1. Giới thiệu
Quá trình gắn các chất (nguyên liệu thô) lên bề mặt vật liệu nền bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học được gọi là tăng trưởng màng mỏng.
Theo các nguyên tắc làm việc khác nhau, lắng đọng màng mỏng mạch tích hợp có thể được chia thành:
-Lắng đọng hơi vật lý (PVD);
-Lắng đọng hơi hóa học (CVD);
-Sự mở rộng.
2. Quá trình tăng trưởng màng mỏng
2.1 Quá trình lắng đọng hơi vật lý và phún xạ
Quá trình lắng đọng hơi vật lý (PVD) đề cập đến việc sử dụng các phương pháp vật lý như bay hơi chân không, phún xạ, phủ plasma và epitaxy chùm phân tử để tạo thành một màng mỏng trên bề mặt của tấm wafer.
Trong ngành công nghiệp VLSI, công nghệ PVD được sử dụng rộng rãi nhất là phún xạ, chủ yếu được sử dụng cho các điện cực và kết nối kim loại của mạch tích hợp. Phún xạ là một quá trình trong đó các khí hiếm [như argon (Ar)] bị ion hóa thành các ion (như Ar+) dưới tác dụng của điện trường bên ngoài trong điều kiện chân không cao và bắn phá nguồn mục tiêu vật liệu trong môi trường điện áp cao, đánh bật các nguyên tử hoặc phân tử của vật liệu mục tiêu, sau đó đến bề mặt của tấm bán dẫn để tạo thành một màng mỏng sau quá trình bay không va chạm. Ar có tính chất hóa học ổn định và các ion của nó sẽ không phản ứng hóa học với vật liệu mục tiêu và màng. Khi các chip mạch tích hợp bước vào kỷ nguyên kết nối đồng 0,13μm, lớp vật liệu rào cản bằng đồng sử dụng màng titan nitride (TiN) hoặc tantalum nitride (TaN). Nhu cầu công nghệ công nghiệp đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển công nghệ phún xạ phản ứng hóa học, tức là trong buồng phún xạ ngoài Ar còn có khí nitơ phản ứng (N2) để Ti hoặc Ta bắn phá từ vật liệu mục tiêu Ti hoặc Ta phản ứng với N2 để tạo ra màng TiN hoặc TaN cần thiết.
Có ba phương pháp phún xạ thường được sử dụng là phún xạ DC, phún xạ RF và phún xạ magnetron. Khi sự tích hợp của các mạch tích hợp tiếp tục tăng lên, số lượng lớp dây kim loại nhiều lớp ngày càng tăng và ứng dụng công nghệ PVD ngày càng mở rộng. Vật liệu PVD bao gồm Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2, v.v.
Quá trình PVD và phún xạ thường được hoàn thành trong buồng phản ứng kín với độ chân không từ 1×10-7 đến 9×10-9 Torr, có thể đảm bảo độ tinh khiết của khí trong quá trình phản ứng; đồng thời cần có một điện áp cao bên ngoài để ion hóa khí hiếm tạo ra điện áp đủ cao để bắn phá mục tiêu. Các thông số chính để đánh giá quá trình PVD và phún xạ bao gồm lượng bụi, cũng như giá trị điện trở, độ đồng đều, độ dày phản xạ và ứng suất của màng được tạo thành.
2.2 Quá trình lắng đọng và phún xạ hơi hóa học
Lắng đọng hơi hóa học (CVD) đề cập đến một công nghệ xử lý trong đó nhiều loại chất phản ứng khí có áp suất riêng phần khác nhau phản ứng hóa học ở nhiệt độ và áp suất nhất định, và các chất rắn được tạo ra được lắng đọng trên bề mặt vật liệu nền để thu được độ mỏng mong muốn phim ảnh. Trong quy trình sản xuất mạch tích hợp truyền thống, vật liệu màng mỏng thu được thường là các hợp chất như oxit, nitrua, cacbua hoặc các vật liệu như silicon đa tinh thể và silicon vô định hình. Tăng trưởng epiticular có chọn lọc, được sử dụng phổ biến hơn sau nút 45nm, chẳng hạn như tăng trưởng epiticular chọn lọc nguồn và cống SiGe hoặc Si, cũng là một công nghệ CVD.
Công nghệ này có thể tiếp tục tạo thành các vật liệu đơn tinh thể cùng loại hoặc tương tự với mạng ban đầu trên nền đơn tinh thể silicon hoặc các vật liệu khác dọc theo mạng ban đầu. CVD được sử dụng rộng rãi trong sự phát triển của màng điện môi cách điện (như SiO2, Si3N4 và SiON, v.v.) và màng kim loại (như vonfram, v.v.).
Nói chung, theo phân loại áp suất, CVD có thể được chia thành lắng đọng hơi hóa học ở áp suất khí quyển (APCVD), lắng đọng hơi hóa học ở áp suất dưới áp suất khí quyển (SAPCVD) và lắng đọng hơi hóa học ở áp suất thấp (LPCVD).
Theo phân loại nhiệt độ, CVD có thể được chia thành lắng đọng hơi hóa học màng oxit nhiệt độ cao/nhiệt độ thấp (HTO/LTO CVD) và lắng đọng hơi hóa học nhiệt nhanh (CVD nhiệt nhanh, RTCVD);
Theo nguồn phản ứng, CVD có thể được chia thành CVD dựa trên silane, CVD dựa trên polyester (CVD dựa trên TEOS) và lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD);
Theo phân loại năng lượng, CVD có thể được chia thành lắng đọng hơi hóa học nhiệt (CVD nhiệt), lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (CVD tăng cường plasma, PECVD) và lắng đọng hơi hóa học plasma mật độ cao (CVD plasma mật độ cao, HDPCVD). Gần đây, phương pháp lắng đọng hơi hóa học có thể chảy được (Flowable CVD, FCVD) với khả năng lấp đầy khoảng trống tuyệt vời cũng đã được phát triển.
