Quy trình và thiết bị bán dẫn: Quy trình và thiết bị lắng đọng màng mỏng

Lắng đọng màng mỏng là sự lắng đọng của một màng có kích thước nano trên đế, sau đó với các quá trình lặp đi lặp lại như khắc và đánh bóng, nhiều lớp dẫn điện hoặc cách điện xếp chồng lên nhau sẽ được tạo ra và mỗi lớp có một mẫu mạch được thiết kế. Bằng cách này, các thành phần và mạch bán dẫn được tích hợp vào các chip có cấu trúc phức tạp.

Có ba loại lắng đọng màng mỏng chính:

◈ CVD (Lắng đọng hơi hóa học)

◈ PVD (Lắng đọng hơi vật chất)

◈ ALD (Lắng đọng lớp nguyên tử)

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các công nghệ lắng đọng màng mỏng từ ba loại này.

 

Quá trình lắng đọng hơi hóa học

Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD) tạo thành một màng mỏng trên bề mặt chất nền thông qua quá trình phân hủy nhiệt và/hoặc phản ứng của các hợp chất khí. Các vật liệu lớp màng có thể được tạo ra bằng phương pháp CVD bao gồm cacbua, nitrit, borua, oxit, sunfua, selenua, Telluride, cũng như một số hợp chất kim loại, hợp kim, v.v.

Lắng đọng hơi hóa học hiện là một phương pháp sản xuất vi mô quan trọng vì nó có các đặc điểm sau:

1. Phạm vi lắng đọng rộng: có thể lắng đọng các màng kim loại và phi kim loại, cũng như các màng có hợp kim nhiều thành phần, cũng như các lớp gốm hoặc hỗn hợp theo yêu cầu.

2. Phản ứng CVD được thực hiện ở áp suất khí quyển hoặc chân không thấp, độ nhiễu xạ của lớp phủ tốt và có thể phủ đều các lỗ sâu và lỗ mịn trên bề mặt có hình dạng hoặc phôi phức tạp.

3. Nó có thể thu được một lớp phủ màng mỏng với độ tinh khiết cao, độ nén tốt, ứng suất dư thấp và độ kết tinh tốt. Do sự khuếch tán lẫn nhau của khí phản ứng, sản phẩm phản ứng và chất nền, có thể thu được màng bám dính tốt, điều này rất quan trọng đối với màng gia cố bề mặt như thụ động bề mặt, chống ăn mòn và chống mài mòn.

4. Do nhiệt độ phát triển màng thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu màng nên có thể thu được lớp màng kết tinh hoàn toàn, có độ tinh khiết cao, cần thiết cho một số lớp phủ bán dẫn.

5. Bằng cách điều chỉnh các thông số lắng đọng, thành phần hóa học, hình thái, cấu trúc tinh thể và kích thước hạt của lớp phủ có thể được kiểm soát một cách hiệu quả.

6. Thiết bị đơn giản, dễ vận hành và bảo trì.

7. Nhiệt độ phản ứng quá cao, thường là 850 ~ 1100 độ, và nhiều vật liệu nền không thể chịu được nhiệt độ cao của CVD. Công nghệ hỗ trợ bằng plasma hoặc laser có thể được sử dụng để giảm nhiệt độ lắng đọng.

Quá trình lắng đọng hơi hóa học được chia thành ba giai đoạn quan trọng:

1, Khí phản ứng khuếch tán lên bề mặt của ma trận

2, Khí phản ứng được hấp phụ trên bề mặt của ma trận

3, Một phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt của ma trận để tạo thành cặn rắn và các sản phẩm phụ ở pha khí được tách ra khỏi bề mặt của ma trận

Các phản ứng lắng đọng hơi hóa học phổ biến nhất là: phản ứng phân hủy nhiệt, phản ứng tổng hợp hóa học và phản ứng vận chuyển hóa học. Các quá trình phản ứng chính của CVD như sau:
i). đa silic

SiH4 ->Si + 2h2 (600 độ )

Tốc độ lắng đọng 100 - 200 nm /phút

Có thể thêm phốt pho (phosphine), boron (diborane) hoặc khí asen. Polysilicon cũng có thể được pha tạp khí khuếch tán sau khi lắng đọng.

ii).Siliconđiôxit

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 độ )

