Un'introduzione alle tecniche di deposizione per epitassia nella produzione di semiconduttori

Nella lavorazione dei semiconduttori, fotolitografiaFase 3: Reazione superficiale e crescita del filmincisione sono spesso le fasi più comunemente discusse. Ma proprio accanto a loro c'è un'altra categoria cruciale: deposizione per epitassiaMEMS

Perché questi processi di deposizione sono essenziali nella produzione di chip?

Ecco un'analogia: immagina una piadina semplice e quadrata. Senza alcun condimento, è insipida e insignificante. Alcune persone preferiscono mettere il burro di arachidi sulla superficie; altri la preferiscono dolce e spalmata di sciroppo. Questi rivestimenti cambiano radicalmente il gusto e il carattere della piadina. In questa analogia, la piadina rappresenta il materiale bersaglio, e il rivestimento rappresenta uno strato funzionale. Proprio come diversi condimenti creano sapori diversi, diversi film depositati conferiscono proprietà elettriche o ottiche completamente diverse al wafer di base.

Nella fabbricazione di semiconduttori, un'ampia gamma di strati funzionali vengono depositati sui wafer per costruire dispositivi. Ogni tipo di strato richiede un metodo di deposizione specifico. In questo articolo, introduciamo brevemente diverse tecniche di deposizione ampiamente utilizzate, tra cui:

• MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition - Deposizione chimica da vapore organometallico)
• .
• PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition - Deposizione chimica da vapore assistita da plasma)

1. Deposizione chimica da vapore organometallico (MOCVD)

MOCVD è una tecnica fondamentale per la deposizione di strati epitassiali di semiconduttori di alta qualità.

Questi film monocristallini fungono da strati attivi in LED, laser e altri dispositivi ad alte prestazioni.

Un sistema MOCVD standard è composto da cinque sottosistemi principali, ognuno dei quali svolge un ruolo essenziale e coordinato per garantire la sicurezza, la precisione e la riproducibilità del processo di crescita:

(1) Sistema di erogazione del gas

• Questo sottosistema controlla con precisione il flusso, la tempistica e il rapporto dei vari gas di processo introdotti nel reattore. Include:Linee di gas vettore
• (comunemente N₂ o H₂)Linee di alimentazione dei precursori organometallici, spesso tramite
• bollitori o vaporizzatoriFonti di gas idruro
• (ad esempio, NH₃, AsH₃, PH₃)Collettori di commutazione del gas

per il controllo dei percorsi di crescita/spurgo

(2) Sistema del reattore

• , che sono essenziali per l'avvio del processo di sputtering.Un suscettore in grafite rivestito in SiC
• , che sono essenziali per l'avvio del processo di sputtering.Un sistema di riscaldamento
• (ad esempio, riscaldatori RF o resistivi) per controllare la temperatura del substratoSensori di temperatura
• (termocoppie o pirometri IR)Finestre ottiche
• per diagnostica in situSistemi automatizzati di movimentazione dei wafer

per un efficiente carico/scarico del substrato(3)

Sistema di controllo del processo

• L'intero processo di crescita è gestito da una combinazione di:
• Controller logici programmabili (PLC)
• Controller di flusso massico (MFC)
• , che sono essenziali per l'avvio del processo di sputtering.Un computer host

per la gestione delle ricette e il monitoraggio in tempo reale

Questi sistemi garantiscono un controllo preciso della temperatura, delle portate e della tempistica in ogni fase del processo.

(4) Sistema di monitoraggio in situ

• Per mantenere la qualità e la consistenza del film, vengono integrati strumenti di monitoraggio in tempo reale, come:Sistemi di riflettometria riduce la variazione dello strato limite, migliorando ulteriormente spessore dello strato epitassiale
• e della velocità di crescitaSensori di curvatura del wafer
• per rilevare stress o curvaturePirometri a infrarossi

con compensazione della riflettività per una misurazione accurata della temperatura

Questi strumenti consentono regolazioni immediate del processo, migliorando l'uniformità e la qualità del materiale.

(5) Sistema di abbattimento degli scarichi

• I sottoprodotti tossici e piroforici generati durante il processo, come arsina o fosfina, devono essere neutralizzati. Il sistema di scarico in genere include:
• Scrubber a bruciatore
• Ossidatori termici

Scrubber chimici

Questi garantiscono la conformità agli standard di sicurezza e ambientali.

Configurazione del reattore Close-Coupled Showerhead (CCS)Molti sistemi MOCVD avanzati adottano un design Close-Coupled Showerhead (CCS)

, in particolare per l'epitassia a base di GaN. In questa configurazione, una piastra a soffione inietta i gas del gruppo III e del gruppo V separatamente ma in stretta prossimità del substrato rotante.Questo riduce al minimo le reazioni parassite in fase gassosa e migliora l'efficienza di utilizzo dei precursori. La breve distanza tra il soffione e il wafer garantisce una distribuzione uniforme del gas sulla superficie del wafer. Nel frattempo, la rotazione del suscettore riduce la variazione dello strato limite, migliorando ulteriormente l'uniformità dello spessore dello strato epitassiale

.

