Processus et équipements pour semi-conducteurs : processus et équipements de dépôt de couches minces

Le dépôt de couches minces consiste à déposer un film de taille nanométrique sur le substrat, puis, avec des processus répétés tels que la gravure et le polissage, de nombreuses couches conductrices ou isolantes empilées sont créées et chaque couche présente un motif de circuit conçu. De cette manière, les composants et circuits semi-conducteurs sont intégrés dans des puces aux structures complexes.

Il existe trois grandes catégories de dépôts de couches minces :

◈ CVD (dépôt chimique en phase vapeur)

◈ PVD (dépôt en phase vapeur)

◈ ALD (dépôt de couches atomiques)

Examinons de plus près les technologies de dépôt de couches minces de ces trois catégories.

 

Processus de dépôt chimique en phase vapeur

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) forme un film mince à la surface d'un substrat par décomposition thermique et/ou réaction de composés gazeux. Les matériaux de couche de film qui peuvent être fabriqués par la méthode CVD comprennent le carbure, le nitrure, le borure, l'oxyde, le sulfure, le séléniure, le tellurure, ainsi que certains composés métalliques, alliages, etc.

Le dépôt chimique en phase vapeur est actuellement une méthode de fabrication microscopique importante car il présente les caractéristiques suivantes :

1. Large gamme de dépôts : des films métalliques et non métalliques peuvent être déposés, ainsi que des films avec des alliages multi-composants, ainsi que des couches céramiques ou composées selon les besoins.

2. La réaction CVD est effectuée à pression atmosphérique ou sous vide poussé, et la diffraction du revêtement est bonne, et il peut être recouvert uniformément pour des trous profonds et des trous fins sur des surfaces de formes ou de pièces complexes.

3. Il peut obtenir un revêtement en film mince de haute pureté, de bonne compacité, de faible contrainte résiduelle et de bonne cristallisation. En raison de la diffusion mutuelle des gaz de réaction, des produits de réaction et des substrats, un film bien adhésif peut être obtenu, ce qui est important pour les films de renforcement de surface tels que la passivation de surface, la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure.

4. Étant donné que la température à laquelle le film est développé est bien inférieure au point de fusion du matériau du film, il est possible d'obtenir une couche de film très pure et entièrement cristallisée, ce qui est nécessaire pour certains revêtements semi-conducteurs.

5. En ajustant les paramètres de dépôt, la composition chimique, la morphologie, la structure cristalline et la granulométrie du revêtement peuvent être efficacement contrôlées.

6. L'équipement est simple, facile à utiliser et à entretenir.

7. La température de réaction est trop élevée, généralement entre 850 et 1 100 degrés, et de nombreux matériaux matriciels ne peuvent pas résister à la température élevée du CVD. La technologie assistée par plasma ou par laser peut être utilisée pour réduire la température de dépôt.

Le processus de dépôt chimique en phase vapeur est divisé en trois étapes importantes :

1, le gaz de réaction se diffuse à la surface de la matrice

2, le gaz de réaction est adsorbé à la surface de la matrice

3,Une réaction chimique se produit à la surface de la matrice pour former des dépôts solides et les sous-produits en phase gazeuse résultants se détachent de la surface de la matrice.

Les réactions de dépôt chimique en phase vapeur les plus courantes sont : la réaction de décomposition thermique, la réaction de synthèse chimique et la réaction de transport chimique. Les principaux processus réactionnels de la CVD sont les suivants :
i). Polysilicium

SiH4 ->Si + 2h2 (600 degrés)

Vitesse de dépôt 100 - 200 nm/min

Du phosphore (phosphine), du bore (diborane) ou de l'arsenic gazeux peuvent être ajoutés. Le polysilicium peut également être dopé avec un gaz de diffusion après dépôt.

ii).SiliciumDioxyde

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 degré)

