1. Inleiding
Het proces waarbij stoffen (grondstoffen) via fysische of chemische methoden aan het oppervlak van substraatmaterialen worden bevestigd, wordt dunne-filmgroei genoemd.
Volgens verschillende werkingsprincipes kan de dunne-filmafzetting met geïntegreerde circuits worden onderverdeeld in:
-Fysische dampafzetting (PVD);
-Chemische dampafzetting (CVD);
-Verlenging.
2. Groeiproces voor dunne films
2.1 Fysische dampafzetting en sputterproces
Het fysieke dampafzettingsproces (PVD) verwijst naar het gebruik van fysieke methoden zoals vacuümverdamping, sputteren, plasmacoating en moleculaire bundelepitaxie om een dunne film op het oppervlak van een wafer te vormen.
In de VLSI-industrie is sputteren de meest gebruikte PVD-technologie, die voornamelijk wordt gebruikt voor elektroden en metalen verbindingen van geïntegreerde schakelingen. Sputteren is een proces waarbij zeldzame gassen [zoals argon (Ar)] worden geïoniseerd tot ionen (zoals Ar+) onder invloed van een extern elektrisch veld onder omstandigheden van hoog vacuüm, en de materiële doelbron bombarderen onder een omgeving met hoge spanning. het uitschakelen van atomen of moleculen van het doelmateriaal en vervolgens aankomen op het oppervlak van de wafer om een dunne film te vormen na een botsingsvrij vluchtproces. Ar heeft stabiele chemische eigenschappen en de ionen ervan zullen niet chemisch reageren met het doelmateriaal en de film. Nu chips met geïntegreerde schakelingen het tijdperk van koperen verbindingen van 0,13 μm ingaan, gebruikt de koperen barrièremateriaallaag titaniumnitride (TiN) of tantaalnitride (TaN) film. De vraag naar industriële technologie heeft het onderzoek en de ontwikkeling van sputtertechnologie voor chemische reacties bevorderd, dat wil zeggen dat er in de sputterkamer naast Ar ook een reactief gasstikstof (N2) aanwezig is, zodat het Ti of Ta dat vanuit de sputterkamer wordt gebombardeerd doelmateriaal Ti of Ta reageert met N2 om de vereiste TiN- of TaN-film te genereren.
Er zijn drie veelgebruikte sputtermethoden, namelijk DC-sputteren, RF-sputteren en magnetronsputteren. Naarmate de integratie van geïntegreerde schakelingen blijft toenemen, neemt het aantal lagen meerlaagse metalen bedrading toe en wordt de toepassing van PVD-technologie steeds uitgebreider. PVD-materialen omvatten Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2, enz.
PVD- en sputterprocessen worden gewoonlijk voltooid in een goed afgesloten reactiekamer met een vacuümgraad van 1×10-7 tot 9×10-9 Torr, wat de zuiverheid van het gas tijdens de reactie kan garanderen; Tegelijkertijd is een externe hoge spanning vereist om het edelgas te ioniseren en een spanning te genereren die hoog genoeg is om het doel te bombarderen. De belangrijkste parameters voor het evalueren van PVD- en sputterprocessen omvatten de hoeveelheid stof, evenals de weerstandswaarde, uniformiteit, reflectiviteitsdikte en spanning van de gevormde film.
2.2 Chemische dampafzetting en sputterproces
Chemische dampafzetting (CVD) verwijst naar een procestechnologie waarbij een verscheidenheid aan gasvormige reactanten met verschillende partiële drukken chemisch reageren bij een bepaalde temperatuur en druk, en de gegenereerde vaste stoffen worden afgezet op het oppervlak van het substraatmateriaal om de gewenste dunne laag te verkrijgen. film. Bij het traditionele productieproces van geïntegreerde schakelingen zijn de verkregen dunne-filmmaterialen doorgaans verbindingen zoals oxiden, nitriden, carbiden of materialen zoals polykristallijn silicium en amorf silicium. Selectieve epitaxiale groei, die vaker wordt gebruikt na het 45 nm-knooppunt, zoals source en drain SiGe of Si-selectieve epitaxiale groei, is ook een CVD-technologie.
Deze technologie kan doorgaan met het vormen van éénkristalmaterialen van hetzelfde type of vergelijkbaar met het oorspronkelijke rooster op een enkelkristalsubstraat van silicium of andere materialen langs het oorspronkelijke rooster. CVD wordt veel gebruikt bij de groei van isolerende diëlektrische films (zoals SiO2, Si3N4 en SiON, enz.) en metaalfilms (zoals wolfraam, enz.).
In het algemeen kan CVD volgens de drukclassificatie worden onderverdeeld in chemische dampdepositie onder atmosferische druk (APCVD), chemische dampdepositie onder atmosferische druk (SAPCVD) en chemische dampdepositie onder lage druk (LPCVD).
Volgens de temperatuurclassificatie kan CVD worden onderverdeeld in chemische dampafzetting op hoge temperatuur/lage temperatuur (HTO/LTO CVD) en snelle thermische chemische dampafzetting (Rapid Thermal CVD, RTCVD);
Volgens de reactiebron kan CVD worden onderverdeeld in op silaan gebaseerde CVD, op polyester gebaseerde CVD (op TEOS gebaseerde CVD) en metaalorganische chemische dampafzetting (MOCVD);
Volgens de energieclassificatie kan CVD worden onderverdeeld in thermische chemische dampdepositie (Thermal CVD), plasma-versterkte chemische dampdepositie (Plasma Enhanced CVD, PECVD) en plasma-chemische dampdepositie met hoge dichtheid (High Density Plasma CVD, HDPCVD). Onlangs is ook stroombare chemische dampafzetting (Flowable CVD, FCVD) met uitstekend vermogen om gaten op te vullen ontwikkeld.
