Comprendere la tecnologia di preparazione della pellicola (MOCVD, sputtering magnetronico, PECVD)
In questo articolo verranno introdotti diversi metodi per la fabbricazione di pellicole sottili.seguito dal processo di epitaxia (film).
Perché la tecnologia a film sottile è necessaria nella produzione di chip?
Per esempio, nella vita quotidiana molte persone amano mangiare pancake, ma se non sono conditi e cotti, non hanno sapore e non hanno una buona consistenza.Alcune persone preferiscono il sapore salato.Altri preferiscono un sapore dolce, quindi lo fanno con uno strato di zucchero di malto.
Dopo aver spazzato la salsa, lo strato di salsa o salsa dolce sulla superficie del pancake è come un film.e il pancake stesso si chiama base.
Naturalmente, durante l'elaborazione dei chip, ci sono molti tipi di funzioni per i film e variano anche i metodi di preparazione del film corrispondenti.Vi presenteremo brevemente alcuni metodi comuni di preparazione del film., inclusi MOCVD, sputtering magnetronico, PECVD, ecc....
Io.Deposito di vapore chimico metallico organico (MOCVD)
Il sistema di crescita epitassale MOCVD è un dispositivo altamente complesso e sofisticato, che svolge un ruolo cruciale nella preparazione di film e nanostrutture semiconduttori di alta qualità.
Il sistema MOCVD è costituito da cinque componenti principali, ognuna delle quali svolge funzioni distinte ma interconnesse, garantendo collettivamente l'efficienza e la sicurezza del processo di crescita del materiale.
1.1 Sistema di trasporto del gas:La responsabilità principale di questo sottosistema è di controllare con precisione la consegna di vari reagenti nella camera di reazione, compresa la misurazione dei reagenti,la tempistica e la sequenza della loro consegna, nonché la regolazione del flusso totale di gas.
È composto da diversi sottosistemi, tra cui il sottosistema di approvvigionamento di gas per il trasporto dei reagenti, il sottosistema di approvvigionamento per la fornitura di fonti organiche metalliche (MO),il sottosistema di alimentazione per la fornitura di idruri, e la valvola multiplex di crescita/ventilazione per il controllo della direzione del flusso di gas.
AIXTRON CCS 3 x 2" Sistema MOCVD per nitruri di livello di ricerca
Diagramma schematico del percorso del gas del sistema MOCVD
1.2 Sistema di camera di reazione:Questo è il componente centrale del sistema MOCVD, responsabile del processo di crescita del materiale.
Questa sezione comprende una base di grafite per sostenere il substrato, un riscaldatore per riscaldare il substrato, un sensore di temperatura per monitorare la temperatura dell'ambiente di crescita,una finestra di rilevamento ottico, e un robot automatico di carico e scarico per la movimentazione del substrato, utilizzato per automatizzare il processo di carico e scarico, migliorando così l'efficienza della produzione.La figura seguente mostra il diagramma dello stato di riscaldamento della camera del reattore MOCVD.
Diagramma schematico del principio di crescita in camera di MOCVD
1.3 Sistema di controllo della crescita:Esso è composto da un controller programmabile e da un computer di controllo, responsabile del controllo e del monitoraggio precisi dell'intero processo di crescita del MOCVD.
Il controllore è responsabile della raccolta, elaborazione e produzione di vari segnali, mentre il computer di controllo è responsabile della registrazione e del monitoraggio di ogni fase di crescita del materiale,garantire la stabilità e la ripetibilità del processo.
1.4 Sistema di monitoraggio in situ:Esso è costituito da termometri a radiazione infrarossa corretti per la riflettività, apparecchiature di monitoraggio della riflettività e dispositivi di monitoraggio della curvatura.
Questo sistema è in grado di monitorare in tempo reale i parametri chiave durante il processo di crescita del materiale, come lo spessore e l'uniformità del film, nonché la temperatura del substrato.consente immediati aggiustamenti e ottimizzazioni del processo di crescita.
1.5 Sistema di trattamento dei gas di scarico:Responsabile della gestione delle particelle tossiche e dei gas generati durante il processo di reazione.
Mediante metodi quali il cracking o la catalisi chimica, queste sostanze nocive possono essere effettivamente decomposte e assorbite,garantire la sicurezza dell'ambiente di funzionamento e il rispetto delle norme di protezione dell'ambiente.
Inoltre, l'apparecchiatura MOCVD è di solito installata in ambienti ultrapuliti dotati di sistemi avanzati di allarme di sicurezza, dispositivi di ventilazione efficaci e sistemi di controllo rigorosi della temperatura e dell'umidità.Queste attrezzature ausiliarie e misure di sicurezza non solo garantiscono la sicurezza degli operatori, ma anche migliorare la stabilità del processo di crescita e la qualità dei prodotti finali.