Le SiO2 est utilisé comme couche isolante ou de passivation. Le phosphore est généralement ajouté pour obtenir de meilleures propriétés de flux électronique. Lorsque le silicium est présent dans l’oxygène, SiO2 croît thermiquement. L'oxygène provient de l'oxygène ou de la vapeur d'eau. La température ambiante requise est de 900 à 1 200 degrés. La surface de la plaquette de silicium après oxydation sélective est représentée dans la figure ci-dessous :

L'oxygène et l'eau diffusent à travers le SiO2 existant et se combinent avec Si pour former du SiO2 supplémentaire. L'eau (vapeur) se diffuse plus facilement que l'oxygène, elle croît donc beaucoup plus rapidement grâce à la vapeur. Les oxydes sont utilisés pour fournir une couche isolante et de passivation pour former la grille du transistor. L'oxygène sec est utilisé pour former des portes et de fines couches d'oxyde. La vapeur est utilisée pour former une épaisse couche d’oxyde. La couche d'oxyde isolante mesure généralement environ 1 500 nm et la couche de grille mesure généralement entre 200 nm et 500 nm.

iii). Nitrure de Siicon

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Équipement CVD pour dépôt chimique en phase vapeur

Il existe trois types fondamentaux de réacteurs CVD :

◈ APCVD : CVD à pression atmosphérique

◈ LPCVD : CVD basse pression, LPCVD

◈ UHVCVD : CVD sous vide ultra poussé

◈ LCVD : CVD laser

◈ MOCVD : CVD métallo-organique

◈ CVD (PECVD

Le diagramme schématique de l'équipement pour le processus CVD basse pression est présenté dans la figure ci-dessous.

Le diagramme ci-dessous montre la structure d'une usine CVD renforcée par des ions utilisée pour déposer du carbone et préparer un revêtement semblable à du diamant.

PVDProcessus

Dans des conditions de vide, le matériau à la surface de la source matérielle (solide ou liquide) est vaporisé en atomes gazeux, molécules ou parties ionisées en ions par des méthodes physiques, et un film mince ayant une fonction spéciale est déposé sur la surface de la matrice. grâce à un processus de gaz (ou plasma) à basse pression. Le dépôt physique en phase vapeur peut non seulement déposer des films métalliques et des films d'alliage, mais également des composés, des céramiques, des semi-conducteurs, des films polymères, etc. Le principe de base de la technologie de dépôt physique en phase vapeur peut être divisé en trois étapes de processus : (1) Vaporisation du matériau de placage : même si le matériau de placage s'évapore, se sublime ou est pulvérisé, c'est-à-dire à travers la source de vaporisation du matériau de placage. (2) Migration des atomes, molécules ou ions du matériau de placage : après la collision des atomes, molécules ou ions fournis par la source de gazéification, diverses réactions seront générées. (3) Dépôt d'atomes, de molécules ou d'ions de placage sur le substrat. Le processus de technologie de dépôt physique en phase vapeur est non polluant et nécessite peu de consommables. Le film est uniforme et dense et la force de liaison avec le substrat est forte. La technologie est largement utilisée dans l'aérospatiale, l'électronique, l'optique, les machines, la construction, l'industrie légère, la métallurgie, les matériaux et d'autres domaines, et peut préparer des revêtements résistants à l'usure, à la corrosion, décoratifs, conducteurs, isolants, de conductivité lumineuse, de piézoélectricité, magnétisme, lubrification, supraconductivité et autres caractéristiques. Il existe également une variété de procédés de dépôt physique en phase vapeur :

◈ Revêtement sous vide en couche mince

◈ Pulvérisation PVD

◈ Revêtement ionique

Nous décrivons ci-dessous les technologies de traitement pour chacun de ces trois types de méthodes.