Các màng phát triển CVD khác nhau có các đặc tính khác nhau (chẳng hạn như thành phần hóa học, hằng số điện môi, lực căng, ứng suất và điện áp đánh thủng) và có thể được sử dụng riêng theo các yêu cầu quy trình khác nhau (chẳng hạn như nhiệt độ, phạm vi bước, yêu cầu làm đầy, v.v.).
2.3 Quá trình lắng đọng lớp nguyên tử
Sự lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) đề cập đến sự lắng đọng của từng lớp nguyên tử trên vật liệu nền bằng cách phát triển từng lớp màng nguyên tử. Một ALD điển hình áp dụng phương pháp đưa tiền chất khí vào lò phản ứng theo kiểu xung xen kẽ.
Ví dụ, đầu tiên, tiền chất phản ứng 1 được đưa vào bề mặt chất nền và sau khi hấp phụ hóa học, một lớp nguyên tử duy nhất được hình thành trên bề mặt chất nền; sau đó tiền chất 1 còn lại trên bề mặt đế và trong buồng phản ứng được bơm ra ngoài bằng bơm không khí; sau đó tiền chất phản ứng 2 được đưa vào bề mặt chất nền và phản ứng hóa học với tiền chất 1 được hấp phụ trên bề mặt chất nền để tạo ra vật liệu màng mỏng tương ứng và các sản phẩm phụ tương ứng trên bề mặt chất nền; khi tiền chất 1 phản ứng hoàn toàn thì phản ứng sẽ tự động chấm dứt, đây là đặc tính tự giới hạn của ALD, sau đó các chất phản ứng và sản phẩm phụ còn lại sẽ được chiết xuất để chuẩn bị cho giai đoạn sinh trưởng tiếp theo; bằng cách lặp lại quá trình trên liên tục, có thể đạt được sự lắng đọng của vật liệu màng mỏng được phát triển từng lớp với các nguyên tử đơn lẻ.
Cả ALD và CVD đều là những cách đưa nguồn phản ứng hóa học dạng khí để phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền, nhưng điểm khác biệt là nguồn phản ứng khí của CVD không có đặc tính tự phát triển. Có thể thấy, mấu chốt để phát triển công nghệ ALD là tìm ra tiền chất có đặc tính phản ứng tự giới hạn.
2.4 Quá trình epiticular
Quá trình epiticular đề cập đến quá trình phát triển một lớp tinh thể đơn có trật tự hoàn toàn trên chất nền. Nói chung, quy trình epiticular là phát triển một lớp tinh thể có cùng hướng mạng với chất nền ban đầu trên một chất nền đơn tinh thể. Quá trình epiticular được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chất bán dẫn, chẳng hạn như tấm silicon epiticular trong ngành công nghiệp mạch tích hợp, nguồn nhúng và tăng trưởng epiticular của bóng bán dẫn MOS, tăng trưởng epiticular trên đế LED, v.v.
Theo các trạng thái pha khác nhau của nguồn tăng trưởng, các phương pháp tăng trưởng epiticular có thể được chia thành epitaxy pha rắn, epitaxy pha lỏng và epit Wax pha hơi. Trong sản xuất mạch tích hợp, các phương pháp epiticular thường được sử dụng là epitaxy pha rắn và epitaxy pha hơi.
Epitaxy pha rắn: đề cập đến sự phát triển của một lớp tinh thể đơn trên chất nền sử dụng nguồn rắn. Ví dụ, ủ nhiệt sau khi cấy ion thực chất là một quá trình epit Wax pha rắn. Trong quá trình cấy ion, các nguyên tử silicon của tấm wafer silicon bị bắn phá bởi các ion được cấy năng lượng cao, rời khỏi vị trí mạng tinh thể ban đầu và trở nên vô định hình, tạo thành lớp silicon vô định hình bề mặt. Sau khi ủ nhiệt ở nhiệt độ cao, các nguyên tử vô định hình trở lại vị trí mạng tinh thể của chúng và duy trì sự nhất quán với hướng tinh thể nguyên tử bên trong chất nền.
Các phương pháp tăng trưởng của epit Wax pha hơi bao gồm epit Wax pha hơi hóa học, epit Wax chùm phân tử, epit Wax lớp nguyên tử, v.v. Trong sản xuất mạch tích hợp, epit Wax pha hơi hóa học được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên lý của epitaxy pha hơi hóa học về cơ bản giống như nguyên lý lắng đọng hơi hóa học. Cả hai đều là quá trình lắng đọng màng mỏng bằng phản ứng hóa học trên bề mặt tấm bán dẫn sau khi trộn khí.
Sự khác biệt là do epitaxy pha hơi hóa học phát triển một lớp tinh thể duy nhất nên nó có yêu cầu cao hơn về hàm lượng tạp chất trong thiết bị và độ sạch của bề mặt wafer. Quá trình silicon epiticular pha hơi hóa học sớm cần được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao (lớn hơn 1000 ° C). Với sự cải tiến của thiết bị xử lý, đặc biệt là việc áp dụng công nghệ buồng trao đổi chân không, độ sạch của khoang thiết bị và bề mặt của tấm silicon đã được cải thiện rất nhiều và quá trình epitaxy silicon có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (600-700 ° C). Quá trình wafer silicon epiticular là phát triển một lớp silicon đơn tinh thể trên bề mặt của wafer silicon.