Verschillende CVD-gekweekte films hebben verschillende eigenschappen (zoals chemische samenstelling, diëlektrische constante, spanning, spanning en doorslagspanning) en kunnen afzonderlijk worden gebruikt volgens verschillende procesvereisten (zoals temperatuur, stapdekking, vulvereisten, enz.).
2.3 Depositieproces van atomaire lagen
Atomaire laagafzetting (ALD) verwijst naar de afzetting van atomen laag voor laag op een substraatmateriaal door laag voor laag een enkele atomaire film te laten groeien. Een typische ALD gebruikt de methode om gasvormige precursoren op een afwisselend gepulseerde manier in de reactor te brengen.
Eerst wordt bijvoorbeeld de reactievoorloper 1 in het substraatoppervlak geïntroduceerd en na chemische adsorptie wordt een enkele atomaire laag op het substraatoppervlak gevormd; vervolgens wordt de precursor 1 die op het substraatoppervlak en in de reactiekamer achterblijft, door een luchtpomp weggepompt; vervolgens wordt de reactievoorloper 2 geïntroduceerd in het substraatoppervlak, en reageert hij chemisch met de voorloper 1 geadsorbeerd op het substraatoppervlak om het overeenkomstige dunne-filmmateriaal en de overeenkomstige bijproducten op het substraatoppervlak te genereren; wanneer de voorloper 1 volledig reageert, zal de reactie automatisch eindigen, wat het zelfbeperkende kenmerk van ALD is, en vervolgens worden de resterende reactanten en bijproducten geëxtraheerd om zich voor te bereiden op de volgende groeifase; door het bovenstaande proces continu te herhalen, kan de afzetting van dunne-filmmaterialen die laag voor laag met enkele atomen zijn gegroeid, worden bereikt.
Zowel ALD als CVD zijn manieren om een gasvormige chemische reactiebron te introduceren om chemisch te reageren op het substraatoppervlak, maar het verschil is dat de gasvormige reactiebron van CVD niet het kenmerk heeft van zelflimiterende groei. Het is duidelijk dat de sleutel tot de ontwikkeling van ALD-technologie het vinden van precursoren met zelfbeperkende reactie-eigenschappen is.
2.4 Epitaxiaal proces
Epitaxiaal proces verwijst naar het proces waarbij een volledig geordende enkele kristallaag op een substraat groeit. Over het algemeen bestaat het epitaxiale proces uit het laten groeien van een kristallaag met dezelfde roosteroriëntatie als het oorspronkelijke substraat op een monokristallijn substraat. Epitaxiale processen worden veel gebruikt bij de productie van halfgeleiders, zoals epitaxiale siliciumwafels in de geïntegreerde schakelingenindustrie, ingebedde source- en drain-epitaaxiale groei van MOS-transistors, epitaxiale groei op LED-substraten, enz.
Volgens de verschillende fasetoestanden van de groeibron kunnen epitaxiale groeimethoden worden onderverdeeld in epitaxie in de vaste fase, epitaxie in de vloeibare fase en epitaxie in de dampfase. Bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen zijn de algemeen gebruikte epitaxiale methoden vaste-fase-epitaxie en dampfase-epitaxie.
Vaste-fase-epitaxie: verwijst naar de groei van een enkele kristallaag op een substraat met behulp van een vaste bron. Thermisch uitgloeien na ionenimplantatie is bijvoorbeeld feitelijk een epitaxieproces in de vaste fase. Tijdens ionenimplantatie worden de siliciumatomen van de siliciumwafel gebombardeerd door geïmplanteerde ionen met hoge energie, waardoor hun oorspronkelijke roosterposities achterblijven en amorf worden, waardoor een amorfe siliciumlaag aan het oppervlak wordt gevormd. Na thermisch uitgloeien bij hoge temperatuur keren de amorfe atomen terug naar hun roosterposities en blijven consistent met de atomaire kristaloriëntatie in het substraat.
De groeimethoden van dampfase-epitaxie omvatten chemische dampfase-epitaxie, moleculaire bundelepitaxie, atomaire laagepitaxie, enz. Bij de productie van geïntegreerde schakelingen wordt chemische dampfase-epitaxie het meest gebruikt. Het principe van epitaxie in de chemische dampfase is in principe hetzelfde als dat van chemische dampafzetting. Beide zijn processen waarbij dunne films worden afgezet door na het mengen van gas chemisch te reageren op het oppervlak van wafers.
Het verschil is dat omdat chemische dampfase-epitaxie een enkele kristallaag laat groeien, er hogere eisen worden gesteld aan het onzuiverheidsgehalte in de apparatuur en de reinheid van het waferoppervlak. Het vroege epitaxiale siliciumproces in de chemische dampfase moet worden uitgevoerd onder omstandigheden van hoge temperatuur (hoger dan 1000 ° C). Met de verbetering van procesapparatuur, vooral de toepassing van vacuümuitwisselingskamertechnologie, is de reinheid van de apparatuurholte en het oppervlak van de siliciumwafel aanzienlijk verbeterd en kan siliciumepitaxie worden uitgevoerd bij een lagere temperatuur (600-700 ° C). C). Bij het epitaxiale siliciumwafelproces wordt een laag monokristallijn silicium op het oppervlak van de siliciumwafel gegroeid.
