Tổng quan toàn diện về các kỹ thuật lắng đọng màng mỏng: MOCVD, phún xạ Magnetron và PECVD

Trong sản xuất chất bán dẫn, trong khi quang khắc và khắc là những quy trình được nhắc đến nhiều nhất, các kỹ thuật lắng đọng màng mỏng hoặc epitaxial cũng quan trọng không kém. Bài viết này giới thiệu một số phương pháp lắng đọng màng mỏng phổ biến được sử dụng trong chế tạo chip, bao gồmMOCVD, phun magnetron, VàPECVD.

Tại sao quy trình màng mỏng lại cần thiết trong sản xuất chip?

Để minh họa, hãy tưởng tượng một chiếc bánh mì dẹt nướng đơn giản. Riêng nó, nó có thể có vị nhạt nhẽo. Tuy nhiên, bằng cách phết lên bề mặt bánh các loại sốt khác nhau—như sốt đậu mặn hoặc xi-rô mạch nha ngọt—bạn có thể biến đổi hoàn toàn hương vị của nó. Những lớp phủ tăng cường hương vị này giống nhưmàng mỏngtrong các quá trình bán dẫn, trong khi bản thân bánh mì dẹt đại diện chochất nền.

Trong chế tạo chip, màng mỏng có nhiều chức năng khác nhau như cách điện, dẫn điện, thụ động hóa, hấp thụ ánh sáng, v.v. và mỗi chức năng đều yêu cầu một kỹ thuật lắng đọng cụ thể.

1. Lắng đọng hơi hóa học kim loại hữu cơ (MOCVD)

MOCVD là một kỹ thuật tiên tiến và chính xác cao được sử dụng để lắng đọng các màng mỏng bán dẫn và cấu trúc nano chất lượng cao. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị như đèn LED, laser và điện tử công suất.

Các thành phần chính của hệ thống MOCVD:

• Hệ thống cung cấp khí
  Chịu trách nhiệm đưa chính xác chất phản ứng vào buồng phản ứng. Bao gồm kiểm soát lưu lượng của:

• Khí mang

• Tiền chất kim loại hữu cơ

• Khí hydrua
  Hệ thống có van đa chiều để chuyển đổi giữa chế độ tăng trưởng và chế độ thanh lọc.

• Buồng phản ứng
  Trái tim của hệ thống nơi diễn ra sự phát triển vật chất thực tế. Các thành phần bao gồm:

  • Chất nhạy cảm than chì (chất giữ chất nền)

  • Cảm biến nhiệt độ và máy sưởi

  • Cổng quang để giám sát tại chỗ

  • Cánh tay robot để nạp/dỡ wafer tự động

• Hệ thống kiểm soát tăng trưởng
  Bao gồm bộ điều khiển logic lập trình và máy tính chủ. Chúng đảm bảo giám sát chính xác và khả năng lặp lại trong suốt quá trình lắng đọng.

• Giám sát tại chỗ
  Các công cụ như nhiệt kế và phản xạ kế đo:

  • Độ dày màng

  • Nhiệt độ bề mặt

  • Độ cong của chất nền
    Những điều này cho phép phản hồi và điều chỉnh theo thời gian thực.

• Hệ thống xử lý khí thải
  Xử lý các sản phẩm phụ độc hại bằng phương pháp phân hủy nhiệt hoặc xúc tác hóa học để đảm bảo an toàn và tuân thủ quy định về môi trường.

Cấu hình vòi sen khép kín (CCS):

Trong lò phản ứng MOCVD thẳng đứng, thiết kế CCS cho phép khí được phun đồng đều qua các vòi phun xen kẽ trong cấu trúc vòi sen. Điều này giảm thiểu các phản ứng sớm và tăng cường trộn đồng đều.

• Cácquay graphite susceptorgiúp đồng nhất lớp ranh giới khí, cải thiện tính đồng nhất của màng trên toàn bộ tấm wafer.

2. Phun xạ Magnetron

Phun xạ magnetron là phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) được sử dụng rộng rãi để lắng đọng màng mỏng và lớp phủ, đặc biệt là trong điện tử, quang học và gốm sứ.