La progettazione e il funzionamento del sistema MOCVD riflettono gli elevati standard di precisione, ripetibilità e sicurezza richiesti nel campo della fabbricazione di materiali semiconduttori.È una delle tecnologie chiave per la produzione di dispositivi elettronici e optoelettronici ad alte prestazioni.
Per la coltivazione di pellicole epitaxiali si utilizza il sistema MOCVD a testa di spruzzatura (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) di tipo verticale nella camera di attrezzatura.
Questo sistema è progettato con una struttura unica della testa di spruzzo, la cui caratteristica principale è la capacità di ridurre efficacemente le pre-reazioni e di ottenere una miscelazione efficiente dei gas.Questi gas vengono iniettati nella camera di reazione attraverso i fori di spruzzo interlacciati sulla testa di spruzzo, dove si mescolano completamente e migliorano così l'uniformità e l'efficienza della reazione.
La struttura della testa di spruzzo consente di distribuire uniformemente il gas di reazione sul substrato situato sotto di esso,garantire la coerenza della concentrazione dei gas di reazione in tutte le posizioni del substratoQuesto è fondamentale per la formazione di un film epitaxiale di spessore uniforme.
Inoltre, la rotazione del disco di grafite favorisce ulteriormente l'uniformità dello strato di confine della reazione chimica, consentendo una crescita più uniforme della pellicola epitaxiale.,riducendo lo strato di confine della reazione chimica sottile, aiuta a ridurre al minimo le differenze di concentrazione locali, migliorando così l'uniformità complessiva della crescita del film.
(a) La testa di spruzzo effettiva e la sua foto parzialmente ingrandita, (b) La struttura interna della testa di spruzzo
II.Sputtering magnetronico
Lo sputtering magnetron è una tecnica fisica di deposizione di vapore comunemente utilizzata per la deposizione di film sottili e il rivestimento superficiale.
Esso utilizza un campo magnetico per rilasciare gli atomi o le molecole di un materiale bersaglio dalla superficie del bersaglio, e quindi forma un film sulla superficie del materiale del substrato.
Questa tecnologia è ampiamente applicata nella produzione di dispositivi semiconduttori, rivestimenti ottici, rivestimenti ceramici e altri campi.
Diagramma schematico del principio di sputtering magnetron
Il principio di sputtering magnetron è il seguente:
1Selezione del materiale di destinazione:Il materiale di destinazione è il materiale che deve essere depositato sul materiale del substrato, che può essere metallo, lega, ossido, nitruro, ecc.Il materiale bersaglio è di solito fissato su un dispositivo chiamato pistola bersaglio.
2. ambiente sotto vuoto:Il processo di sputtering deve essere effettuato in un ambiente ad alto vuoto per evitare l'interazione tra le molecole di gas e il materiale bersaglio.Questo contribuisce a garantire la purezza e l'uniformità del film depositato.
3. gas ionizzato:Durante il processo di sputtering, un gas inerte (come l'argon) viene solitamente introdotto per ionizzarlo in un plasma.che si chiama "plasma della nube di elettroni".
4Applicazione del campo magnetico:Un campo magnetico viene applicato tra il materiale bersaglio e il materiale del substrato, limitando il plasma della nube di elettroni alla superficie del materiale bersaglio.mantenendo così uno stato ad alta energia.
5Processo di sputtering:Con l'applicazione di un plasma di nuvole di elettroni ad alta energia, gli atomi o le molecole del materiale bersaglio vengono colpiti e quindi rilasciati.Questi atomi o molecole rilasciati si depositano sotto forma di vapore sulla superficie del materiale del substrato, formando un film.
I vantaggi dello sputtering magnetron includono:
1. Uniformità della pellicola depositata:Il campo magnetico può aiutare a controllare la trasmissione degli ioni, ottenendo così una deposizione uniforme del film,assicurando che lo spessore e le proprietà della pellicola rimangano costanti su tutta la superficie del substrato.
2- Preparazione di leghe e composti complessi:Lo sputtering magnetron può essere utilizzato per fabbricare film complessi di leghe e composti, che possono essere più difficili da ottenere con altre tecniche di deposizione.
3Controllabilità e modificabilità:Aggiustando parametri quali la composizione del materiale bersaglio, la pressione del gas e la velocità di deposizione, le proprietà del film, compresi spessore, composizione e microstruttura,può essere controllato con precisione.
4. Film di alta qualità:Lo sputtering magnetron può generalmente produrre pellicole di alta qualità, dense e uniformi con eccellenti adesioni e proprietà meccaniche.
5.Multifunzionalità:È applicabile a vari tipi di materiali, tra cui metalli, ossidi, nitruri, ecc. Pertanto, ha ampie applicazioni in diversi campi.