So với chất nền silicon ban đầu, lớp silicon epiticular có độ tinh khiết cao hơn và ít khuyết tật mạng hơn, từ đó cải thiện năng suất sản xuất chất bán dẫn. Ngoài ra, độ dày tăng trưởng và nồng độ pha tạp của lớp silicon epiticular phát triển trên tấm wafer silicon có thể được thiết kế linh hoạt, mang lại sự linh hoạt cho thiết kế của thiết bị, chẳng hạn như giảm điện trở của chất nền và tăng cường khả năng cách ly chất nền. Quá trình epiticular nguồn-cống nhúng là một công nghệ được sử dụng rộng rãi trong các nút công nghệ logic tiên tiến.
Nó đề cập đến quá trình phát triển đồng trục silicon hoặc silicon pha tạp germanium trong vùng nguồn và vùng thoát của bóng bán dẫn MOS. Những ưu điểm chính của việc giới thiệu quy trình epiticular nguồn-cống nhúng bao gồm: phát triển lớp giả tinh thể chứa ứng suất do thích ứng mạng tinh thể, cải thiện tính di động của sóng mang kênh; pha tạp tại chỗ của nguồn và cống có thể làm giảm sức cản ký sinh của điểm nối nguồn-cống và giảm các khuyết tật của việc cấy ion năng lượng cao.
3. thiết bị tăng trưởng màng mỏng
3.1 Thiết bị bay hơi chân không
Bay hơi chân không là phương pháp phủ làm nóng vật liệu rắn trong buồng chân không để làm cho chúng bay hơi, hóa hơi hoặc thăng hoa, sau đó ngưng tụ và lắng đọng trên bề mặt vật liệu nền ở nhiệt độ nhất định.
Thông thường nó bao gồm ba phần, đó là hệ thống chân không, hệ thống bay hơi và hệ thống sưởi ấm. Hệ thống chân không bao gồm các ống chân không và bơm chân không, chức năng chính của nó là cung cấp môi trường chân không đủ tiêu chuẩn cho quá trình bay hơi. Hệ thống bay hơi bao gồm bàn bay hơi, bộ phận làm nóng và bộ phận đo nhiệt độ.
Vật liệu mục tiêu cần bay hơi (như Ag, Al, v.v.) được đặt trên bàn bay hơi; Bộ phận đo nhiệt độ và gia nhiệt là một hệ thống khép kín được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ bay hơi nhằm đảm bảo quá trình bay hơi diễn ra suôn sẻ. Hệ thống sưởi ấm bao gồm một giai đoạn wafer và một bộ phận làm nóng. Giai đoạn wafer được sử dụng để đặt chất nền mà màng mỏng cần được bay hơi và bộ phận làm nóng được sử dụng để thực hiện kiểm soát phản hồi đo nhiệt độ và làm nóng chất nền.
Môi trường chân không là điều kiện rất quan trọng trong quá trình bay hơi chân không, nó liên quan đến tốc độ bay hơi và chất lượng của màng. Nếu mức độ chân không không đáp ứng yêu cầu, các nguyên tử hoặc phân tử bay hơi sẽ va chạm thường xuyên với các phân tử khí dư, làm cho đường tự do trung bình của chúng nhỏ hơn và các nguyên tử hoặc phân tử sẽ phân tán nghiêm trọng, do đó thay đổi hướng chuyển động và làm giảm màng tốc độ hình thành.
Ngoài ra, do có các phân tử khí tạp chất còn sót lại nên màng lắng bị ô nhiễm nghiêm trọng, chất lượng kém, đặc biệt khi tốc độ tăng áp suất của buồng không đạt tiêu chuẩn và có hiện tượng rò rỉ, không khí sẽ lọt vào buồng chân không. , điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng phim.
Đặc điểm cấu trúc của thiết bị bay hơi chân không xác định độ đồng đều của lớp phủ trên các chất nền có kích thước lớn là kém. Để cải thiện tính đồng nhất của nó, phương pháp tăng khoảng cách nguồn-chất nền và xoay chất nền thường được áp dụng, nhưng việc tăng khoảng cách nguồn-chất nền sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng và độ tinh khiết của màng. Đồng thời, do không gian chân không tăng lên nên hiệu suất sử dụng vật liệu bay hơi giảm.
3.2 Thiết bị lắng đọng hơi vật lý DC
Sự lắng đọng hơi vật lý dòng điện trực tiếp (DCPVD) còn được gọi là phún xạ cực âm hoặc phún xạ DC hai giai đoạn chân không. Vật liệu mục tiêu của phún xạ DC chân không được sử dụng làm cực âm và chất nền được sử dụng làm cực dương. Phương pháp phún xạ chân không là tạo ra plasma bằng cách ion hóa khí xử lý.
Các hạt tích điện trong plasma được gia tốc trong điện trường để thu được một lượng năng lượng nhất định. Các hạt có đủ năng lượng bắn phá bề mặt vật liệu mục tiêu, làm cho các nguyên tử mục tiêu bắn ra ngoài; các nguyên tử phún xạ có động năng nhất định sẽ di chuyển về phía chất nền tạo thành một màng mỏng trên bề mặt chất nền. Khí dùng để phún xạ nói chung là khí hiếm, chẳng hạn như argon (Ar), do đó màng hình thành do phún xạ sẽ không bị ô nhiễm; Ngoài ra, bán kính nguyên tử của argon thích hợp hơn cho quá trình phún xạ.
Kích thước của hạt phún xạ phải gần bằng kích thước của nguyên tử mục tiêu được phún xạ. Nếu các hạt quá lớn hoặc quá nhỏ thì không thể hình thành hiện tượng phún xạ hiệu quả. Ngoài hệ số kích thước của nguyên tử, hệ số khối lượng của nguyên tử cũng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng phún xạ. Nếu nguồn hạt phún xạ quá nhẹ, các nguyên tử mục tiêu sẽ không bị phún xạ; nếu hạt phún xạ quá nặng thì mục tiêu sẽ bị “uốn cong” và mục tiêu sẽ không bị bắn tung tóe.