Vergeleken met het originele siliciumsubstraat heeft de epitaxiale siliciumlaag een hogere zuiverheid en minder roosterdefecten, waardoor de opbrengst van de halfgeleiderproductie wordt verbeterd. Bovendien kunnen de groeidikte en de doteringsconcentratie van de epitaxiale siliciumlaag die op de siliciumwafel is gegroeid flexibel worden ontworpen, wat flexibiliteit geeft aan het ontwerp van het apparaat, zoals het verminderen van de substraatweerstand en het verbeteren van de substraatisolatie. Het ingebedde source-drain epitaxiale proces is een technologie die veel wordt gebruikt in knooppunten van geavanceerde logische technologie.
Het verwijst naar het proces van het epitaxiaal groeien van gedoteerd germaniumsilicium of silicium in de source- en draingebieden van MOS-transistors. De belangrijkste voordelen van de introductie van het ingebedde source-drain epitaxiale proces zijn onder meer: het laten groeien van een pseudokristallijne laag die spanning bevat als gevolg van roosteraanpassing, waardoor de mobiliteit van kanaaldragers wordt verbeterd; in-situ dotering van de source en drain kan de parasitaire weerstand van de source-drain-overgang verminderen en de defecten van hoogenergetische ionenimplantatie verminderen.
3. apparatuur voor dunnefilmgroei
3.1 Apparatuur voor vacuümverdamping
Vacuümverdamping is een coatingmethode waarbij vaste materialen in een vacuümkamer worden verwarmd om ze te laten verdampen, verdampen of sublimeren, en vervolgens bij een bepaalde temperatuur te condenseren en af te zetten op het oppervlak van een substraatmateriaal.
Meestal bestaat het uit drie delen, namelijk het vacuümsysteem, het verdampingssysteem en het verwarmingssysteem. Het vacuümsysteem bestaat uit vacuümleidingen en vacuümpompen en heeft als belangrijkste functie het bieden van een gekwalificeerde vacuümomgeving voor verdamping. Het verdampingssysteem bestaat uit een verdampingstabel, een verwarmingscomponent en een temperatuurmeetcomponent.
Het te verdampen doelmateriaal (zoals Ag, Al, etc.) wordt op de verdampingstafel geplaatst; De verwarmings- en temperatuurmetingscomponent is een gesloten systeem dat wordt gebruikt om de verdampingstemperatuur te regelen om een soepele verdamping te garanderen. Het verwarmingssysteem bestaat uit een wafeltrap en een verwarmingscomponent. Het waferplatform wordt gebruikt om het substraat te plaatsen waarop de dunne film moet worden verdampt, en de verwarmingscomponent wordt gebruikt om de feedbackcontrole van substraatverwarming en temperatuurmeting te realiseren.
De vacuümomgeving is een zeer belangrijke voorwaarde in het vacuümverdampingsproces, dat verband houdt met de verdampingssnelheid en de kwaliteit van de film. Als de vacuümgraad niet aan de vereisten voldoet, zullen de verdampte atomen of moleculen vaak in botsing komen met de resterende gasmoleculen, waardoor hun gemiddelde vrije weg kleiner wordt, en de atomen of moleculen zullen zich ernstig verspreiden, waardoor de bewegingsrichting verandert en de film wordt verminderd. vormingssnelheid.
Bovendien is de afgezette film, vanwege de aanwezigheid van resterende onzuiverheidsgasmoleculen, ernstig vervuild en van slechte kwaliteit, vooral wanneer de drukstijging in de kamer niet aan de norm voldoet en er lekkage is, zal er lucht in de vacuümkamer lekken. , wat een ernstige impact zal hebben op de filmkwaliteit.
De structurele kenmerken van de vacuümverdampingsapparatuur bepalen dat de uniformiteit van de coating op substraten van groot formaat slecht is. Om de uniformiteit ervan te verbeteren, wordt over het algemeen de methode van het vergroten van de bron-substraatafstand en het roteren van het substraat toegepast, maar het vergroten van de bron-substraatafstand zal de groeisnelheid en zuiverheid van de film opofferen. Tegelijkertijd wordt, als gevolg van de toename van de vacuümruimte, de benuttingsgraad van het verdampte materiaal verminderd.
3.2 Apparatuur voor fysieke dampafzetting met gelijkstroom
Gelijkstroom fysische dampafzetting (DCPVD) is ook bekend als kathodesputteren of vacuüm DC tweetraps sputteren. Het doelmateriaal van vacuüm-DC-sputteren wordt gebruikt als kathode en het substraat wordt gebruikt als anode. Vacuümsputteren is het vormen van een plasma door het procesgas te ioniseren.
De geladen deeltjes in het plasma worden in het elektrische veld versneld om een bepaalde hoeveelheid energie te verkrijgen. De deeltjes met voldoende energie bombarderen het oppervlak van het doelmateriaal, zodat de doelatomen eruit worden gesputterd; de gesputterde atomen met een bepaalde kinetische energie bewegen naar het substraat en vormen een dunne film op het oppervlak van het substraat. Het gas dat voor het sputteren wordt gebruikt, is over het algemeen een edelgas, zoals argon (Ar), zodat de door het sputteren gevormde film niet verontreinigd raakt; bovendien is de atoomstraal van argon geschikter voor sputteren.
De grootte van de sputterdeeltjes moet dichtbij de grootte van de te sputteren doelatomen liggen. Als de deeltjes te groot of te klein zijn, kan er geen effectief sputteren plaatsvinden. Naast de groottefactor van het atoom zal ook de massafactor van het atoom de sputterkwaliteit beïnvloeden. Als de sputterdeeltjesbron te licht is, zullen de doelatomen niet worden gesputterd; als de sputterdeeltjes te zwaar zijn, zal het doel "gebogen" zijn en zal het doel niet sputteren.