SiO2 được sử dụng làm lớp cách điện hoặc lớp thụ động. Phốt pho thường được thêm vào để có được đặc tính dòng điện tử tốt hơn. Khi có silicon trong oxy, SiO2 phát triển nhiệt. Oxy đến từ oxy hoặc hơi nước. Yêu cầu nhiệt độ môi trường xung quanh là 900 ~ 1200 độ. Bề mặt của wafer silicon sau quá trình oxy hóa chọn lọc được thể hiện như hình dưới đây:

Cả oxy và nước đều khuếch tán qua SiO2 hiện có và kết hợp với Si để tạo thành SiO2 bổ sung. Nước (hơi nước) khuếch tán dễ dàng hơn oxy nên nó phát triển nhanh hơn nhiều khi sử dụng hơi nước. Oxit được sử dụng để cung cấp lớp cách điện và thụ động để tạo thành cổng bóng bán dẫn. Oxy khô được sử dụng để tạo thành các cổng và các lớp oxit mỏng. Hơi nước được sử dụng để tạo thành một lớp oxit dày. Lớp oxit cách điện thường có bước sóng khoảng 1500 nm và lớp cổng thường nằm trong khoảng từ 200 nm đến 500 nm.

iii). Siicon Nitrat

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Thiết bị CVD lắng đọng hơi hóa học

Có ba loại lò phản ứng CVD cơ bản:

◈ APCVD: CVD áp suất khí quyển

◈ LPCVD: CVD áp suất thấp, LPCVD

◈ UHVCVD: CVD chân không siêu cao

◈ LCVD: CVD bằng laze

◈ MOCVD: CVD hữu cơ kim loại

◈ CVD (PECVD

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị cho quy trình CVD áp suất thấp được thể hiện trong hình bên dưới.

Sơ đồ dưới đây cho thấy cấu trúc của một nhà máy CVD được tăng cường ion dùng để lắng đọng carbon và chuẩn bị lớp phủ giống như kim cương.

PVDQuá trình

Trong điều kiện chân không, vật liệu trên bề mặt nguồn vật liệu (rắn hoặc lỏng) bị bay hơi thành các nguyên tử khí, phân tử hoặc các bộ phận bị ion hóa thành ion bằng phương pháp vật lý và một màng mỏng có chức năng đặc biệt được lắng đọng trên bề mặt ma trận thông qua quá trình khí áp suất thấp (hoặc plasma). Sự lắng đọng hơi vật lý không chỉ có thể lắng đọng màng kim loại và màng hợp kim mà còn có thể lắng đọng các hợp chất, gốm sứ, chất bán dẫn, màng polymer, v.v. Nguyên lý cơ bản của công nghệ lắng đọng hơi vật lý có thể được chia thành ba bước quy trình: (1) Sự bay hơi của vật liệu mạ: ngay cả khi vật liệu mạ bay hơi, thăng hoa hoặc bị phún xạ, nghĩa là thông qua nguồn hóa hơi của vật liệu mạ. (2) Sự di chuyển của các nguyên tử, phân tử hoặc ion của vật liệu mạ: Sau khi các nguyên tử, phân tử hoặc ion do nguồn khí hóa cung cấp va chạm với nhau, nhiều phản ứng khác nhau sẽ được tạo ra. (3) Sự lắng đọng của các nguyên tử, phân tử hoặc ion mạ trên bề mặt. Quá trình công nghệ lắng đọng hơi vật lý không gây ô nhiễm và có ít vật tư tiêu hao. Màng đồng nhất và dày đặc, lực liên kết với chất nền rất mạnh. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, điện tử, quang học, máy móc, xây dựng, công nghiệp nhẹ, luyện kim, vật liệu và các lĩnh vực khác, và có thể chuẩn bị các lớp phủ có khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, trang trí, dẫn điện, cách nhiệt, dẫn ánh sáng, áp điện, từ tính, bôi trơn, siêu dẫn và các đặc tính khác. Ngoài ra còn có nhiều quy trình lắng đọng hơi vật lý:

◈ Lớp phủ chân không màng mỏng

◈ Phún xạ PVD

◈ Lớp phủ ion

Dưới đây chúng tôi mô tả các công nghệ xử lý cho từng loại trong số ba loại phương pháp này.