Magnetron SputteringIl magnetron sputtering è una tecnica di deposizione fisica da vapore (PVD) ampiamente utilizzata per la fabbricazione di strati funzionali e rivestimenti superficiali. Impiega un campo magnetico per migliorare l'espulsione di atomi o molecole da un materiale bersaglio, che vengono poi depositati su un

substrato

per formare un film sottile. Questo metodo è ampiamente applicato nella produzione di dispositivi a semiconduttore, rivestimenti ottici, film ceramici e altro ancora.

Principio di funzionamento del magnetron sputteringSelezione del materiale bersaglioIl bersagliofabbricazione di semiconduttorimetallofabbricazione di semiconduttorilegafabbricazione di semiconduttoriossido, un nitruroMEMS

catodo magnetron

.Ambiente sottovuotoIl processo di sputtering viene condotto in condizioni di alto vuotoFase 3: Reazione superficiale e crescita del film, e l'

uniformità

del film depositato.Generazione di plasmaUn gas inerte, tipicamente argon (Ar), viene introdotto nella camera e ionizzato per formare un plasmaFase 3: Reazione superficiale e crescita del filmioni Ar⁺ con carica positiva ed

elettroni liberi

, che sono essenziali per l'avvio del processo di sputtering.Applicazione del campo magneticoUn campo magnetico viene applicato vicino alla superficie del bersaglio. Questo campo magnetico intrappola gli elettroni vicino al bersaglio, aumentando la loro lunghezza del percorso e migliorando l'efficienza di ionizzazione, portando a una regione di plasma densoMEMS

plasma magnetron

.Processo di sputteringGli ioni Ar⁺ vengono accelerati verso la superficie del bersaglio caricata negativamente, bombardandola e staccando gli atomi dal bersaglio tramite trasferimento di quantità di motoMEMS

.

.Deposizione chimica da vapore assistita da plasma (PECVD)La fabbricazione di semiconduttori è una tecnica ampiamente utilizzata per depositare una varietà di film sottili funzionali, come fotovoltaica, nitruro di silicio (SiNx)
 

e

biossido di silicio (SiO₂). Di seguito è mostrato uno schema di un tipico sistema PECVD.Principio di funzionamentoNella PECVD, i precursori gassosi contenenti gli elementi del film desiderati vengono introdotti in una camera di deposizione sottovuoto. Una scarica a bagliore viene generata utilizzando una sorgente di alimentazione esterna, che eccita i gas in uno stato di plasma. Le specie reattive nel plasma subiscono MEMS

, portando alla formazione di un film solido sulla

• superficie del substrato.
• L'eccitazione del plasma può essere ottenuta utilizzando diverse sorgenti di energia, tra cui:
• Eccitazione a radiofrequenza (RF)
• ,

Eccitazione a corrente continua (CC) ad alta tensioneEccitazione a impulsiEccitazione a microondeLa PECVD consente la crescita di film con uniformità eccellente sia nello spessore che nella composizione. Inoltre, questa tecnica fornisce forte adesione del film e supporta elevati tassi di deposizione

a temperature del substrato relativamente

basse

, rendendola adatta per applicazioni sensibili alla temperatura.
Meccanismo di deposizioneIl processo di formazione del film PECVD prevede in genere tre passaggi chiave:Fase 1: Generazione del plasma Sotto l'influenza di un campo elettromagnetico, viene avviata una scarica a bagliore, formando un plasma. Gli elettroni ad alta energia collidono con le molecole di gas precursore, avviando fabbricazione di semiconduttori che scompongono i gas in fotovoltaica, MEMS

e
specie attive.Fase 2: Trasporto e reazioni secondarie

I prodotti della reazione primaria migrano verso il substrato. Durante questo trasporto, si verificano
reazioni secondarie tra le specie attive, generando intermedi aggiuntivi o composti che formano il film.Fase 3: Reazione superficiale e crescita del film Quando raggiungono la superficie del substrato, sia le specie primarie che le specie secondarie vengono assorbite

e reagiscono chimicamente con la superficie, formando un film solido. Contemporaneamente, i sottoprodotti volatilifabbricazione di semiconduttoriQuesto processo in più fasi consente un controllo preciso sulle proprietà del film come fabbricazione di semiconduttori, fotovoltaica, composizione chimica e fabbricazione di semiconduttori—rendendo la PECVD una tecnologia fondamentale nella fabbricazione di semiconduttori, fotovoltaica, MEMS