Vật liệu mục tiêu được sử dụng trong DCPVD phải là chất dẫn điện. Điều này là do khi các ion argon trong quá trình bắn phá vật liệu mục tiêu, chúng sẽ kết hợp lại với các electron trên bề mặt vật liệu mục tiêu. Khi vật liệu mục tiêu là chất dẫn điện như kim loại, các electron tiêu thụ bởi sự tái hợp này sẽ dễ dàng được bổ sung hơn bằng nguồn điện và các electron tự do trong các phần khác của vật liệu mục tiêu thông qua sự dẫn điện, do đó bề mặt của vật liệu mục tiêu như một toàn bộ vẫn tích điện âm và sự phún xạ được duy trì.
Ngược lại, nếu vật liệu mục tiêu là chất cách điện, sau khi các electron trên bề mặt vật liệu mục tiêu được kết hợp lại, các electron tự do ở các phần khác của vật liệu mục tiêu không thể được bổ sung bằng sự dẫn điện và thậm chí các điện tích dương sẽ tích tụ trên bề mặt của vật liệu mục tiêu, làm cho tiềm năng vật chất mục tiêu tăng lên và điện tích âm của vật liệu mục tiêu bị suy yếu cho đến khi nó biến mất, cuối cùng dẫn đến chấm dứt quá trình phún xạ.
Vì vậy, để làm cho vật liệu cách điện có thể sử dụng được cho phún xạ thì cần phải tìm ra một phương pháp phún xạ khác. Phún xạ tần số vô tuyến là phương pháp phún xạ phù hợp cho cả mục tiêu dẫn điện và không dẫn điện.
Một nhược điểm khác của DCPVD là điện áp đánh lửa cao và sự bắn phá electron trên đế rất mạnh. Một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề này là sử dụng phương pháp phún xạ magnetron, vì vậy phương pháp phún xạ magnetron thực sự có giá trị thực tiễn trong lĩnh vực mạch tích hợp.
3.3 Thiết bị lắng đọng hơi vật lý RF
Lắng đọng hơi vật lý tần số vô tuyến (RFPVD) sử dụng năng lượng tần số vô tuyến làm nguồn kích thích và là phương pháp PVD phù hợp với nhiều loại vật liệu kim loại và phi kim loại.
Tần số phổ biến của nguồn điện RF được sử dụng trong RFPVD là 13,56 MHz, 20 MHz và 60 MHz. Các chu kỳ dương và âm của nguồn điện RF xuất hiện luân phiên. Khi mục tiêu PVD ở nửa chu kỳ dương, do bề mặt mục tiêu có điện thế dương, các electron trong môi trường xử lý sẽ chảy đến bề mặt mục tiêu để trung hòa điện tích dương tích lũy trên bề mặt của nó và thậm chí tiếp tục tích lũy electron, làm cho bề mặt của nó bị sai lệch âm; khi mục tiêu phún xạ ở nửa chu kỳ âm, các ion dương sẽ di chuyển về phía mục tiêu và bị trung hòa một phần trên bề mặt mục tiêu.
Điều quan trọng nhất là tốc độ chuyển động của các electron trong điện trường RF nhanh hơn nhiều so với các ion dương, đồng thời thời gian của nửa chu kỳ dương và âm là như nhau nên sau một chu kỳ hoàn chỉnh, bề mặt mục tiêu sẽ “ròng” tích điện âm. Do đó, trong vài chu kỳ đầu tiên, điện tích âm của bề mặt mục tiêu có xu hướng tăng lên; sau đó, bề mặt mục tiêu đạt đến điện thế âm ổn định; sau đó, do điện tích âm của mục tiêu có tác dụng đẩy các electron nên lượng điện tích dương và âm mà điện cực mục tiêu nhận được có xu hướng cân bằng và mục tiêu thể hiện điện tích âm ổn định.
Từ quy trình trên, có thể thấy rằng quá trình hình thành điện áp âm không liên quan gì đến tính chất của vật liệu mục tiêu, do đó phương pháp RFPVD không chỉ giải quyết được vấn đề phún xạ của mục tiêu cách điện mà còn tương thích tốt. với các mục tiêu dẫn kim loại thông thường.
3.4 Thiết bị phún xạ Magnetron
Phún xạ Magnetron là phương pháp PVD thêm nam châm vào mặt sau của mục tiêu. Các nam châm được thêm vào và hệ thống cấp nguồn DC (hoặc nguồn điện xoay chiều) tạo thành nguồn phún xạ magnetron. Nguồn phún xạ được sử dụng để tạo thành trường điện từ tương tác trong buồng, thu giữ và hạn chế phạm vi chuyển động của các electron trong plasma bên trong buồng, mở rộng đường chuyển động của các electron, do đó làm tăng nồng độ của plasma và cuối cùng đạt được nhiều hơn lắng đọng.
Ngoài ra, do có nhiều electron liên kết gần bề mặt của mục tiêu hơn nên khả năng bắn phá chất nền của các electron sẽ giảm và nhiệt độ của chất nền giảm. So với công nghệ DCPVD tấm phẳng, một trong những đặc điểm rõ ràng nhất của công nghệ lắng đọng hơi vật lý magnetron là điện áp phóng điện đánh lửa thấp hơn và ổn định hơn.
Do nồng độ trong huyết tương cao hơn và năng suất phún xạ lớn hơn, nó có thể đạt được hiệu quả lắng đọng tuyệt vời, kiểm soát độ dày lắng đọng trong phạm vi kích thước lớn, kiểm soát thành phần chính xác và điện áp đánh lửa thấp hơn. Vì vậy, phún xạ magnetron đang chiếm ưu thế trong màng kim loại PVD hiện nay. Thiết kế nguồn phún xạ magnetron đơn giản nhất là đặt một nhóm nam châm ở mặt sau của mục tiêu phẳng (bên ngoài hệ thống chân không) để tạo ra từ trường song song với bề mặt mục tiêu tại một khu vực cục bộ trên bề mặt mục tiêu.