◈ Lớp phủ chân không màng mỏng

Nguyên tắc:Lớp phủ chân không màng mỏnglà công nghệ làm nóng và làm bay hơi mục tiêu mạ trong điều kiện chân không, khiến một số lượng lớn nguyên tử, phân tử bị bay hơi và để lại vật liệu mạ lỏng hoặc rời khỏi bề mặt mạ rắn (hoặc thăng hoa), và cuối cùng lắng đọng trên bề mặt vật liệu mạ. chất nền. Trong toàn bộ quá trình, các nguyên tử và phân tử khí sẽ di chuyển trực tiếp đến ma trận với ít va chạm trong chân không và lắng đọng trên bề mặt ma trận để tạo thành một màng mỏng. Các phương pháp bay hơi bao gồm gia nhiệt điện trở, gia nhiệt cảm ứng tần số cao, chùm tia điện tử, chùm tia laser, vật liệu mạ bắn phá năng lượng cao chùm tia ion, v.v.

Lớp phủ chân không màng mỏng là một trong những công nghệ cổ xưa nhất của PVD.

Nguồn bay hơi:Vật liệu mạ được nung nóng đến nhiệt độ bay hơi và hóa hơi, thiết bị gia nhiệt này được gọi là nguồn bay hơi. Các nguồn bay hơi được sử dụng phổ biến nhất là nguồn bay hơi điện trở và nguồn bay hơi chùm tia điện tử, và các nguồn bay hơi cho các mục đích đặc biệt bao gồm gia nhiệt cảm ứng tần số cao, gia nhiệt hồ quang, gia nhiệt bức xạ, nguồn bay hơi gia nhiệt bằng laser, v.v. Quy trình: Quy trình cơ bản của chân không sự bốc hơi như sau:

Xử lý trước mạ: bao gồm làm sạch các bộ phận mạ và xử lý trước. Các phương pháp làm sạch cụ thể bao gồm làm sạch bằng chất tẩy rửa, làm sạch bằng dung môi hóa học, làm sạch bằng siêu âm và làm sạch bằng bắn phá ion. Tiền xử lý cụ thể bao gồm loại bỏ tĩnh điện, sơn lót, v.v.

Tải lò: bao gồm làm sạch buồng chân không, làm sạch móc treo mạ, lắp đặt và gỡ lỗi các nguồn bay hơi và phủ áo choàng.

Hút chân không: Nói chung, lần bơm thô đầu tiên lên tới hơn 6,6Pa, bơm chân không bảo trì giai đoạn trước của bơm khuếch tán được mở sớm hơn và bơm khuếch tán được làm nóng. Sau khi làm nóng đủ, mở van cao và bơm đến chân không nền 6×10-3Pa bằng bơm khuếch tán.

Nướng: Nướng các bộ phận được mạ ở nhiệt độ mong muốn.

Bắn phá ion: độ chân không thường là 10Pa~10-1Pa, điện áp bắn phá ion là điện áp cao âm 200V ~ 1kV và thời gian khởi hành là 5 phút ~ 30 phút,

Làm nóng chảy trước: Điều chỉnh dòng điện để làm nóng chảy trước vật liệu mạ và khử khí trong 1 phút ~ 2 phút.

Lắng đọng bay hơi: Điều chỉnh dòng bay hơi theo yêu cầu cho đến khi kết thúc thời gian lắng mong muốn. 8. Làm mát: Các bộ phận mạ được làm mát đến nhiệt độ nhất định trong buồng chân không.

9. Lò nung: Sau khi gắp, đóng buồng chân không, hút chân không đến 1×10-1Pa, bơm khuếch tán được làm nguội đến nhiệt độ cho phép trước khi tắt bơm bảo trì và nước làm mát.

◈ Phún xạ PVD

Lớp phủ phún xạ đề cập đến việc sử dụng các hạt thu được năng lượng (chẳng hạn như ion argon) để bắn phá bề mặt vật liệu mục tiêu trong điều kiện chân không, để các nguyên tử trên bề mặt vật liệu mục tiêu có thể thu được đủ năng lượng để thoát ra, quá trình này là gọi là phún xạ. Mục tiêu phún xạ được lắng đọng trên bề mặt chất nền, được gọi là lớp phủ phún xạ.

Các nguyên tử Argon (Ar) có thể bị ion hóa thành các ion argon (Ar+) bằng cách nạp argon (Ar) vào môi trường chân không và phóng ra argon ở điện áp cao. Dưới tác dụng của lực điện trường, các ion argon đẩy nhanh quá trình bắn phá mục tiêu cực âm làm bằng vật liệu mạ, mục tiêu sẽ bị bắn ra ngoài và đọng lại trên bề mặt phôi.

