Una panoramica completa delle tecniche di deposizione di film sottili: MOCVD, Magnetron Sputtering e PECVD

Nella produzione di semiconduttori, sebbene la fotolitografia e l'incisione siano i processi più frequentemente menzionati, le tecniche di deposizione epitassiale o di film sottile sono altrettanto critiche. Questo articolo presenta diversi metodi di deposizione di film sottili comunemente utilizzati nella fabbricazione di chip, tra cui:MOCVD, sputtering magnetron, EPECVD.

Perché i processi a film sottile sono essenziali nella produzione di chip?

Per fare un esempio, immaginate un semplice pane piatto cotto al forno. Da solo, potrebbe avere un sapore insipido. Tuttavia, spennellandone la superficie con diverse salse, come una saporita pasta di fagioli o uno sciroppo di malto dolce, potete trasformarne completamente il sapore. Queste coperture che esaltano il sapore sono simili afilm sottilinei processi dei semiconduttori, mentre la piadina stessa rappresenta ilsubstrato.

Nella fabbricazione dei chip, i film sottili svolgono numerose funzioni (isolamento, conduttività, passivazione, assorbimento della luce, ecc.) e ciascuna funzione richiede una tecnica di deposizione specifica.

1. Deposizione chimica da vapore metallo-organico (MOCVD)

La MOCVD è una tecnica altamente avanzata e precisa utilizzata per la deposizione di film sottili e nanostrutture di semiconduttori di alta qualità. Svolge un ruolo cruciale nella fabbricazione di dispositivi come LED, laser ed elettronica di potenza.

Componenti chiave di un sistema MOCVD:

• Sistema di erogazione del gas
  Responsabile dell'introduzione precisa dei reagenti nella camera di reazione. Ciò include il controllo del flusso di:

• Gas di trasporto

• Precursori metallo-organici

• Gas idruri
  Il sistema è dotato di valvole multidirezionali per passare dalla modalità di crescita a quella di spurgo.

• Camera di reazione
  Il cuore del sistema, dove avviene la crescita effettiva del materiale. I componenti includono:

  • Suscettore in grafite (supporto del substrato)

  • Sensori di riscaldamento e temperatura

  • Porte ottiche per il monitoraggio in situ

  • Bracci robotici per il carico/scarico automatizzato dei wafer

• Sistema di controllo della crescita
  È costituito da controllori logici programmabili e da un computer host. Questi garantiscono un monitoraggio preciso e ripetibile durante l'intero processo di deposizione.

• Monitoraggio in situ
  Strumenti come pirometri e riflettometri misurano:

  • Spessore del film

  • Temperatura superficiale

  • Curvatura del substrato
    Questi consentono feedback e regolazioni in tempo reale.

• Sistema di trattamento dei gas di scarico
  Tratta i sottoprodotti tossici mediante decomposizione termica o catalisi chimica per garantire la sicurezza e il rispetto dell'ambiente.

Configurazione del soffione doccia a giunto chiuso (CCS):

Nei reattori MOCVD verticali, il design CCS consente l'iniezione uniforme dei gas attraverso ugelli alternati in una struttura a soffione. Ciò riduce al minimo le reazioni premature e migliora l'uniformità della miscelazione.

• ILsuscettore di grafite rotanteaiuta ulteriormente a omogeneizzare lo strato limite dei gas, migliorando l'uniformità della pellicola sul wafer.

2. Sputtering magnetronico

Lo sputtering magnetron è un metodo di deposizione fisica da vapore (PVD) ampiamente utilizzato per depositare pellicole e rivestimenti sottili, in particolare in elettronica, ottica e ceramica.

Principio di funzionamento:

1. Materiale bersaglio
   Il materiale sorgente da depositare (metallo, ossido, nitruro, ecc.) viene fissato su un catodo.

2. Camera a vuoto
   Il processo viene eseguito sotto vuoto spinto per evitare contaminazioni.

3. Generazione di plasma
   Un gas inerte, solitamente argon, viene ionizzato per formare plasma.

4. Applicazione del campo magnetico
   Un campo magnetico confina gli elettroni vicino al bersaglio per migliorare l'efficienza della ionizzazione.

5. Processo di sputtering
   Gli ioni bombardano il bersaglio, dislocando gli atomi che attraversano la camera e si depositano sul substrato.

Vantaggi dello sputtering magnetronico:

• Deposizione uniforme del filmsu vaste aree.

• Capacità di depositare composti complessi, comprese leghe e ceramiche.

• Parametri di processo sintonizzabiliper un controllo preciso dello spessore, della composizione e della microstruttura.

• Alta qualità della pellicolacon forte adesione e resistenza meccanica.

• Ampia compatibilità dei materiali, dai metalli agli ossidi e ai nitruri.

• Funzionamento a bassa temperatura, adatto per substrati sensibili alla temperatura.

3. Deposizione chimica da vapore potenziata dal plasma (PECVD)

La PECVD è ampiamente utilizzata per la deposizione di film sottili come nitruro di silicio (SiNx), biossido di silicio (SiO₂) e silicio amorfo.

Principio:

In un sistema PECVD, i gas precursori vengono introdotti in una camera a vuoto dove unplasma a scarica luminescenteviene generato utilizzando:

• Eccitazione RF

• Alta tensione CC

• Fonti a microonde o pulsate

Il plasma attiva le reazioni in fase gassosa, generando specie reattive che si depositano sul substrato formando una pellicola sottile.

Fasi di deposizione:

1. Formazione del plasma
   Eccitati dai campi elettromagnetici, i gas precursori si ionizzano formando radicali reattivi e ioni.

2. Reazione e trasporto
   Queste specie subiscono reazioni secondarie mentre si muovono verso il substrato.

3. Reazione superficiale
   Una volta raggiunto il substrato, vengono adsorbiti, reagiscono e formano una pellicola solida. Alcuni sottoprodotti vengono rilasciati sotto forma di gas.

Vantaggi del PECVD:

• Eccellente uniformitànella composizione e nello spessore della pellicola.

• Forte adesioneanche a temperature di deposizione relativamente basse.

• Elevati tassi di deposizione, rendendolo adatto alla produzione su scala industriale.

4. Tecniche di caratterizzazione dei film sottili

Comprendere le proprietà dei film sottili è essenziale per il controllo qualità. Le tecniche più comuni includono:

(1) Diffrazione dei raggi X (XRD)

• Scopo: Analizza le strutture cristalline, le costanti reticolari e gli orientamenti.

• Principio: Basato sulla legge di Bragg, misura il modo in cui i raggi X si diffrangeno attraverso un materiale cristallino.

• Applicazioni: Cristallografia, analisi di fase, misurazione della deformazione e valutazione di film sottili.

(2) Microscopia elettronica a scansione (SEM)

• Scopo: Osservare la morfologia e la microstruttura della superficie.

• Principio: Utilizza un fascio di elettroni per scansionare la superficie del campione. I segnali rilevati (ad esempio, elettroni secondari e retrodiffusi) rivelano i dettagli della superficie.

• Applicazioni: Scienza dei materiali, nanotecnologie, biologia e analisi dei guasti.

(3) Microscopia a forza atomica (AFM)

• Scopo: Superfici dell'immagine con risoluzione atomica o nanometrica.

• Principio: Una sonda affilata scansiona la superficie mantenendo costante la forza di interazione; gli spostamenti verticali generano una topografia 3D.

• Applicazioni: Ricerca sulle nanostrutture, misurazione della rugosità superficiale, studi biomolecolari.