Het doelmateriaal dat bij DCPVD wordt gebruikt, moet een geleider zijn. Dit komt omdat wanneer de argonionen in het procesgas het doelmateriaal bombarderen, zij zullen recombineren met de elektronen op het oppervlak van het doelmateriaal. Wanneer het doelmateriaal een geleider is, zoals een metaal, worden de elektronen die door deze recombinatie worden verbruikt gemakkelijker aangevuld door de stroomvoorziening en worden elektronen in andere delen van het doelmateriaal vrijgemaakt door elektrische geleiding, zodat het oppervlak van het doelmateriaal als een geleider wordt gebruikt. het geheel blijft negatief geladen en het sputteren blijft behouden.
Integendeel, als het doelmateriaal een isolator is, kunnen, nadat de elektronen op het oppervlak van het doelmateriaal zijn gerecombineerd, de vrije elektronen in andere delen van het doelmateriaal niet worden aangevuld door elektrische geleiding, en zullen zelfs positieve ladingen zich ophopen op het oppervlak van het doelmateriaal. oppervlak van het doelmateriaal, waardoor het doelmateriaalpotentieel stijgt en de negatieve lading van het doelmateriaal verzwakt totdat deze verdwijnt, wat uiteindelijk leidt tot het beëindigen van het sputteren.
Om isolatiematerialen ook bruikbaar te maken voor sputteren is het daarom noodzakelijk om een andere sputtermethode te vinden. Radiofrequentiesputteren is een sputtermethode die geschikt is voor zowel geleidende als niet-geleidende doelen.
Een ander nadeel van DCPVD is dat de ontstekingsspanning hoog is en het elektronenbombardement op het substraat sterk is. Een effectieve manier om dit probleem op te lossen is het gebruik van magnetronsputteren, dus magnetronsputteren is echt van praktische waarde op het gebied van geïntegreerde schakelingen.
3.3 RF-apparatuur voor fysieke dampafzetting
Radiofrequentie fysische dampafzetting (RFPVD) maakt gebruik van radiofrequentievermogen als excitatiebron en is een PVD-methode die geschikt is voor een verscheidenheid aan metalen en niet-metalen materialen.
De gebruikelijke frequenties van de RF-voeding die in RFPVD wordt gebruikt, zijn 13,56 MHz, 20 MHz en 60 MHz. De positieve en negatieve cycli van de RF-voeding verschijnen afwisselend. Wanneer het PVD-doel zich in de positieve halve cyclus bevindt, zullen de elektronen in de procesatmosfeer, omdat het doeloppervlak een positieve potentiaal heeft, naar het doeloppervlak stromen om de positieve lading die zich op het oppervlak heeft opgehoopt te neutraliseren, en zelfs doorgaan met het accumuleren van elektronen. het oppervlak negatief bevooroordeeld maken; wanneer het sputterdoel zich in de negatieve halve cyclus bevindt, zullen de positieve ionen naar het doel bewegen en gedeeltelijk worden geneutraliseerd op het doeloppervlak.
Het meest kritische is dat de bewegingssnelheid van elektronen in het elektrische RF-veld veel sneller is dan die van positieve ionen, terwijl de tijd van de positieve en negatieve halve cycli hetzelfde is, dus na een volledige cyclus zal het doeloppervlak “netto” negatief geladen. Daarom vertoont de negatieve lading van het doeloppervlak in de eerste paar cycli een stijgende trend; daarna bereikt het doeloppervlak een stabiel negatief potentieel; omdat de negatieve lading van het doel daarna een afstotend effect heeft op elektronen, heeft de hoeveelheid positieve en negatieve ladingen die door de doelelektrode worden ontvangen de neiging in evenwicht te komen, en vertoont het doel een stabiele negatieve lading.
Uit het bovenstaande proces blijkt dat het proces van negatieve spanningsvorming niets te maken heeft met de eigenschappen van het doelmateriaal zelf, dus de RFPVD-methode kan niet alleen het probleem van het sputteren van isolerende doelen oplossen, maar is ook goed compatibel met conventionele metalen geleiderdoelen.
3.4 Magnetronsputterapparatuur
Magnetronsputteren is een PVD-methode waarbij magneten aan de achterkant van het doel worden toegevoegd. De toegevoegde magneten en het gelijkstroomvoedingssysteem (of wisselstroomvoeding) vormen een magnetronsputterbron. De sputterbron wordt gebruikt om een interactief elektromagnetisch veld in de kamer te vormen, het bewegingsbereik van elektronen in het plasma in de kamer vast te leggen en te beperken, het bewegingspad van elektronen te verlengen en zo de concentratie van het plasma te verhogen, en uiteindelijk meer te bereiken afzetting.
Bovendien wordt, omdat er meer elektronen gebonden zijn nabij het oppervlak van het doel, het bombardement van het substraat door elektronen verminderd, en wordt de temperatuur van het substraat verlaagd. Vergeleken met de vlakke plaat DCPVD-technologie is een van de meest voor de hand liggende kenmerken van de fysieke dampafzettingstechnologie in de magnetron dat de ontladingsspanning lager en stabieler is.
