Een inleiding tot de epitaxy-afzettingstechnieken in de halfgeleiderproductie

In de verwerking van halfgeleidersfotolitografieenetsenMaar direct naast hen is er nog een cruciale categorie:epitaxy-afzetting.

Waarom zijn deze afzettingsprocessen essentieel in de productie van chips?

Hier is een analogie: stel je een gewoon, vierkant plat brood voor. Zonder enige topping is het saai en onopvallend. Sommige mensen geven er de voorkeur aan om pindakaas beter op de oppervlakte te leggen;Anderen geven er liever zoet en stroop.Deze coatings veranderen drastisch de smaak en het karakter van het platbrood.platbroodvertegenwoordigt desubstraat, en decoatingvertegenwoordigtfunctioneel laagNet zoals verschillende toppings verschillende smaken creëren, geven verschillende afgezette films de basiswafer geheel verschillende elektrische of optische eigenschappen.

Bij de vervaardiging van halfgeleiders wordt een breed scala vanfunctionele lagenIn dit artikel presenteren we kort een aantal veelgebruikte afzettingstechnieken, waaronder:

• MOCVD(Metalen-organische chemische dampafzetting)
• Magnetronsputtelen
• PECVD(Plasma-verbeterde chemische dampdepositie)

1Metalen-organische chemische dampdepositie (MOCVD)

MOCVD is een cruciale techniek voor de afzetting van hoogwaardigeepitaxiale halfgeleiderlagen.Deze enkelkristallijn films dienen als actieve lagen in LED's, lasers en andere hoogwaardige apparaten.

Een standaard MOCVD-systeem bestaat uit vijf belangrijke subsystemen, die elk een essentiële en gecoördineerde rol spelen om de veiligheid, nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van het groeiproces te waarborgen:

(1) Gasleveringssysteem

Dit subsysteem regelt nauwkeurig de doorstroming, timing en verhouding van verschillende procesgassen die in de reactor worden ingevoerd.

• Dragergasleidingen(meestal N2 of H2)
• Leiding voor de toevoer van metaal-organische precursoren, vaak viamet een vermogen van niet meer dan 10 kW
• Hydridegasbronnen(bijv. NH3, AsH3, PH3)
• Gasschakelaarsvoor het controleren van groeipathen/reinigingspaden

(2) Reactiesysteem

De reactor is de kern van het MOCVD-systeem, waar de werkelijke epitaxiale groei plaatsvindt.

• Eenmet SiC-laag bekleed grafietgevoeligdie het substraat vasthoudt
• Eenverwarmingssysteem(bv. RF- of resistieve verwarmers) om de temperatuur van het substraat te regelen
• Temperatuursensoren(thermocouples of IR-pyrometers)
• Optische uitkijkplekkenvoor in-situ-diagnose
• Geautomatiseerde systemen voor het verwerken van wafersvoor efficiënt laden/ontladen van het substraat

(3)Procesbesturingssysteem

Het gehele groeiproces wordt beheerd door een combinatie van:

• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• drukregelaars
• EenHostcomputervoor receptbeheer en realtime monitoring

Deze systemen zorgen voor een nauwkeurige controle van temperatuur, doorstroming en timing in elke fase van het proces.

(4) Monitoringsysteem ter plaatse

Om de filmkwaliteit en -consistentie te behouden, zijn realtime-bewakingsinstrumenten geïntegreerd, zoals:

• Reflectometrische systemenvoor het volgenepitaxiale laagdikte en groeisnelheid
• Waferboogsensorenom spanning of kromming te detecteren
• Infrarood pyrometersmet reflectiviteitscompensatie voor nauwkeurige temperatuurmetingen

Deze instrumenten maken onmiddellijke aanpassingen van het proces mogelijk, waardoor de uniformiteit en de kwaliteit van het materiaal worden verbeterd.

(5) Afgasbeheersysteem

Toxische en pyrophorische bijproducten die tijdens het proces worden gegenereerd, zoals arsine of fosfine, moeten worden geneutraliseerd.

• met een vermogen van niet meer dan 10 kW
• Thermische oxidatoren
• chemische schoonmaakapparaten

Deze zorgen ervoor dat de veiligheids- en milieunormen worden nageleefd.

Configuratie van de nauwgekoppelde douchehoofdreactor (CCS)

Veel geavanceerde MOCVD-systemen nemen eenSluitgekoppelde douchekoppen (CCS)In deze configuratie injecteert een doucheplaat gassen van groep III en groep V afzonderlijk, maar dicht bij het roterende substraat.

Dit minimaliseertparasitaire gasfase-reactiesen versterktde efficiëntie van het gebruik van voorlopersDe korte afstand tussen de douche en de wafer zorgt voor een gelijkmatige gasverdeling over het oppervlak van de wafer.rotatie van de gevoeligerHet vermindert de variatie van de randlaag en verbetertepitaxiale laageenvormigheid van de dikte.

