuitos integrados.
VPE típico inclui epitaxia de pressão atmosférica e epitaxia de pressão reduzida, deposição de vapor químico de ultra-alto vácuo, deposição de vapor químico orgânico de metal, etc. Os pontos-chave na tecnologia VPE são design da câmara de reação, modo e uniformidade de fluxo de gás, uniformidade de temperatura e controle de precisão, controle de pressão e estabilidade, controle de partículas e defeitos, etc.
Atualmente, a direção de desenvolvimento dos principais sistemas VPE comerciais é o carregamento de grandes wafers, controle totalmente automático e monitoramento em tempo real da temperatura e do processo de crescimento. Os sistemas VPE possuem três estruturas: vertical, horizontal e cilíndrica. Os métodos de aquecimento incluem aquecimento por resistência, aquecimento por indução de alta frequência e aquecimento por radiação infravermelha.
Atualmente, os sistemas VPE utilizam principalmente estruturas de disco horizontais, que apresentam as características de boa uniformidade de crescimento do filme epitaxial e grande carregamento de wafer. Os sistemas VPE geralmente consistem em quatro partes: reator, sistema de aquecimento, sistema de passagem de gás e sistema de controle. Como o tempo de crescimento dos filmes epitaxiais de GaAs e GaN é relativamente longo, o aquecimento por indução e o aquecimento por resistência são usados principalmente. No VPE de silício, o crescimento do filme epitaxial espesso utiliza principalmente aquecimento por indução; o crescimento do filme epitaxial fino usa principalmente aquecimento infravermelho para atingir o objetivo de aumento/queda rápida da temperatura.
3.12 Sistema Epitaxia de Fase Líquida
O sistema Epitaxia em Fase Líquida (LPE) refere-se ao equipamento de crescimento epitaxial que dissolve o material a ser cultivado (como Si, Ga, As, Al, etc.) e dopantes (como Zn, Te, Sn, etc.) em um metal com ponto de fusão mais baixo (como Ga, In, etc.), de modo que o soluto fique saturado ou supersaturado no solvente, e então o substrato de cristal único é contatado com a solução, e o soluto é precipitado do solvente por gradualmente esfriando, e uma camada de material cristalino com uma estrutura cristalina e constante de rede semelhante à do substrato é cultivada na superfície do substrato.
O método LPE foi proposto por Nelson et al. em 1963. É usado para cultivar filmes finos de Si e materiais de cristal único, bem como materiais semicondutores, como grupos III-IV e telureto de mercúrio e cádmio, e pode ser usado para fazer vários dispositivos optoeletrônicos, dispositivos de microondas, dispositivos semicondutores e células solares. .
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Horário da postagem: 31 de agosto de 2024