Vanwege de hogere plasmaconcentratie en het grotere sputterrendement kan het een uitstekende afzettingsefficiëntie, beheersing van de afzettingsdikte in een groot bereik, nauwkeurige samenstellingscontrole en een lagere ontstekingsspanning bereiken. Daarom bevindt magnetronsputteren zich in een dominante positie in de huidige metaalfilm PVD. Het eenvoudigste ontwerp van een magnetronsputterbron is het plaatsen van een groep magneten op de achterkant van het platte doel (buiten het vacuümsysteem) om een magnetisch veld te genereren parallel aan het doeloppervlak in een lokaal gebied op het doeloppervlak.
Als een permanente magneet wordt geplaatst, is het magnetische veld ervan relatief vast, wat resulteert in een relatief vaste magnetische veldverdeling op het doeloppervlak in de kamer. Alleen materialen in specifieke gebieden van het doel worden gesputterd, de doelbenuttingsgraad is laag en de uniformiteit van de vervaardigde film is slecht.
Er is een zekere waarschijnlijkheid dat de gesputterde metaal- of andere materiaaldeeltjes terug op het doeloppervlak worden afgezet, waardoor ze zich tot deeltjes aggregeren en defectverontreiniging vormen. Daarom gebruiken commerciële magnetronsputterbronnen meestal een roterend magneetontwerp om de filmuniformiteit, de doelbenuttingsgraad en het volledige doelsputteren te verbeteren.
Het is van cruciaal belang om deze drie factoren in evenwicht te brengen. Als de balans niet goed wordt gehanteerd, kan dit resulteren in een goede filmuniformiteit, terwijl de benuttingsgraad van het doel aanzienlijk wordt verminderd (de levensduur van het doel wordt verkort), of er niet in slaagt volledig doelsputteren of volledige doelcorrosie te bereiken, wat deeltjesproblemen zal veroorzaken tijdens het sputteren. proces.
Bij magnetron-PVD-technologie is het noodzakelijk om rekening te houden met het roterende magneetbewegingsmechanisme, de doelvorm, het doelkoelsysteem en de magnetronsputterbron, evenals met de functionele configuratie van de basis die de wafer draagt, zoals waferadsorptie en temperatuurregeling. Bij het PVD-proces wordt de temperatuur van de wafer gecontroleerd om de vereiste kristalstructuur, korrelgrootte en oriëntatie te verkrijgen, evenals de stabiliteit van de prestaties.
Omdat de warmtegeleiding tussen de achterkant van de wafer en het oppervlak van de basis een bepaalde druk vereist, meestal in de orde van enkele Torr, en de werkdruk van de kamer gewoonlijk in de orde van enkele mTorr ligt, is de druk op de achterkant van de wafel is veel groter dan de druk op het bovenoppervlak van de wafel, dus is een mechanische klem of een elektrostatische klem nodig om de wafel te positioneren en te beperken.
De mechanische spantang is afhankelijk van zijn eigen gewicht en de rand van de wafer om deze functie te vervullen. Hoewel het de voordelen heeft van een eenvoudige structuur en ongevoeligheid voor het materiaal van de wafel, is het randeffect van de wafel duidelijk, wat niet bevorderlijk is voor de strikte controle van deeltjes. Daarom is het tijdens het IC-fabricageproces geleidelijk vervangen door een elektrostatische klem.
Voor processen die niet bijzonder temperatuurgevoelig zijn, kan ook een niet-adsorptie, niet-randcontact-rekmethode (geen drukverschil tussen de boven- en onderoppervlakken van de wafer) worden gebruikt. Tijdens het PVD-proces worden de kamerbekleding en het oppervlak van de onderdelen die in contact komen met het plasma afgezet en bedekt. Wanneer de aangebrachte filmdikte de limiet overschrijdt, zal de film barsten en loslaten, waardoor deeltjesproblemen ontstaan.
Daarom is de oppervlaktebehandeling van onderdelen zoals de voering de sleutel tot het verlengen van deze limiet. Oppervlaktezandstralen en aluminiumspuiten zijn twee veelgebruikte methoden, die tot doel hebben de oppervlakteruwheid te vergroten om de hechting tussen de film en het bekledingsoppervlak te versterken.
3.5 Apparatuur voor ionisatie-fysieke dampafzetting
Met de voortdurende ontwikkeling van de micro-elektronicatechnologie worden de afmetingen van kenmerken steeds kleiner. Omdat PVD-technologie de afzettingsrichting van deeltjes niet kan controleren, is het vermogen van PVD om door gaten en smalle kanalen met hoge aspectverhoudingen binnen te dringen beperkt, waardoor de uitgebreide toepassing van traditionele PVD-technologie steeds meer wordt uitgedaagd. Bij het PVD-proces neemt de dekking aan de onderkant af naarmate de aspectverhouding van de poriegroef toeneemt, waardoor een dakrandachtige overhangende structuur wordt gevormd in de bovenhoek en de zwakste dekking in de onderhoek.
Om dit probleem op te lossen, is de geïoniseerde fysieke dampdepositietechnologie ontwikkeld. Het plasmatiseert eerst de metaalatomen die op verschillende manieren uit het doel worden gesputterd, en past vervolgens de voorspanning aan die op de wafer is geladen om de richting en energie van de metaalionen te regelen om een stabiele directionele metaalionenstroom te verkrijgen om een dunne film te bereiden, waardoor de de dekking van de onderkant van de treden met een hoge aspectverhouding door gaten en smalle kanalen.