◈ Revêtement sous vide en couche mince

Principe:Revêtement sous vide en couche minceest une technologie qui chauffe et évapore la cible de placage sous vide, de sorte qu'un grand nombre d'atomes et de molécules soient vaporisés et quittent le matériau de placage liquide ou quittent la surface de placage solide (ou sublimation), et finalement se déposent sur la surface du substrat. Dans l'ensemble du processus, les atomes et molécules gazeux migreront directement vers la matrice avec peu de collisions sous vide et se déposeront à la surface de la matrice pour former un film mince. Les méthodes d'évaporation comprennent le chauffage par résistance, le chauffage par induction à haute fréquence, le faisceau électronique, le faisceau laser, le matériau de placage de bombardement à haute énergie par faisceau ionique, etc.

Le revêtement sous vide en couche mince est l’une des technologies les plus anciennes du PVD.

Source d'évaporation :Le matériau de placage est chauffé à la température d'évaporation et vaporisé, ce dispositif de chauffage est appelé source d'évaporation. Les sources d'évaporation les plus couramment utilisées sont les sources d'évaporation par résistance et les sources d'évaporation par faisceau d'électrons, et les sources d'évaporation à des fins spéciales comprennent le chauffage par induction à haute fréquence, le chauffage par arc, le chauffage par rayonnement, les sources d'évaporation par chauffage laser, etc. Processus : Le processus de base du vide l'évaporation est la suivante :

Traitement de pré-placage : comprenant le nettoyage des pièces de placage et le prétraitement. Les méthodes de nettoyage spécifiques comprennent le nettoyage par agent de nettoyage, le nettoyage par solvant chimique, le nettoyage par ultrasons et le nettoyage par bombardement ionique. Le prétraitement spécifique comprend l'élimination de l'électricité statique, l'application d'un primaire, etc.

Chargement du four : y compris le nettoyage de la chambre à vide, le nettoyage des supports de placage, l'installation et le débogage des sources d'évaporation et le revêtement des blouses.

Aspiration : généralement, lors du premier pompage grossier à plus de 6,6 Pa, la pompe à vide de maintenance préalable à l'étape de la pompe à diffusion est ouverte plus tôt et la pompe à diffusion est chauffée. Une fois le préchauffage suffisant, ouvrez la vanne haute et pompez-la jusqu'à un vide de fond de 6 × 10-3 Pa avec une pompe à diffusion.

Cuisson : Cuire les pièces plaquées à la température souhaitée.

Bombardement ionique : le degré de vide est généralement de 10 Pa ~ 10-1 Pa, la tension du bombardement ionique est de 200 V ~ 1 kV haute tension négative et le temps de départ est de 5 min ~ 30 min,

Pré-fusion : Ajustez le courant pour pré-fondre le matériau de placage et dégazer pendant 1 min à 2 min.

Dépôt par évaporation : Ajustez le courant d’évaporation en fonction des besoins jusqu’à la fin du temps de dépôt souhaité. 8. Refroidissement : Les pièces plaquées sont refroidies à une certaine température dans la chambre à vide.

9. Four : Après la cueillette, fermez la chambre à vide, passez le vide à 1×10-1Pa et la pompe à diffusion est refroidie à la température admissible avant d'éteindre la pompe de maintenance et l'eau de refroidissement.

◈ Pulvérisation PVD

Le revêtement par pulvérisation cathodique fait référence à l'utilisation de particules obtenues en énergie (telles que des ions argon) pour bombarder la surface du matériau cible sous vide, afin que les atomes à la surface du matériau cible puissent obtenir suffisamment d'énergie pour s'échapper. appelé pulvérisation. La cible pulvérisée est déposée sur la surface du substrat, ce que l'on appelle un revêtement par pulvérisation cathodique.

Les atomes d'argon (Ar) peuvent être ionisés en ions d'argon (Ar+) en remplissant de l'argon (Ar) dans un environnement sous vide et en déchargeant de l'argon à haute tension. Sous l'action de la force du champ électrique, les ions argon accélèrent le bombardement de la cible cathodique en matériau de placage, et la cible sera pulvérisée et déposée sur la surface de la pièce.