Nếu đặt một nam châm vĩnh cửu, từ trường của nó tương đối cố định, dẫn đến sự phân bố từ trường tương đối cố định trên bề mặt mục tiêu trong buồng. Chỉ các vật liệu ở các khu vực cụ thể của mục tiêu mới bị phun ra, tỷ lệ sử dụng mục tiêu thấp và độ đồng đều của màng chuẩn bị kém.
Có một khả năng nhất định là kim loại phun ra hoặc các hạt vật liệu khác sẽ lắng đọng lại trên bề mặt mục tiêu, do đó kết tụ lại thành các hạt và tạo thành ô nhiễm khuyết tật. Do đó, các nguồn phún xạ magnetron thương mại chủ yếu sử dụng thiết kế nam châm quay để cải thiện tính đồng nhất của màng, tốc độ sử dụng mục tiêu và phún xạ mục tiêu hoàn toàn.
Điều quan trọng là phải cân bằng được ba yếu tố này. Nếu cân không được xử lý tốt, nó có thể mang lại độ đồng đều màng tốt đồng thời giảm đáng kể tốc độ sử dụng mục tiêu (rút ngắn tuổi thọ mục tiêu) hoặc không đạt được phún xạ mục tiêu hoàn toàn hoặc ăn mòn mục tiêu hoàn toàn, điều này sẽ gây ra các vấn đề về hạt trong quá trình phún xạ quá trình.
Trong công nghệ PVD magnetron, cần xem xét cơ chế chuyển động nam châm quay, hình dạng mục tiêu, hệ thống làm mát mục tiêu và nguồn phún xạ magnetron, cũng như cấu hình chức năng của đế mang wafer, chẳng hạn như hấp phụ wafer và kiểm soát nhiệt độ. Trong quy trình PVD, nhiệt độ của wafer được kiểm soát để đạt được cấu trúc tinh thể, kích thước và hướng hạt cần thiết cũng như độ ổn định về hiệu suất.
Do sự dẫn nhiệt giữa mặt sau của tấm wafer và bề mặt của đế đòi hỏi một áp suất nhất định, thường ở mức vài Torr và áp suất làm việc của buồng thường ở mức vài mTorr, nên áp suất ở mặt sau của wafer lớn hơn nhiều so với áp suất lên bề mặt trên của wafer, do đó cần có mâm cặp cơ học hoặc mâm cặp tĩnh điện để định vị và hạn chế wafer.
Mâm cặp cơ học dựa vào trọng lượng của chính nó và cạnh của tấm bán dẫn để đạt được chức năng này. Mặc dù nó có ưu điểm là cấu trúc đơn giản và không nhạy cảm với vật liệu của tấm bán dẫn, nhưng hiệu ứng cạnh của tấm bán dẫn là rõ ràng, không có lợi cho việc kiểm soát chặt chẽ các hạt. Vì vậy, nó dần được thay thế bằng mâm cặp tĩnh điện trong quá trình sản xuất vi mạch.
Đối với các quy trình không đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ, cũng có thể sử dụng phương pháp giá đỡ tiếp xúc không hấp phụ, không cạnh (không có chênh lệch áp suất giữa bề mặt trên và dưới của wafer). Trong quá trình PVD, lớp lót buồng và bề mặt của các bộ phận tiếp xúc với plasma sẽ được lắng đọng và phủ lên. Khi độ dày màng lắng đọng vượt quá giới hạn, màng sẽ bị nứt và bong ra, gây ra các vấn đề về hạt.
Vì vậy, việc xử lý bề mặt các bộ phận như lớp lót là chìa khóa để mở rộng giới hạn này. Phun cát bề mặt và phun nhôm là hai phương pháp được sử dụng phổ biến, mục đích là tăng độ nhám bề mặt để tăng cường liên kết giữa màng và bề mặt lót.
3.5 Thiết bị lắng đọng hơi vật lý ion hóa
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ vi điện tử, kích thước tính năng ngày càng nhỏ hơn. Do công nghệ PVD không thể kiểm soát hướng lắng đọng của các hạt nên khả năng PVD đi qua các lỗ và kênh hẹp với tỷ lệ khung hình cao bị hạn chế, khiến việc ứng dụng mở rộng công nghệ PVD truyền thống ngày càng gặp nhiều thách thức. Trong quy trình PVD, khi tỷ lệ khung hình của rãnh lỗ rỗng tăng lên, độ che phủ ở phía dưới giảm xuống, tạo thành cấu trúc nhô ra giống như mái hiên ở góc trên cùng và hình thành lớp phủ yếu nhất ở góc dưới.
Công nghệ lắng đọng hơi vật lý ion hóa được phát triển để giải quyết vấn đề này. Đầu tiên, nó plasma hóa các nguyên tử kim loại bắn ra từ mục tiêu theo nhiều cách khác nhau, sau đó điều chỉnh điện áp phân cực được nạp trên tấm bán dẫn để kiểm soát hướng và năng lượng của các ion kim loại nhằm thu được dòng ion kim loại định hướng ổn định để chuẩn bị một màng mỏng, từ đó cải thiện phạm vi bao phủ của phần dưới cùng của các bước có tỷ lệ khung hình cao thông qua các lỗ và kênh hẹp.
