芯耀
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這一篇將會介紹幾種薄膜制備方法，在半導體加工工藝中，被提及最多就是光刻和刻蝕，其次就是外延（薄膜）工藝了。
為什么芯片制造需要薄膜工藝呢？
舉個例子，生活中很多人喜歡吃燒餅，如果一個方方正正的燒餅不添加調料，烤出來沒什么味道，口感也不好。有的人喜歡吃咸味，就在燒餅表面刷一層豆瓣醬，喜歡吃甜味就在表面刷一層麥芽糖。
刷完醬后燒餅表面的這一層咸味或甜味的醬料，就是薄膜，它的出現改變了整個燒餅的味道，而燒餅本身就叫做襯底。
當然，在芯片加工過程中，薄膜的功能分很多種，對應的薄膜制備方法也有很多種，在這一篇文章中簡單介紹幾種常見的薄膜制備方法，包括MOCVD、磁控濺射、PECVD等……
一、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)
MOCVD外延生長系統是一種高度復雜和精密的設備,它在制備高質量半導體薄膜和納米結構方面發(fā)揮著關鍵作用?
MOCVD系統由五個核心部分組成,每個部分都承擔著不同但相互關聯的功能,共同確保了材料生長過程的高效性和安全性?
(1)氣體輸運系統:這一分系統的主要職責是精確控制各種反應物輸送到反應室中,包括反應物的計量?輸送時間和順序以及總氣體流速的調節(jié)?
它由幾個子系統組成,包括用于攜帶反應物的載氣供應子系統?提供金屬有機(MO)源的供應子系統?供應氫化物的供應子系統,以及用于控制氣體流向的生長/放空多路組合閥,如下圖所示,是MOCVD生長系統氣路示意圖?
(2)反應室系統:是MOCVD系統的核心,負責實際的材料生長過程?
這個部分包含用于承載襯底的石墨基座?用于加熱襯底的加熱器?溫度傳感器用于監(jiān)控生長環(huán)境溫度?光學檢測窗口以及自動裝卸片機械手,后者用于自動化地裝卸襯底,提高生產效率,下圖所示是MOCVD反應腔加熱狀態(tài)圖?
(3)生長控制系統:通過可編程控制器和控制計算機組成,負責整個MOCVD生長過程的精確控制和監(jiān)控?
控制器處理各種信號的采集?處理和輸出,而控制計算機則負責記錄和監(jiān)控材料生長的各個階段,確保過程的穩(wěn)定性和重復性?
4.原位監(jiān)測系統:包括反射率校正紅外輻射高溫計?反射率監(jiān)測和翹曲監(jiān)測設備?
這一系統能夠實時監(jiān)測材料生長過程中的關鍵參數,如薄膜厚度和均勻性,以及襯底的溫度,從而實現對生長過程的即時調整和優(yōu)化?
5.尾氣處理系統:負責處理反應過程中產生的有毒顆粒和氣體?
通過裂解或化學催化等方法,有效分解和吸收這些有害物質,確保操作環(huán)境的安全和符合環(huán)保標準?
此外,MOCVD設備通常安裝在配備有先進安全報警系統?有效的通風裝置和嚴格的溫度濕度控制系統的超凈室內?這些輔助設施和安全措施不僅保障了操作人員的安全,還提高了生長過程的穩(wěn)定性和最終產品的質量?
MOCVD系統的設計和操作反映了在半導體材料制備領域對精確度?重復性和安全性的高標準要求,是實現高性能電子和光電子器件制造的關鍵技術之一?
設備腔室內的垂直型近耦合噴淋頭(Closed-Coupled-Showerhead,CCS)MOCVD系統用于生長外延薄膜?
這種系統的設計采用了獨特的噴淋頭式結構,其核心特點在于能夠有效減少預反應,實現氣體的有效混合，這些氣體通過噴淋頭上相間分布的噴孔分別注入到反應室中,在其中充分混合,從而提高了反應的均勻性和效率?
噴淋頭式的結構設計使反應氣體能夠均勻地分布到位于其下方的襯底上,確保了襯底各個位置上反應氣體濃度的一致性?這一點對于形成具有均勻厚度的外延薄膜至關重要?
此外,石墨盤的旋轉進一步促進了化學反應邊界層的均勻化,使得外延薄膜的生長更為均勻?這種旋轉機制通過稀薄化學反應的邊界層,有助于減少局部濃度差異,從而提高薄膜生長的整體均勻性?