Het typische kenmerk van de geïoniseerde metaalplasmatechnologie is de toevoeging van een radiofrequentiespoel in de kamer. Tijdens het proces wordt de werkdruk van de kamer op een relatief hoge staat gehouden (5 tot 10 keer de normale werkdruk). Tijdens PVD wordt de radiofrequentiespoel gebruikt om het tweede plasmagebied te genereren, waarin de argonplasmaconcentratie toeneemt met de toename van het radiofrequentievermogen en de gasdruk. Wanneer de metaalatomen die uit het doel worden gesputterd, door dit gebied gaan, interageren ze met het argonplasma met hoge dichtheid om metaalionen te vormen.
Het toepassen van een RF-bron op de waferdrager (zoals een elektrostatische klem) kan de negatieve voorspanning op de wafer vergroten, waardoor positieve metaalionen naar de bodem van de poriëngroef worden aangetrokken. Deze gerichte metaalionenstroom loodrecht op het waferoppervlak verbetert de bedekking van de bodem van poriën met een hoge aspectverhouding en smalle kanalen.
De negatieve voorspanning die op de wafel wordt uitgeoefend, zorgt er ook voor dat ionen het wafeloppervlak bombarderen (omgekeerd sputteren), waardoor de overhangende structuur van de poriegroefmond verzwakt en de film die op de bodem is afgezet op de zijwanden bij de hoeken van de bodem van de porie wordt gesputterd. groef, waardoor de stapdekking op de hoeken wordt verbeterd.
3.6 Atmosferische druk Apparatuur voor chemische dampafzetting
Apparatuur voor chemische dampafzetting bij atmosferische druk (APCVD) verwijst naar een apparaat dat een gasvormige reactiebron met een constante snelheid op het oppervlak van een verwarmd vast substraat spuit onder een omgeving met een druk dichtbij atmosferische druk, waardoor de reactiebron chemisch reageert op het substraatoppervlak, en het reactieproduct wordt afgezet op het substraatoppervlak om een dunne film te vormen.
APCVD-apparatuur is de eerste CVD-apparatuur en wordt nog steeds veel gebruikt in de industriële productie en wetenschappelijk onderzoek. APCVD-apparatuur kan worden gebruikt om dunne films te bereiden, zoals monokristallijn silicium, polykristallijn silicium, siliciumdioxide, zinkoxide, titaniumdioxide, fosfosilicaatglas en borofosfosilicaatglas.
3.7 Apparatuur voor chemische dampafzetting onder lage druk
Apparatuur voor chemische dampafzetting met lage druk (LPCVD) verwijst naar apparatuur die gasvormige grondstoffen gebruikt om chemisch te reageren op het oppervlak van een vast substraat onder een verwarmde (350-1100°C) en lagedruk (10-100 mTorr) omgeving, en de reactanten worden op het substraatoppervlak afgezet om een dunne film te vormen. LPCVD-apparatuur is ontwikkeld op basis van APCVD om de kwaliteit van dunne films te verbeteren, de distributie-uniformiteit van karakteristieke parameters zoals filmdikte en weerstand te verbeteren en de productie-efficiëntie te verbeteren.
Het belangrijkste kenmerk is dat het procesgas in een thermische veldomgeving met lage druk chemisch reageert op het oppervlak van het wafersubstraat, en dat de reactieproducten op het substraatoppervlak worden afgezet om een dunne film te vormen. LPCVD-apparatuur heeft voordelen bij de bereiding van dunne films van hoge kwaliteit en kan worden gebruikt voor het bereiden van dunne films zoals siliciumoxide, siliciumnitride, polysilicium, siliciumcarbide, galliumnitride en grafeen.
Vergeleken met APCVD verhoogt de lagedrukreactieomgeving van LPCVD-apparatuur het gemiddelde vrije pad en de diffusiecoëfficiënt van het gas in de reactiekamer.
Het reactiegas en de draaggasmoleculen in de reactiekamer kunnen in korte tijd gelijkmatig worden verdeeld, waardoor de uniformiteit van de filmdikte, de uniformiteit van de weerstand en de stapdekking van de film aanzienlijk worden verbeterd, en het verbruik van reactiegas is ook klein. Bovendien versnelt de lagedrukomgeving ook de transmissiesnelheid van gassubstanties. Onzuiverheden en bijproducten van de reactie die uit het substraat worden gediffundeerd, kunnen snel via de grenslaag uit de reactiezone worden gehaald, en het reactiegas passeert snel de grenslaag om het substraatoppervlak te bereiken voor reactie, waardoor zelfdotering effectief wordt onderdrukt, waardoor films van hoge kwaliteit met steile overgangszones, en ook een verbetering van de productie-efficiëntie.
3.8 Plasma-versterkte apparatuur voor chemische dampafzetting
Plasma-enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) is een veelgebruikte techniekhin filmdepositietechnologie. Tijdens het plasmaproces wordt de gasvormige precursor onder invloed van plasma geïoniseerd om geëxciteerde actieve groepen te vormen, die naar het substraatoppervlak diffunderen en vervolgens chemische reacties ondergaan om de filmgroei te voltooien.
Afhankelijk van de frequentie van plasmageneratie kan het plasma dat bij PECVD wordt gebruikt, worden onderverdeeld in twee typen: radiofrequentieplasma (RF-plasma) en microgolfplasma (microgolfplasma). Momenteel is de radiofrequentie die in de industrie wordt gebruikt over het algemeen 13,56 MHz.
De introductie van radiofrequentieplasma wordt doorgaans in twee typen verdeeld: capacitieve koppeling (CCP) en inductieve koppeling (ICP). De capacitieve koppelingsmethode is gewoonlijk een directe plasmareactiemethode; terwijl de inductieve koppelingsmethode een directe plasmamethode of een plasmamethode op afstand kan zijn.