Nguyên lý hoạt động:

1. Vật liệu mục tiêu
   Vật liệu nguồn cần lắng đọng—kim loại, oxit, nitrua, v.v.—được cố định trên catốt.

2. Buồng chân không
   Quá trình này được thực hiện trong điều kiện chân không cao để tránh ô nhiễm.

3. Tạo ra Plasma
   Một loại khí trơ, thường là argon, được ion hóa để tạo thành plasma.

4. Ứng dụng từ trường
   Từ trường giới hạn các electron gần mục tiêu để tăng cường hiệu quả ion hóa.

5. Quá trình phun
   Các ion bắn phá mục tiêu, đánh bật các nguyên tử di chuyển qua buồng và lắng đọng trên chất nền.

Ưu điểm của phương pháp phún xạ Magnetron:

• Sự lắng đọng màng đồng nhấttrên diện tích rộng lớn.

• Khả năng lắng đọng các hợp chất phức tạp, bao gồm hợp kim và gốm sứ.

• Các thông số quy trình có thể điều chỉnhđể kiểm soát chính xác độ dày, thành phần và cấu trúc vi mô.

• Chất lượng phim caocó độ bám dính và độ bền cơ học cao.

• Khả năng tương thích vật liệu rộng, từ kim loại đến oxit và nitrua.

• Hoạt động ở nhiệt độ thấp, thích hợp cho các chất nền nhạy cảm với nhiệt độ.

3. Lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD)

PECVD được sử dụng rộng rãi để lắng đọng các màng mỏng như silicon nitride (SiNx), silicon dioxide (SiO₂) và silicon vô định hình.

Nguyên tắc:

Trong hệ thống PECVD, các khí tiền chất được đưa vào buồng chân không, tại đóplasma phóng điện phát sángđược tạo ra bằng cách sử dụng:

• Kích thích RF

• Điện áp cao DC

• Nguồn vi sóng hoặc xung

Plasma kích hoạt các phản ứng ở pha khí, tạo ra các chất phản ứng lắng đọng trên chất nền để tạo thành một lớp màng mỏng.

Các bước lắng đọng:

1. Sự hình thành huyết tương
   Được kích thích bởi trường điện từ, các khí tiền thân sẽ ion hóa để tạo thành các gốc và ion phản ứng.

2. Phản ứng và vận chuyển
   Các loài này trải qua các phản ứng thứ cấp khi chúng di chuyển về phía chất nền.

3. Phản ứng bề mặt
   Khi tiếp cận chất nền, chúng hấp thụ, phản ứng và tạo thành một lớp màng rắn. Một số sản phẩm phụ được giải phóng dưới dạng khí.

Lợi ích của PECVD:

• Độ đồng đều tuyệt vờivề thành phần và độ dày của màng phim.

• Độ bám dính mạnhngay cả ở nhiệt độ lắng đọng tương đối thấp.

• Tỷ lệ lắng đọng cao, làm cho nó phù hợp với sản xuất quy mô công nghiệp.

4. Kỹ thuật đặc trưng màng mỏng

Hiểu được các đặc tính của màng mỏng là điều cần thiết để kiểm soát chất lượng. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm:

(1) Khúc xạ tia X (XRD)

• Mục đích: Phân tích cấu trúc tinh thể, hằng số mạng và hướng.

• Nguyên tắc:Dựa trên Định luật Bragg, đo cách tia X nhiễu xạ qua vật liệu tinh thể.

• Ứng dụng:Tinh thể học, phân tích pha, đo độ biến dạng và đánh giá màng mỏng.

(2) Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

• Mục đích: Quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc vi mô.

• Nguyên tắc: Sử dụng chùm tia điện tử để quét bề mặt mẫu. Các tín hiệu được phát hiện (ví dụ, electron thứ cấp và electron tán xạ ngược) tiết lộ các chi tiết bề mặt.

• Ứng dụng:Khoa học vật liệu, công nghệ nano, sinh học và phân tích lỗi.

(3) Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

• Mục đích: Bề mặt hình ảnh ở độ phân giải nguyên tử hoặc nanomet.

• Nguyên tắc:Một đầu dò sắc nhọn quét bề mặt trong khi duy trì lực tương tác không đổi; các dịch chuyển theo chiều thẳng đứng tạo ra địa hình 3D.

• Ứng dụng: Nghiên cứu cấu trúc nano, đo độ nhám bề mặt, nghiên cứu sinh học phân tử.