6. Deposizione a bassa temperatura:Rispetto ad altre tecniche, lo sputtering al magnetrone può essere effettuato a basse temperature o anche a temperatura ambiente.che lo rende adatto per applicazioni in cui il materiale del substrato è sensibile alla temperatura.
Nel complesso, lo sputtering magnetron è una tecnologia di fabbricazione di film sottile altamente controllabile e flessibile, applicabile a una vasta gamma di campi di applicazione, dai dispositivi elettronici ai rivestimenti ottici,ecc.
III. Deposito di vapore chimico plasmatico
La tecnologia PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) è ampiamente utilizzata nella preparazione di vari film (come il silicio, il nitruro di silicio e il biossido di silicio, ecc.).
Il diagramma strutturale del sistema PECVD è illustrato nella figura seguente.
Diagramma schematico della struttura del sistema di deposizione di vapore chimico potenziato con plasma
Il principio di base è il seguente: le sostanze gassose contenenti i componenti della pellicola vengono introdotte nella camera di deposizione.le sostanze gassose subiscono reazioni chimiche per generare plasmaQuando questo plasma viene depositato sul substrato, viene coltivato un materiale di pellicola.
I metodi per avviare la scarica di luce includono: eccitazione a radiofrequenza, eccitazione ad alta tensione di corrente continua, eccitazione a impulsi e eccitazione a microonde.
Lo spessore e la composizione delle pellicole preparate da PECVD presentano un'eccellente uniformità.le pellicole depositate con questo metodo hanno una forte adesione e possono raggiungere elevati tassi di deposizione a temperature di deposizione relativamente basse.
In generale, la crescita di pellicole sottili comporta principalmente i seguenti tre processi:
Il primo passo è che il gas reattivo, sotto l'eccitazione del campo elettromagnetico, subisce una scarica luminosa per generare plasma.
Durante questo processo, gli elettroni si scontrano con il gas reattivo, avviando una reazione primaria, che porta alla decomposizione del gas reattivo e alla generazione di ioni e gruppi reattivi.
Il secondo passo consiste nel spostamento dei vari prodotti generati dalla reazione primaria verso il substrato,mentre vari gruppi attivi e ioni subiscono reazioni secondarie per formare prodotti secondari.
La terza fase consiste nell'assorbimento di vari prodotti primari e secondari sulla superficie del substrato e nella loro successiva reazione con la superficie.vi è il rilascio di sostanze molecolari gassose.
IV. Tecniche di caratterizzazione del film sottile
4.1 Diffrazione a raggi X (XRD)
XRD (X-ray Diffraction) è una tecnica comunemente utilizzata per analizzare le strutture cristalline.
Rivela informazioni come i parametri del reticolo,struttura cristallina e orientamento cristallino del materiale misurando i modelli di diffrazione dei raggi X sulla struttura cristallina all'interno del materiale.
L'XRD è ampiamente utilizzato in vari campi come la scienza dei materiali, la fisica allo stato solido, la chimica e la geologia.
Diagramma schematico del principio di prova XRD
Principio di funzionamento: il principio di base dell'XRD si basa sulla legge di Bragg.se il reticolo atomico o ionico nel cristallo è in una disposizione specificaL'angolo e l'intensità della diffrazione possono fornire informazioni sulla struttura del cristallo.
Bruker D8 Discover diffrattometro a raggi X
Composizione dello strumento: uno strumento XRD tipico è costituito dai seguenti componenti:
1. Fonte di raggi X: Dispositivo che emette raggi X, di solito utilizzando bersagli di tungsteno o rame per generare raggi X.
2. piattaforma di campionamento: piattaforma per il posizionamento dei campioni, che può essere ruotata per regolare l'angolo dei campioni.
3Detettore a raggi X: utilizzato per misurare l'intensità e l'angolo di diffrazione della luce.
4Sistema di controllo e analisi: comprende il sistema software per il controllo della sorgente di raggi X, l'acquisizione, l'analisi e l'interpretazione dei dati.
Campo d'applicazione: XRD ha importanti applicazioni in molti campi, tra cui ma non limitato a:
1Ricerca cristallografica: utilizzata per analizzare la struttura cristallina dei cristalli, determinare i parametri del reticolo e l'orientamento del cristallo.
2. Caratterizzazione del materiale: analizzare informazioni quali la struttura cristallina, la composizione di fase e i difetti cristallini del materiale.
3Analisi chimica: Identificazione delle strutture cristalline dei composti inorganici e organici e studio delle interazioni tra le molecole.
4Analisi del film: viene utilizzato per studiare la struttura cristallina, lo spessore e la corrispondenza del reticolo del film.
5Mineralogia e geologia: utilizzato per identificare i tipi e i contenuti dei minerali e studiare la composizione dei campioni geologici.