Bij productieprocessen voor halfgeleiders wordt PECVD vaak gebruikt om dunne films te laten groeien op substraten die metalen of andere temperatuurgevoelige structuren bevatten. Op het gebied van de back-end metaalverbinding van geïntegreerde schakelingen is de groei van dunne films op het gebied van de metaalverbinding bijvoorbeeld onderhevig aan het feit dat de source-, gate- en drain-structuren van het apparaat zijn gevormd in het front-end-proces. aan zeer strenge thermische budgetbeperkingen, dus wordt het meestal aangevuld met plasma-ondersteuning. Door de plasmaprocesparameters aan te passen, kunnen de dichtheid, de chemische samenstelling, het onzuiverheidsgehalte, de mechanische taaiheid en de spanningsparameters van de door PECVD gegroeide dunne film binnen een bepaald bereik worden aangepast en geoptimaliseerd.
3.9 Apparatuur voor depositie van atomaire lagen
Atomic Layer Deposition (ALD) is een dunne-filmdepositietechnologie die periodiek groeit in de vorm van een quasi-monoatomaire laag. Het kenmerk ervan is dat de dikte van de afgezette film nauwkeurig kan worden aangepast door het aantal groeicycli te regelen. In tegenstelling tot het chemische dampafzettingsproces (CVD), passeren de twee (of meer) voorlopers in het ALD-proces afwisselend het substraatoppervlak en worden ze effectief geïsoleerd door de spoeling van edelgas.
De twee precursoren zullen zich niet vermengen en elkaar ontmoeten in de gasfase om chemisch te reageren, maar alleen reageren door chemische adsorptie op het substraatoppervlak. In elke ALD-cyclus is de hoeveelheid precursor die op het substraatoppervlak wordt geadsorbeerd gerelateerd aan de dichtheid van de actieve groepen op het substraatoppervlak. Wanneer de reactieve groepen op het substraatoppervlak zijn uitgeput, zal er, zelfs als er een overmaat aan precursor wordt geïntroduceerd, geen chemische adsorptie op het substraatoppervlak optreden.
Dit reactieproces wordt een zelflimiterende oppervlaktereactie genoemd. Dit procesmechanisme zorgt ervoor dat de dikte van de film die in elke cyclus van het ALD-proces wordt gegroeid constant is, zodat het ALD-proces de voordelen heeft van een nauwkeurige diktecontrole en een goede dekking van de filmstappen.
3.10 Apparatuur voor moleculaire bundelepitaxie
Molecular Beam Epitaxy (MBE)-systeem verwijst naar een epitaxiaal apparaat dat gebruik maakt van een of meer atomaire bundels of moleculaire bundels van thermische energie om met een bepaalde snelheid op het verwarmde substraatoppervlak te spuiten onder ultrahoge vacuümomstandigheden, en te adsorberen en te migreren op het substraatoppervlak om epitaxiaal dunne films van één kristal te laten groeien langs de kristalasrichting van het substraatmateriaal. In het algemeen vormt de bundelbron, onder de omstandigheden van verwarming door een straaloven met een hitteschild, een atomaire bundel of een moleculaire bundel, en groeit de film laag voor laag langs de kristalasrichting van het substraatmateriaal.
De kenmerken zijn een lage epitaxiale groeitemperatuur en de dikte, het grensvlak, de chemische samenstelling en de onzuiverheidsconcentratie kunnen nauwkeurig worden geregeld op atomair niveau. Hoewel MBE is ontstaan uit de vervaardiging van ultradunne monokristallijne halfgeleiderfilms, is de toepassing ervan nu uitgebreid naar een verscheidenheid aan materiaalsystemen zoals metalen en isolerende diëlektrica, en kan het III-V, II-VI, silicium, siliciumgermanium (SiGe ), grafeen, oxiden en organische films.
Het moleculaire bundelepitaxie (MBE) -systeem bestaat hoofdzakelijk uit een ultrahoog vacuümsysteem, een moleculaire bundelbron, een substraatbevestigings- en verwarmingssysteem, een monsteroverdrachtsysteem, een in-situ monitoringsysteem, een controlesysteem en een testsysteem. systeem.
Het vacuümsysteem omvat vacuümpompen (mechanische pompen, moleculaire pompen, ionenpompen en condensatiepompen, enz.) en verschillende kleppen, die een ultrahoge vacuümgroeiomgeving kunnen creëren. De algemeen haalbare vacuümgraad is 10-8 tot 10-11 Torr. Het vacuümsysteem heeft hoofdzakelijk drie vacuümwerkkamers, namelijk de monsterinjectiekamer, de voorbehandelings- en oppervlakteanalysekamer en de groeikamer.
De monsterinjectiekamer wordt gebruikt om monsters naar de buitenwereld over te brengen om de hoogvacuümomstandigheden van andere kamers te garanderen; De voorbehandelings- en oppervlakteanalysekamer verbindt de monsterinjectiekamer en de groeikamer, en de belangrijkste functie ervan is het voorbewerken van het monster (ontgassen bij hoge temperatuur om de volledige reinheid van het substraatoppervlak te garanderen) en het uitvoeren van voorlopige oppervlakteanalyses op de gereinigd monster; de groeikamer is het kernonderdeel van het MBE-systeem, voornamelijk bestaande uit een bronoven en de bijbehorende sluiterconstructie, een monstercontroleconsole, een koelsysteem, een reflectie-hoge-energie-elektronendiffractie (RHEED) en een in-situ monitoringsysteem . Sommige MBE-productieapparatuur heeft meerdere groeikamerconfiguraties. Het schematische diagram van de MBE-apparatuurstructuur wordt hieronder weergegeven:
MBE van siliciummateriaal gebruikt zeer zuiver silicium als grondstof, groeit onder ultrahoog vacuüm (10-10 ~ 10-11Torr) en de groeitemperatuur is 600 ~ 900 ℃, met Ga (P-type) en Sb ( N-type) als dopingbronnen. Veelgebruikte dopingbronnen zoals P, As en B worden zelden als bundelbron gebruikt omdat ze moeilijk te verdampen zijn.