Magnetronsputtelen

Magnetronspuitingenis een veelgebruiktfysieke dampafzetting (PVD)Het gebruik van een magnetisch veld om de uitstoot van atomen of moleculen uit eendoelmateriaal, die vervolgens worden gedeponeerd opsubstraatDeze methode wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiderapparaten, optische coatings, keramische films en meer.

Werkingsbeginsel van magnetronsputtering

Selectie van het doelmateriaal

DedoelwitHet is het uitgangsmateriaal dat op het substraat moet worden afgezet.metalen,legering,oxide,nitrideHet doel is gemonteerd op een apparaat dat bekend staat als eenmagnetronkatode.

Vacuümomgeving

Het sputteringsproces wordt uitgevoerd onderhoog vacuümDit betekent dat de verontreinigende stoffen in het procesgas en in de omgeving niet meer in contact kunnen komen.zuiverheidenuniformiteitvan de gedeponeerde film.

Plasmageneratie

Eeninert gas, meestalargon (Ar), wordt in de kamer ingevoerd en geïoniseerd tot eenplasmaDit plasma bestaat uit:positief geladen Ar+-ionenenvrije elektronen, die essentieel zijn voor het starten van het sputteringsproces.

Toepassing van het magnetisch veld

Eenmagnetisch veldDit magnetisch veld vangt elektronen in de buurt van het doel, vergroot hun padlengte en verhoogt de ionisatie-efficiëntie.dicht plasmaregio bekend als eenmagnetronplasma.

Sputteringsproces

De Ar+-ionen worden versneld naar het negatief vertekende doeloppervlak, bombarderen het en verplaatsen atomen van het doel viamomentumoverdrachtDeze uitgestoten atomen of clusters reizen vervolgens door de kamer en condenseren op het substraat, waardoor eenfunctionele filmlaag.

Plasma-verbeterde chemische dampdepositie (PECVD)

Plasma-verbeterde chemische dampdepositie (PECVD)is een veelgebruikte techniek voor het deponeren van een verscheidenheid aan functionele dunne films, zoalssilicium (Si),siliciumnitride (SiNx), ensiliciumdioxide (SiO2)Een schematisch diagram van een typisch PECVD-systeem wordt hieronder weergegeven.
 

Werkingsbeginsel

Bij PECVD worden gasvormige precursoren die de gewenste filmelementen bevatten, in een vacuüm-afzettingskamer ingevoerd.gloedontladingwordt gegenereerd met behulp van een externe energiebron, die de gassen exciteert tot eenplasma-toestandDe reactieve soorten in het plasma worden onderworpen aanchemische reacties, wat leidt tot de vorming van een vaste film op deoppervlak van het substraat.

Plasma-excitatie kan worden bereikt met behulp van verschillende energiebronnen, waaronder:

• Radiofrequentie (RF) -opwinding,
• Gelijkstroom (DC) hoogspanningsopwinding
• Pulserende opwinding
• Microwave-opwinding

PECVD maakt het mogelijk films metuitstekende uniformiteitDeze techniek zorgt bovendien voor een optimale verwerking van het materiaal.sterke filmslijmen steunthoge depositopercentagesin relatieflage substraattemperaturen, waardoor het geschikt is voor temperatuurgevoelige toepassingen.

Mechanisme voor aflegging

Het PECVD-filmvormingsproces omvat meestal drie belangrijke stappen:

Stap 1: Plasmageneratie
Onder invloed van een elektromagnetisch veld ontstaat er een gloeiende ontlading, waardoor een plasma wordt gevormd.elektronende gasmoleculen van de voorlopers tegen elkaar botsen, waardoorprimaire reactiesdie de gassen afbreken inionen,radicalen, enactieve soorten.

Stap 2: Transport en secundaire reacties
De primaire reactieproducten migreren naar het substraat.bijwerkingenDeze stoffen kunnen zich onder de actieve soorten voordoen, waardoor extra tussenproducten of filmvormende verbindingen ontstaan.

Stap 3: oppervlakte-reactie en filmgroei
Bij het bereiken van het substraatoppervlakprimaireensecundaire soortenzijngeadsorbeerden reageren chemisch met het oppervlak, en vormen een vaste film.vluchtige bijproductenvan de reactie worden vrijgegeven in de gasfase en uit de kamer gepompt.

Dit meerstapsproces maakt een nauwkeurige controle mogelijk op de eigenschappen van de film, zoals:dikte,dichtheid,chemische samenstelling, enuniformiteit¢PECVD tot een cruciale technologie in devervaardiging van halfgeleiders,fotovoltaïsche installaties,MEMS, enoptische coatings.