Đặc điểm điển hình của công nghệ plasma kim loại ion hóa là bổ sung thêm cuộn dây tần số vô tuyến trong buồng. Trong quá trình thực hiện, áp suất làm việc của buồng được duy trì ở trạng thái tương đối cao (gấp 5 đến 10 lần áp suất làm việc bình thường). Trong quá trình PVD, cuộn dây tần số vô tuyến được sử dụng để tạo ra vùng plasma thứ hai, trong đó nồng độ argon trong huyết tương tăng lên khi tăng công suất tần số vô tuyến và áp suất khí. Khi các nguyên tử kim loại bắn ra từ mục tiêu đi qua vùng này, chúng sẽ tương tác với plasma argon mật độ cao để tạo thành các ion kim loại.
Việc áp dụng nguồn RF vào chất mang wafer (chẳng hạn như mâm cặp tĩnh điện) có thể làm tăng độ lệch âm trên wafer để thu hút các ion dương kim loại vào đáy rãnh lỗ rỗng. Dòng ion kim loại định hướng vuông góc với bề mặt wafer này giúp cải thiện độ bao phủ đáy bậc của các lỗ có tỷ lệ khung hình cao và các kênh hẹp.
Độ lệch âm áp dụng cho wafer cũng khiến các ion bắn phá bề mặt wafer (phun xạ ngược), làm suy yếu cấu trúc nhô ra của miệng rãnh lỗ chân lông và đẩy màng lắng đọng ở phía dưới lên các thành bên ở các góc của đáy lỗ chân lông rãnh, từ đó tăng cường phạm vi bao phủ của bậc thang ở các góc.
3.6 Thiết bị lắng đọng hơi hóa học áp suất khí quyển
Thiết bị lắng đọng hơi hóa học ở áp suất khí quyển (APCVD) dùng để chỉ thiết bị phun nguồn phản ứng khí với tốc độ không đổi lên bề mặt chất rắn được nung nóng trong môi trường có áp suất gần bằng áp suất khí quyển, khiến nguồn phản ứng phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền và sản phẩm phản ứng được lắng đọng trên bề mặt chất nền tạo thành một màng mỏng.
Thiết bị APCVD là thiết bị CVD ra đời sớm nhất và vẫn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Thiết bị APCVD có thể được sử dụng để chuẩn bị các màng mỏng như silicon đơn tinh thể, silicon đa tinh thể, silicon dioxide, oxit kẽm, titan dioxide, thủy tinh phosphosilicate và thủy tinh borophosphosilicate.
3.7 Thiết bị lắng đọng hơi hóa chất áp suất thấp
Thiết bị lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp (LPCVD) dùng để chỉ thiết bị sử dụng nguyên liệu khí thô để phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền rắn trong môi trường được làm nóng (350-1100°C) và áp suất thấp (10-100mTorr), và các chất phản ứng được lắng đọng trên bề mặt chất nền để tạo thành một màng mỏng. Thiết bị LPCVD được phát triển trên cơ sở APCVD để cải thiện chất lượng màng mỏng, cải thiện tính đồng nhất phân bố của các thông số đặc trưng như độ dày và điện trở suất của màng, đồng thời nâng cao hiệu quả sản xuất.
Đặc điểm chính của nó là trong môi trường trường nhiệt áp suất thấp, khí xử lý phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền wafer và các sản phẩm phản ứng được lắng đọng trên bề mặt chất nền để tạo thành một màng mỏng. Thiết bị LPCVD có ưu điểm trong việc chuẩn bị màng mỏng chất lượng cao và có thể được sử dụng để chuẩn bị các màng mỏng như oxit silic, silicon nitrit, polysilicon, cacbua silic, gali nitrit và graphene.
So với APCVD, môi trường phản ứng áp suất thấp của thiết bị LPCVD làm tăng đường đi tự do trung bình và hệ số khuếch tán của khí trong buồng phản ứng.
Các phân tử khí phản ứng và khí mang trong buồng phản ứng có thể được phân bố đều trong thời gian ngắn, do đó cải thiện đáng kể tính đồng nhất của độ dày màng, độ đồng đều điện trở suất và độ bao phủ bước của màng, đồng thời mức tiêu thụ khí phản ứng cũng nhỏ. Ngoài ra, môi trường áp suất thấp còn đẩy nhanh tốc độ truyền tải của các chất khí. Các tạp chất và sản phẩm phụ phản ứng khuếch tán từ chất nền có thể nhanh chóng được đưa ra khỏi vùng phản ứng qua lớp ranh giới và khí phản ứng nhanh chóng đi qua lớp ranh giới để đến bề mặt chất nền để phản ứng, do đó ngăn chặn hiệu quả quá trình tự pha tạp, chuẩn bị màng chất lượng cao với vùng chuyển tiếp dốc, đồng thời nâng cao hiệu quả sản xuất.
3.8 Thiết bị lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma
Lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) là phương pháp được sử dụng rộng rãicông nghệ lắng đọng màng hin. Trong quá trình plasma, tiền chất dạng khí bị ion hóa dưới tác dụng của plasma để tạo thành các nhóm hoạt động bị kích thích, chúng khuếch tán đến bề mặt chất nền và sau đó trải qua các phản ứng hóa học để hoàn thành quá trình phát triển màng.
Theo tần số tạo plasma, plasma sử dụng trong PECVD có thể được chia thành hai loại: plasma tần số vô tuyến (RF plasma) và plasma vi sóng (Plasma vi sóng). Hiện nay, tần số vô tuyến được sử dụng trong ngành thường là 13,56 MHz.
Sự ra đời của plasma tần số vô tuyến thường được chia thành hai loại: khớp nối điện dung (ĐCSTQ) và khớp nối cảm ứng (ICP). Phương pháp ghép điện dung thường là phương pháp phản ứng plasma trực tiếp; trong khi phương pháp ghép cảm ứng có thể là phương pháp plasma trực tiếp hoặc phương pháp plasma từ xa.