De reactiekamer van MBE heeft een ultrahoogvacuümomgeving, die het gemiddelde vrije pad van moleculen vergroot en vervuiling en oxidatie op het oppervlak van het groeiende materiaal vermindert. Het bereide epitaxiale materiaal heeft een goede oppervlaktemorfologie en uniformiteit, en kan worden gemaakt tot een meerlaagse structuur met verschillende doteringen of verschillende materiaalcomponenten.
MBE-technologie bereikt de herhaalde groei van ultradunne epitaxiale lagen met een dikte van een enkele atomaire laag, en het grensvlak tussen de epitaxiale lagen is steil. Het bevordert de groei van III-V-halfgeleiders en andere heterogene materialen die uit meerdere componenten bestaan. Momenteel is het MBE-systeem uitgegroeid tot een geavanceerde procesapparatuur voor de productie van een nieuwe generatie microgolfapparaten en opto-elektronische apparaten. De nadelen van MBE-technologie zijn een langzame filmgroeisnelheid, hoge vacuümvereisten en hoge apparatuur- en gebruikskosten.
3.11 Dampfase-epitaxiesysteem
Het dampfase-epitaxie (VPE)-systeem verwijst naar een epitaxiaal groeiapparaat dat gasvormige verbindingen naar een substraat transporteert en door chemische reacties een monokristallijne materiaallaag verkrijgt met dezelfde roosterindeling als het substraat. De epitaxiale laag kan een homo-epitaxiale laag (Si/Si) of een hetero-epitaxiale laag (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3, etc.) zijn. Momenteel wordt VPE-technologie op grote schaal gebruikt op het gebied van de voorbereiding van nanomaterialen, energieapparaten, opto-elektronische halfgeleiderapparaten, fotovoltaïsche zonne-energie en geïntegreerde schakelingen.
Typische VPE omvat epitaxie onder atmosferische druk en epitaxie onder verminderde druk, chemische dampafzetting met ultrahoog vacuüm, chemische metaaldampafzetting, enz. De belangrijkste punten in de VPE-technologie zijn het ontwerp van de reactiekamer, de gasstroommodus en -uniformiteit, temperatuuruniformiteit en precisiecontrole. drukcontrole en stabiliteit, deeltjes- en defectcontrole, enz.
Momenteel is de ontwikkelingsrichting van reguliere commerciële VPE-systemen het laden van grote wafers, volledig automatische controle en realtime monitoring van temperatuur en groeiproces. VPE-systemen hebben drie structuren: verticaal, horizontaal en cilindrisch. De verwarmingsmethoden omvatten weerstandsverwarming, hoogfrequente inductieverwarming en infraroodstralingsverwarming.
Momenteel maken VPE-systemen meestal gebruik van horizontale schijfstructuren, die de kenmerken hebben van een goede uniformiteit van epitaxiale filmgroei en grote wafelbelasting. VPE-systemen bestaan doorgaans uit vier delen: reactor, verwarmingssysteem, gaspadsysteem en regelsysteem. Omdat de groeitijd van epitaxiale GaAs- en GaN-films relatief lang is, worden meestal inductieverwarming en weerstandsverwarming gebruikt. Bij silicium-VPE wordt bij de groei van dikke epitaxiale films meestal gebruik gemaakt van inductieverwarming; dunne epitaxiale filmgroei maakt meestal gebruik van infraroodverwarming om het doel van snelle temperatuurstijging / -daling te bereiken.
3.12 Epitaxiesysteem in vloeibare fase
Liquid Phase Epitaxy (LPE)-systeem verwijst naar de epitaxiale groeiapparatuur die het te kweken materiaal (zoals Si, Ga, As, Al, enz.) en doteermiddelen (zoals Zn, Te, Sn, enz.) oplost in een metaal met een lager smeltpunt (zoals Ga, In, enz.), zodat de opgeloste stof verzadigd of oververzadigd is in het oplosmiddel, en vervolgens wordt het eenkristalsubstraat in contact gebracht met de oplossing en wordt de opgeloste stof uit de oplossing neergeslagen oplosmiddel door geleidelijk af te koelen, en een laag kristalmateriaal met een kristalstructuur en roosterconstante vergelijkbaar met die van het substraat wordt op het oppervlak van het substraat gegroeid.
De LPE-methode werd voorgesteld door Nelson et al. in 1963. Het wordt gebruikt om dunne Si-films en monokristallijne materialen te laten groeien, evenals halfgeleidermaterialen zoals III-IV-groepen en kwikcadmiumtelluride, en kan worden gebruikt om verschillende opto-elektronische apparaten, microgolfapparaten, halfgeleiderapparaten en zonnecellen te maken .
————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera kan dit biedengrafiet onderdelen, zacht/stijf vilt, onderdelen van siliciumcarbide, CVD siliciumcarbide onderdelen, EnOnderdelen met SiC/TaC-coatingmet binnen 30 dagen.
Als u geïnteresseerd bent in de bovengenoemde halfgeleiderproducten,Aarzel dan niet om de eerste keer contact met ons op te nemen.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Posttijd: 31 augustus 2024