Le revêtement par pulvérisation cathodique peut être divisé en pulvérisation continue, pulvérisation radiofréquence et pulvérisation magnétron, et la source de tension de décharge luminescente et le champ de commande correspondants sont respectivement un courant continu haute tension, un courant alternatif radiofréquence (RF) et un champ magnétron (M).

Revêtement par pulvérisation cathodique, vitesse de dépôt élevée, bonne répétabilité du processus, automatisation facile, adapté au revêtement de décoration architecturale à grande échelle et au revêtement fonctionnel de matériaux industriels. Les revêtements par pulvérisation cathodique jouent également un rôle important dans la fabrication de circuits intégrés et de dispositifs semi-conducteurs.

Avec le développement des industries de haute technologie et émergentes, il existe de nombreux points forts nouveaux et avancés dans la technologie de dépôt physique en phase vapeur, tels que la technologie de compatibilité de placage ionique multi-arc et de pulvérisation magnétron, les grandes cibles rectangulaires à arc long et les cibles de pulvérisation, les cibles de non-équilibre. Cibles de pulvérisation magnétron, technologie à double cible, technologie de revêtement d'enroulement par dépôt multi-arc de mousse de ruban, technologie de revêtement d'enroulement de tissu de fibres en bande, etc., utilisation d'ensembles complets d'équipements de revêtement, développement automatisé par ordinateur à grande échelle de l'industrie chimique.

◈ Revêtement ionique

Le principe de base du revêtement ionique consiste à utiliser la technologie d'ionisation par plasma sous vide pour ioniser partiellement les atomes du matériau de placage en ions, tout en produisant de nombreux atomes neutres à haute énergie. Une polarisation négative est appliquée au substrat à plaquer, de sorte que sous l'action d'une polarisation négative profonde, des ions se déposent sur la surface du substrat pour former un film mince.

À l'aide d'une décharge luminescente à gaz inerte, le revêtement ionique fait gazéifier, évaporer et ioniser le matériau de placage (tel que le titane métallique), et les ions sont accélérés par le champ électrique pour bombarder la surface de la pièce avec une énergie plus élevée, à ce moment-là. Pendant ce temps, si du dioxyde de carbone, de l'azote et d'autres gaz de réaction sont introduits, des couches de revêtement TiC et TiN peuvent être obtenues sur la surface de la pièce et la dureté atteint 2000HV.

Le revêtement ionique est l’un des procédés de revêtement les plus largement utilisés dans la méthode de dépôt physique en phase vapeur.

Ses avantages sont les suivants :

①L'adhérence entre la couche de film et la matrice est forte et la température de réaction est basse.

②La couche de film est uniforme et dense.

③Bon placage d'enroulement sous pression de polarisation négative.

④Aucune contamination.

⑤Une large gamme de matériaux de substrat convient au placage ionique.

Avec le développement de la technologie de revêtement ionique, de nombreuses méthodes différentes de technologie de revêtement ionique ont émergé, telles que : le placage ionique réactif, le revêtement plasma, le placage ionique multi-arcs, etc. Je ne les passerai pas tous en revue ici.

PVDÉquipement

L'équipement de dépôt physique en phase vapeur comprend les coucheuses par évaporation sous vide, les coucheuses par pulvérisation sous vide et les coucheuses ioniques sous vide. La figure ci-dessous montre le principe structurel de la coucheuse par évaporation sous vide.

La figure suivante montre le diagramme schématique de la structure de l'équipement du revêtement par pulvérisation cathodique

La figure suivante montre le schéma structurel de l'équipement de revêtement ionique

ALDProcessus

ALD : Atomic Layers Deposition est une technologie de dépôt de couches minces de haute précision basée sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui est une technologie qui dépose des matériaux couche par couche sur la surface d'un substrat sous la forme d'un seul film atomique basé sur phase vapeur chimique. Contrairement au CVD conventionnel, l'ALD est un dépôt dans lequel les précurseurs de réaction sont déposés alternativement, et la réaction chimique du nouveau film atomique est directement liée à la couche précédente, de sorte qu'une seule couche d'atomes est déposé dans chaque réaction.