Trong quy trình sản xuất chất bán dẫn, PECVD thường được sử dụng để phát triển màng mỏng trên chất nền chứa kim loại hoặc các cấu trúc nhạy cảm với nhiệt độ khác. Ví dụ, trong lĩnh vực kết nối kim loại mặt sau của các mạch tích hợp, do cấu trúc nguồn, cổng và cống của thiết bị đã được hình thành trong quy trình mặt trước, nên sự phát triển của màng mỏng trong lĩnh vực kết nối kim loại là chủ đề với những hạn chế về ngân sách nhiệt rất nghiêm ngặt, vì vậy nó thường được hoàn thành với sự hỗ trợ của plasma. Bằng cách điều chỉnh các thông số quy trình plasma, mật độ, thành phần hóa học, hàm lượng tạp chất, độ bền cơ học và các thông số ứng suất của màng mỏng do PECVD phát triển có thể được điều chỉnh và tối ưu hóa trong một phạm vi nhất định.
3.9 Thiết bị lắng đọng lớp nguyên tử
Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) là công nghệ lắng đọng màng mỏng phát triển định kỳ dưới dạng lớp gần như đơn nguyên tử. Đặc điểm của nó là độ dày của màng lắng đọng có thể được điều chỉnh chính xác bằng cách kiểm soát số chu kỳ tăng trưởng. Không giống như quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD), hai (hoặc nhiều) tiền chất trong quy trình ALD lần lượt đi qua bề mặt chất nền và được cách ly một cách hiệu quả bằng cách lọc khí hiếm.
Hai tiền chất sẽ không trộn lẫn và gặp nhau ở pha khí để phản ứng hóa học mà chỉ phản ứng thông qua sự hấp phụ hóa học trên bề mặt chất nền. Trong mỗi chu trình ALD, lượng tiền chất được hấp phụ trên bề mặt cơ chất có liên quan đến mật độ nhóm hoạt động trên bề mặt cơ chất. Khi các nhóm phản ứng trên bề mặt cơ chất cạn kiệt, ngay cả khi đưa vào quá nhiều tiền chất, sự hấp phụ hóa học sẽ không xảy ra trên bề mặt cơ chất.
Quá trình phản ứng này được gọi là phản ứng tự giới hạn bề mặt. Cơ chế xử lý này làm cho độ dày của màng tăng lên trong mỗi chu kỳ của quy trình ALD không đổi, do đó quy trình ALD có ưu điểm là kiểm soát độ dày chính xác và bao phủ bước màng tốt.
3.10 Thiết bị Epitaxy chùm phân tử
Hệ thống Epit Wax chùm phân tử (MBE) dùng để chỉ một thiết bị epiticular sử dụng một hoặc nhiều chùm nguyên tử hoặc chùm phân tử năng lượng nhiệt để phun lên bề mặt chất nền được làm nóng ở tốc độ nhất định trong điều kiện chân không cực cao, đồng thời hấp phụ và di chuyển trên bề mặt chất nền để phát triển các màng mỏng đơn tinh thể dọc theo hướng trục tinh thể của vật liệu nền. Nói chung, trong điều kiện gia nhiệt bằng lò phản lực có tấm chắn nhiệt, nguồn chùm tia tạo thành chùm nguyên tử hoặc chùm phân tử, và màng phát triển từng lớp dọc theo hướng trục tinh thể của vật liệu nền.
Đặc điểm của nó là nhiệt độ tăng trưởng epiticular thấp và độ dày, giao diện, thành phần hóa học và nồng độ tạp chất có thể được kiểm soát chính xác ở cấp độ nguyên tử. Mặc dù MBE có nguồn gốc từ việc điều chế màng đơn tinh thể siêu mỏng bán dẫn, nhưng ứng dụng của nó hiện đã mở rộng sang nhiều hệ vật liệu khác nhau như kim loại và chất điện môi cách điện, đồng thời có thể điều chế III-V, II-VI, silicon, silicon germanium (SiGe ), graphene, oxit và màng hữu cơ.
Hệ thống epit Wax chùm phân tử (MBE) chủ yếu bao gồm hệ thống chân không siêu cao, nguồn chùm phân tử, hệ thống gia nhiệt và cố định chất nền, hệ thống chuyển mẫu, hệ thống giám sát tại chỗ, hệ thống điều khiển và hệ thống kiểm tra. hệ thống.
Hệ thống chân không bao gồm máy bơm chân không (bơm cơ khí, bơm phân tử, bơm ion và bơm ngưng tụ, v.v.) và các loại van khác nhau, có thể tạo ra môi trường tăng trưởng chân không cực cao. Độ chân không thường đạt được là 10-8 đến 10-11 Torr. Hệ thống chân không chủ yếu có ba buồng làm việc chân không, đó là buồng phun mẫu, buồng tiền xử lý và phân tích bề mặt và buồng tăng trưởng.
Buồng tiêm mẫu dùng để chuyển mẫu ra thế giới bên ngoài đảm bảo điều kiện chân không cao như các buồng khác; Buồng tiền xử lý và phân tích bề mặt kết nối buồng tiêm mẫu và buồng tăng trưởng, chức năng chính của nó là xử lý trước mẫu (khử khí ở nhiệt độ cao để đảm bảo bề mặt nền sạch hoàn toàn) và thực hiện phân tích bề mặt sơ bộ trên mẫu đã được làm sạch; Buồng tăng trưởng là bộ phận cốt lõi của hệ thống MBE, chủ yếu bao gồm lò nguồn và cụm màn trập tương ứng, bảng điều khiển mẫu, hệ thống làm mát, nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản xạ (RHEED) và hệ thống giám sát tại chỗ . Một số thiết bị MBE sản xuất có nhiều cấu hình buồng tăng trưởng. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc thiết bị MBE được trình bày dưới đây:
MBE của vật liệu silicon sử dụng silicon có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu thô, phát triển trong điều kiện chân không cực cao (10-10～10-11Torr) và nhiệt độ tăng trưởng là 600～900oC, với Ga (loại P) và Sb ( loại N) làm nguồn doping. Các nguồn pha tạp thông dụng như P, As và B hiếm khi được sử dụng làm nguồn chùm vì chúng khó bay hơi.