6Ricerca sui farmaci: l'analisi della struttura cristallina di un farmaco è utile per comprendere le sue proprietà e le sue interazioni.
Nel complesso, l'XRD è una potente tecnica analitica che consente a scienziati e ingegneri di acquisire una profonda comprensione della struttura cristallina e delle proprietà dei materiali,promuovendo così la ricerca e le applicazioni in materia di scienze dei materiali e campi correlati.
Foto del diffrattometro XRD
4.2 Microscopio elettronico di scansione (SEM)
Il microscopio elettronico a scansione (SEM) è un tipo di microscopio comunemente utilizzato.che consentono l'osservazione ad alta risoluzione della superficie e della morfologia.
La SEM è ampiamente utilizzata in campi come la scienza dei materiali, la biologia e la geologia.
Il principio fondamentale di funzionamento della SEM è il seguente:
La SEM utilizza una pistola elettronica per generare un fascio di elettroni.Il raggio di elettroni passa attraverso un sistema di collimazione, che consiste in una serie di lenti elettroniche, per focalizzare e allineare il fascio di elettroni, garantendo la stabilità e la messa a fuoco del fascio.il raggio di elettroni scansiona la superficie del campione.
La posizione del fascio elettronico può essere controllata con precisione, generando così pixel di scansione sul campione.
Il campione deve essere conduttivo perché nel SEM, il fascio di elettroni deve interagire con la superficie del campione per generare elettroni secondari,eccQuando i fasci di elettroni ad alta energia colpiscono la superficie del campione, interagiscono con gli atomi e le molecole nel campione.generare vari segnaliLa rilevazione SEM analizza i vari segnali generati dalla superficie del campione, in particolare gli elettroni secondari (SE) e gli elettroni retro-dispersi (BSE).
Questi segnali forniscono informazioni sulla morfologia superficiale, la struttura e la composizione del campione.SEM può ottenere le informazioni sui pixel della superficie del campioneQueste informazioni vengono elaborate e visualizzate da un computer, generando immagini ad alta risoluzione della superficie del campione.
Immagine fisica SEM
4.3 Microscopio di forza atomica (AFM)
Il microscopio a forza atomica (AFM) è una tecnica microscopica ad alta risoluzione, utilizzata principalmente per osservare le caratteristiche su scala atomica e su scala nanometrica dei campioni.Il suo principio di funzionamento si basa sull'interazione tra la sonda e la superficie del campione. Misurando i cambiamenti di posizione della sonda, può ottenere le informazioni topografiche e topologiche della superficie del campione.
In AFM, viene utilizzata una sonda molto sottile, di solito di silicio o di altri materiali con una punta su scala nanometrica.con la punta della sonda vicina alla superficie del campioneQuando la sonda è vicina alla superficie del campione, si verificano interazioni tra gli atomi e le molecole del campione e la sonda, comprese le forze elettrostatiche, le forze di van der Waals,e interazioni di legame chimico, ecc. Il movimento del cantilever o del dispositivo piezoelettrico è controllato per mantenere una certa forza tra la punta della sonda e la superficie del campione.
L'AFM utilizza un sistema di feedback per mantenere una forza costante tra la sonda e il campione.il sistema di feedback regola automaticamente la posizione del cantilever per mantenere costante la forzaLa sonda e il campione si muovono l'uno rispetto all'altro, di solito su una griglia bidimensionale, formando una scansione.l'irregolarità della superficie del campione provoca un cambiamento della posizione della punta della sonda. Misurando il cambiamento di posizione della sonda, si possono ottenere informazioni topologiche della superficie del campione.i dati raccolti sono trattati per generare un'immagine topologica ad alta risoluzione della superficie del campione;.
L'AFM ha ampie applicazioni in più campi, come la scienza dei materiali, la biologia e la nanotecnologia.aiutare i ricercatori a comprendere meglio la morfologia e la struttura della superficie dei materiali, e consentendo persino la manipolazione di strutture su scala nanometrica.
I vantaggi dell'AFM includono alta risoluzione, non distruttività e modalità di lavoro multiple, che lo rendono uno strumento potente per l'osservazione e la ricerca su scala nanometrica.
Immagine fisica AFM
Diagramma schematico del principio di misura e del modo di funzionamento della microscopia a forza atomica
Conclusioni
ZMSH è specializzata in tecnologie avanzate di deposizione a film sottile, tra cui MOCVD, Magnetron Sputtering e PECVD, offrendo lo sviluppo di processi su misura per semiconduttori, optoelettronica,e applicazioni di rivestimento funzionale. I nostri servizi coprono la progettazione di sistemi personalizzati, l'ottimizzazione dei parametri e la crescita di pellicole ad alta purezza, insieme alle vendite di attrezzature di deposizione di precisione per soddisfare le esigenze di ricerca e sviluppo e produzione industriale.
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