Lớp phủ phún xạ có thể được chia thành phún xạ DC, phún xạ tần số vô tuyến và phún xạ magnetron, và nguồn điện áp phóng điện phát sáng và trường điều khiển tương ứng là dòng điện một chiều điện áp cao, dòng điện xoay chiều tần số vô tuyến (RF) và trường magnetron (M).

Lớp phủ phún xạ, tốc độ lắng đọng cao, độ lặp lại quy trình tốt, tự động hóa dễ dàng, thích hợp cho lớp phủ trang trí kiến ​​trúc quy mô lớn và lớp phủ chức năng của vật liệu công nghiệp. Lớp phủ phún xạ cũng đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất mạch tích hợp và thiết bị bán dẫn.

Với sự phát triển của các ngành công nghệ cao và mới nổi, có nhiều điểm nổi bật mới và tiên tiến trong công nghệ lắng đọng hơi vật lý, như công nghệ tương thích mạ ion đa hồ quang và phún xạ magnetron, mục tiêu hồ quang dài hình chữ nhật lớn và mục tiêu phún xạ, không cân bằng mục tiêu phún xạ magnetron, công nghệ mục tiêu kép, công nghệ phủ cuộn dây lắng đọng nhiều hồ quang bằng bọt ruy băng, công nghệ phủ cuộn dây vải sợi, v.v., việc sử dụng bộ thiết bị phủ hoàn chỉnh, để máy tính tự động hóa, phát triển quy mô công nghiệp hóa chất quy mô lớn.

◈ Lớp phủ ion

Nguyên lý cơ bản của phủ ion là sử dụng công nghệ ion hóa plasma trong điều kiện chân không để ion hóa một phần nguyên tử của vật liệu mạ thành ion, đồng thời tạo ra nhiều nguyên tử trung hòa năng lượng cao. Một độ lệch âm được áp dụng cho chất nền cần mạ, do đó dưới tác động của độ lệch âm sâu, các ion được lắng đọng trên bề mặt chất nền để tạo thành một màng mỏng.

Với sự trợ giúp của quá trình phóng điện khí trơ, lớp phủ ion làm cho vật liệu mạ (chẳng hạn như titan kim loại) khí hóa, bay hơi và ion hóa, đồng thời các ion được điện trường tăng tốc để bắn phá bề mặt phôi với năng lượng cao hơn, lúc này Theo thời gian, nếu carbon dioxide, nitơ và các khí phản ứng khác được đưa vào, có thể thu được các lớp phủ TiC và TiN trên bề mặt phôi và độ cứng lên tới 2000HV.

Lớp phủ ion là một trong những quy trình phủ được sử dụng rộng rãi nhất trong phương pháp lắng đọng hơi vật lý.

Ưu điểm của nó như sau:

①Độ bám dính giữa lớp màng và chất nền mạnh và nhiệt độ phản ứng thấp.

②Lớp màng đồng đều và dày đặc.

③Mạ cuộn dây tốt dưới áp suất phân cực âm.

④Không ô nhiễm.

⑤Có nhiều loại vật liệu nền phù hợp cho việc mạ ion.

Với sự phát triển của công nghệ phủ ion, nhiều cách công nghệ phủ ion khác nhau đã xuất hiện như: mạ ion phản ứng, phủ plasma, mạ ion đa hồ quang, v.v. Tôi sẽ không đề cập hết ở đây.

PVDThiết bị

Thiết bị lắng đọng hơi vật lý bao gồm máy phủ bay hơi chân không, máy phủ phún xạ chân không và máy phủ ion chân không. Hình dưới đây cho thấy nguyên lý cấu trúc của máy phủ bay hơi chân không

Hình dưới đây cho thấy sơ đồ cấu trúc thiết bị của lớp phủ phún xạ

Hình dưới đây cho thấy sơ đồ cấu trúc của thiết bị phủ ion

ALDQuá trình

ALD: Lắng đọng lớp nguyên tử là công nghệ lắng đọng màng mỏng có độ chính xác cao dựa trên lắng đọng hơi hóa học (CVD), là công nghệ lắng đọng vật liệu vật liệu từng lớp trên bề mặt chất nền dưới dạng một màng nguyên tử duy nhất dựa trên Pha hơi hóa học. Không giống như CVD thông thường, ALD là sự lắng đọng trong đó các tiền chất phản ứng được lắng đọng xen kẽ và phản ứng hóa học của màng nguyên tử mới liên quan trực tiếp đến lớp trước đó, do đó chỉ có một lớp nguyên tử được lắng đọng trong mỗi phản ứng.