Une seule couche d'atomes est déposée dans chaque réaction, ce qui est auto-limité, permettant au film d'être déposé sur le substrat conforme et sans piqûres. En conséquence, l’épaisseur du film peut être contrôlée avec précision en contrôlant le nombre de cycles de dépôt.

Les matériaux déposables ALD comprennent les métaux, les oxydes, le carbone (azote, soufre, silicium), divers matériaux semi-conducteurs et les matériaux supraconducteurs. À mesure que les circuits intégrés deviennent de plus en plus intégrés et plus petits, les diélectriques de grille à constante diélectrique élevée (k élevé) remplacent progressivement les grilles traditionnelles en oxyde de silicium, et le rapport d'aspect devient de plus en plus grand, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de capacité de couverture d'étape de technologie de dépôt, l'ALD a donc été de plus en plus adoptée comme nouveau processus de dépôt pouvant répondre aux exigences ci-dessus.

Un cycle ALD peut être divisé en quatre étapes :

Le premier gaz précurseur est introduit dans le substrat, et une adsorption ou une réaction chimique se produit avec la surface du substrat ;

Rincer le gaz restant avec du gaz inerte ;

Introduire le deuxième gaz précurseur ; réaction chimique avec le premier gaz précurseur adsorbé sur la surface de la matrice pour former un revêtement, ou le produit réagissant avec le premier précurseur et la matrice continue de réagir pour former un revêtement ;

Lavez à nouveau l'excès de gaz avec du gaz inerte.

Caractéristiques et avantages de la technologie ALD :

Excellente conformité tridimensionnelle : ALD produit un film qui correspond à la forme du substrat d'origine, c'est-à-dire que le film peut être déposé uniformément sur une surface de type concave. Par conséquent, il convient aux substrats de différentes formes ; Un film tridimensionnel uniforme, une forme constante et une conformité sont les avantages uniques de la technologie ALD.

Planéité élevée : la surface est exempte de trous d'épingle et le mécanisme de croissance ascendant détermine la nature sans trous d'épingle du film, ce qui est précieux pour les applications de blocage et de passivation.

Excellente adhérence : L'adsorption chimique du précurseur sur la surface du substrat assure une excellente adhérence

Faible budget thermique (faible température de dépôt) : la croissance de couches minces peut être réalisée à basse température (température ambiante jusqu'à 400 degrés), ce qui est très attrayant pour les dispositifs polymères soumis à des contraintes de température et les revêtements de biomatériaux.

Haute précision : l'épaisseur du film de substrat peut être contrôlée simplement et précisément en contrôlant le cycle de réaction, et la précision de l'épaisseur du film peut atteindre l'épaisseur d'un atome.

Équipement ALD

La température de processus de l'équipement ALD est de 50~500 degrés, ce qui peut fonctionner sous pression normale, mais il a tendance à fonctionner dans des conditions de basse pression (0,1~10 Torr). L'ALD peut être divisé en dépôt atomique à chaud et dépôt de couche atomique assisté par plasma (PEALD) selon différentes méthodes d'alimentation en énergie. L'ALD thermique repose sur l'énergie thermique pour exciter deux ou plusieurs précurseurs afin qu'ils réagissent chimiquement. Afin de fournir une énergie d'activation de réaction suffisante, l'équipement de dépôt thermique de couche atomique fonctionne généralement dans la plage de 200 à 500 degrés.

L'image ci-dessous montre un dispositif ALD à une seule plaquette

0020-24896 BAGUE DE COUVERCLE 6" INOX 101 AL

 

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