Buồng phản ứng của MBE có môi trường chân không cực cao, làm tăng đường đi tự do trung bình của các phân tử và giảm ô nhiễm và oxy hóa trên bề mặt vật liệu trồng trọt. Vật liệu epiticular được chuẩn bị có hình thái bề mặt tốt và tính đồng nhất, và có thể được chế tạo thành cấu trúc nhiều lớp với các thành phần pha tạp hoặc vật liệu khác nhau.
Công nghệ MBE đạt được sự tăng trưởng lặp đi lặp lại của các lớp epiticular siêu mỏng với độ dày của một lớp nguyên tử duy nhất và bề mặt tiếp xúc giữa các lớp epiticular rất dốc. Nó thúc đẩy sự phát triển của chất bán dẫn III-V và các vật liệu không đồng nhất đa thành phần khác. Hiện nay, hệ thống MBE đã trở thành một thiết bị xử lý tiên tiến để sản xuất thế hệ thiết bị vi sóng và thiết bị quang điện tử mới. Nhược điểm của công nghệ MBE là tốc độ tăng trưởng màng chậm, yêu cầu chân không cao và chi phí sử dụng thiết bị, thiết bị cao.
3.11 Hệ thống Epitaxy pha hơi
Hệ thống epit Wax pha hơi (VPE) dùng để chỉ một thiết bị tăng trưởng epiticular vận chuyển các hợp chất khí đến chất nền và thu được một lớp vật liệu tinh thể đơn có cách sắp xếp mạng giống như chất nền thông qua các phản ứng hóa học. Lớp epiticular có thể là lớp homoepiticular (Si/Si) hoặc lớp dị epiticular (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3, v.v.). Hiện nay, công nghệ VPE đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo vật liệu nano, thiết bị điện, thiết bị quang điện tử bán dẫn, quang điện mặt trời và mạch tích hợp.
VPE điển hình bao gồm epitaxy áp suất khí quyển và epitaxy áp suất giảm, lắng đọng hơi hóa học chân không cực cao, lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại, v.v. Những điểm chính trong công nghệ VPE là thiết kế buồng phản ứng, chế độ và tính đồng nhất của dòng khí, tính đồng nhất nhiệt độ và kiểm soát độ chính xác, kiểm soát áp suất và độ ổn định, kiểm soát hạt và khuyết tật, v.v.
Hiện tại, hướng phát triển của các hệ thống VPE thương mại chính thống là tải wafer lớn, điều khiển hoàn toàn tự động và theo dõi nhiệt độ và quá trình tăng trưởng theo thời gian thực. Hệ thống VPE có ba cấu trúc: dọc, ngang và hình trụ. Các phương pháp sưởi ấm bao gồm sưởi ấm điện trở, sưởi ấm cảm ứng tần số cao và sưởi ấm bức xạ hồng ngoại.
Hiện nay, các hệ thống VPE chủ yếu sử dụng cấu trúc đĩa ngang, có đặc điểm tăng trưởng màng epiticular tốt và tải wafer lớn. Hệ thống VPE thường bao gồm bốn phần: lò phản ứng, hệ thống sưởi ấm, hệ thống đường dẫn khí và hệ thống điều khiển. Bởi vì thời gian phát triển của màng epiticular GaAs và GaN tương đối dài, nên hệ thống sưởi cảm ứng và hệ thống sưởi điện trở chủ yếu được sử dụng. Trong silicon VPE, sự phát triển của màng epiticular dày chủ yếu sử dụng hệ thống sưởi cảm ứng; tăng trưởng màng epiticular mỏng chủ yếu sử dụng hệ thống sưởi hồng ngoại để đạt được mục đích tăng / giảm nhiệt độ nhanh chóng.
3.12 Hệ thống Epitaxy pha lỏng
Hệ thống Epitaxy pha lỏng (LPE) dùng để chỉ thiết bị tăng trưởng epiticular giúp hòa tan vật liệu cần trồng (như Si, Ga, As, Al, v.v.) và các chất pha tạp (như Zn, Te, Sn, v.v.) trong một kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn (chẳng hạn như Ga, In, v.v.), sao cho chất tan bão hòa hoặc siêu bão hòa trong dung môi, sau đó chất nền đơn tinh thể được tiếp xúc với dung dịch và chất tan được kết tủa khỏi dung môi bởi nguội dần và một lớp vật liệu tinh thể có cấu trúc tinh thể và hằng số mạng tương tự như chất nền được phát triển trên bề mặt chất nền.
Phương pháp LPE được đề xuất bởi Nelson et al. vào năm 1963. Nó được sử dụng để phát triển màng mỏng Si và vật liệu tinh thể đơn, cũng như vật liệu bán dẫn như nhóm III-IV và cadmium Telluride thủy ngân, và có thể được sử dụng để chế tạo nhiều thiết bị quang điện tử, thiết bị vi sóng, thiết bị bán dẫn và pin mặt trời .
————————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera có thể cung cấpbộ phận than chì, nỉ mềm/cứng, bộ phận cacbua silic, Các bộ phận cacbua silic CVD, VàCác bộ phận được phủ SiC/TaCvới trong 30 ngày.
Nếu bạn quan tâm đến các sản phẩm bán dẫn trên,xin vui lòng liên hệ với chúng tôi ở lần đầu tiên.
ĐT: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Thời gian đăng: 31/08/2024