Chỉ có một lớp nguyên tử được lắng đọng trong mỗi phản ứng, lớp này có khả năng tự giới hạn, cho phép màng được lắng đọng trên chất nền phù hợp và không có lỗ kim. Kết quả là độ dày của màng có thể được kiểm soát chính xác bằng cách kiểm soát số chu kỳ lắng đọng.

Vật liệu lắng đọng ALD bao gồm kim loại, oxit, carbon (nitơ, lưu huỳnh, silicon), các vật liệu bán dẫn khác nhau và vật liệu siêu dẫn. Khi các mạch tích hợp ngày càng tích hợp nhiều hơn và nhỏ hơn, các chất điện môi cổng có hằng số điện môi cao (k cao) đang dần thay thế các cổng oxit silicon truyền thống và tỷ lệ khung hình ngày càng lớn hơn, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về khả năng bao phủ bước của công nghệ lắng đọng, vì vậy ALD ngày càng được áp dụng như một quy trình lắng đọng mới có thể đáp ứng các yêu cầu trên.

Một chu trình ALD có thể được chia thành bốn bước:

Khí tiền chất đầu tiên được đưa vào chất nền và sự hấp phụ hoặc phản ứng hóa học xảy ra với bề mặt của chất nền;

Xả khí còn lại bằng khí trơ;

Đưa khí tiền chất thứ hai vào; phản ứng hóa học với khí tiền chất thứ nhất hấp phụ trên bề mặt nền để tạo thành lớp phủ hoặc sản phẩm phản ứng với tiền chất thứ nhất và nền tiếp tục phản ứng tạo thành lớp phủ;

Rửa sạch khí thừa bằng khí trơ một lần nữa.

Tính năng và ưu điểm của công nghệ ALD:

Tính phù hợp ba chiều tuyệt vời: ALD tạo ra một lớp màng phù hợp với hình dạng của chất nền ban đầu, tức là màng có thể được lắng đọng đồng đều trên bề mặt giống như lõm. Vì vậy, nó phù hợp với các chất nền có hình dạng khác nhau; Phim ba chiều đồng nhất, hình dạng nhất quán và phù hợp là những ưu điểm độc đáo của công nghệ ALD.

Độ phẳng cao: Bề mặt không có lỗ kim và cơ chế tăng trưởng từ dưới lên quyết định tính chất không có lỗ kim của màng, rất có giá trị cho các ứng dụng chặn và thụ động.

Độ bám dính tuyệt vời: Sự hấp phụ hóa học của tiền chất lên bề mặt nền đảm bảo độ bám dính tuyệt vời

Ngân sách nhiệt thấp (nhiệt độ lắng đọng thấp): Sự tăng trưởng màng mỏng có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng đến 400 độ), rất hấp dẫn đối với các thiết bị polymer và lớp phủ vật liệu sinh học bị hạn chế về nhiệt độ

Độ chính xác cao: Độ dày của màng nền có thể được kiểm soát đơn giản và chính xác bằng cách kiểm soát chu trình phản ứng và độ chính xác về độ dày của màng có thể đạt tới độ dày của một nguyên tử.

Thiết bị ALD

Nhiệt độ xử lý của thiết bị ALD là 50~500 độ, có thể hoạt động ở áp suất bình thường nhưng có xu hướng hoạt động ở điều kiện áp suất thấp (0,1~10Torr). ALD có thể được chia thành lắng đọng nguyên tử nóng và lắng đọng lớp nguyên tử tăng cường plasma (PEALD) theo các phương pháp cung cấp năng lượng khác nhau. ALD nhiệt dựa vào năng lượng nhiệt để kích thích hai hoặc nhiều tiền chất để phản ứng hóa học. Để cung cấp đủ năng lượng kích hoạt phản ứng, thiết bị lắng đọng lớp nguyên tử nhiệt thường hoạt động trong khoảng 200 ~ 500 độ.

Hình ảnh dưới đây cho thấy một thiết bị ALD wafer đơn

0020-24896 VÒNG BÌA 6" SST 101 AL

 

--Kết thúc--