二、磁控濺射
磁控濺射是一種常用于薄膜沉積和表面涂層的物理氣相沉積技術。
它利用磁場將一個靶材料的原子或分子從靶表面釋放，并在基底材料表面生成薄膜。
這項技術廣泛應用于制造半導體器件、光學涂層、陶瓷涂層等領域。
磁控濺射的原理如下：
1、靶材料選擇：靶材料是要沉積到基底材料上的目標材料。它可以是金屬、合金、氧化物、氮化物等。靶材料通常固定在一個稱為靶槍的裝置上。
2、真空環(huán)境：濺射過程需要在高真空環(huán)境中進行，以防止氣體分子與目標材料的相互作用。這有助于確保沉積薄膜的純凈度和均勻性。
3、離子化氣體：在濺射過程中，通常會引入一個惰性氣體(如氬氣)，將其離子化形成等離子體。這些離子在磁場的作用下形成一個電子云，被稱為“電子云等離子體”。
4、磁場施加：在靶材料和基底材料之間施加一個磁場。這個磁場將電子云等離子體束縛在靶材料的表面，從而保持高能量狀態(tài)。
5、濺射過程：通過施加高能量電子云等離子體，靶材料的原子或分子被擊中，從而釋放出來。這些釋放的原子或分子會以蒸汽的形式沉積在基底材料的表面上，形成薄膜。
磁控濺射的優(yōu)勢包括：
1、沉積薄膜的均勻性：磁場可以幫助控制離子的傳輸，從而實現均勻的薄膜沉積，使得薄膜的厚度和性質在整個基底表面上保持一致。
2、復雜合金和化合物的制備：磁控濺射可用于制備復雜的合金和化合物薄膜，這些薄膜在其他沉積技術中可能更難實現。
3、可控性和調制性：通過調整濺射參數，如靶材料組成、氣體壓力、沉積速率等，可以精確控制薄膜的性質，如厚度、成分和微結構。
4、高質量薄膜：磁控濺射通常能夠生成高質量、致密且均勻的薄膜，具有良好的附著力和機械性能。
5、多功能性：它適用于多種材料類型，包括金屬、氧化物、氮化物等，因此在不同領域具有廣泛的應用。
6、低溫沉積：相對于其他技術，磁控濺射可以在低溫甚至室溫下進行，適用于對基底材料有溫度敏感性的應用。
總體而言，磁控濺射是一種高度可控且靈活的薄膜制備技術，適用于多種應用領域，從電子器件到光學涂層等。
三、等離子體增強化學氣相沉積
等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)技術被廣泛應用于各種薄膜的制備(如:硅?氮化硅和二氧化硅等)?
PECVD系統的結構示意圖如下圖所示?
其基本原理是:向沉積室中充入含有薄膜組份的氣態(tài)物質,利用輝光放電使氣態(tài)物質發(fā)生化學反應而生成等離子體,等離子體沉積在襯底上就生長出了薄膜材料?
激發(fā)輝光放電的方法主要有:射頻激發(fā)?直流高壓激發(fā)?脈沖激發(fā)和微波激發(fā)?
利用PECVD制備的薄膜厚度和組成成分都具有良好的均勻性?此外,該方法沉積的薄膜附著力強,在較低的沉積溫度下可以達到高的沉積速度?
通常來看,薄膜的生長主要包括以下三個過程:
第一步,反應氣體在電磁場的激勵下,輝光放電產生等離子體?
在這個過程中,電子會與反應氣體碰撞,發(fā)生初級反應,導致反應氣體分解產生離子和活性基團?
第二步,初級反應產生的各種產物向襯底方向移動,同時各種活性基團和離子發(fā)生次級反應,生成次級產物?
第三步,到達襯底表面的各種初級產物和次級產物被吸附并與表面發(fā)生反應,同時伴隨有氣相分子物的再放出?
四、薄膜表征技術
(1)X射線衍射(XRD)
XRD(X-rayDiffraction，X射線衍射)是一種常用于分析晶體結構的技術。
它通過測量材料中的晶體結構對X射線的衍射模式，從而揭示出材料的晶格參數、晶體結構、晶體取向等信息。
XRD在材料科學、固態(tài)物理、化學、地質學等領域中被廣泛應用。
工作原理：XRD的基本原理是根據布拉格定律，即入射光束照射到晶體樣品上后，當晶格中的原子或離子陣列處于特定的排列方式時，會產生X射線的衍射。衍射的角度和強度可以提供關于晶體的結構信息。
儀器構成：典型的XRD儀器由以下幾部分組成：
1.X射線源：發(fā)射X射線的裝置，通常使用鎢或銅靶產生X射線。
2.樣品臺：放置樣品的平臺，可以旋轉調整樣品的角度。
3.X射線檢測器：用于測量衍射光的強度和角度。
4.控制和分析系統：包括X射線源的控制、數據采集、分析和解釋的軟件系統。
應用領域：XRD在許多領域中有重要應用，包括但不限于：
1.晶體學研究：用于解析晶體的晶體結構，確定晶格參數和晶體取向。
2.材料表征：分析材料的晶體結構、相組成和晶體缺陷等信息。
3.化學分析：識別無機和有機化合物的晶體結構，研究分子間的相互作用。
4.薄膜分析：用于研究薄膜的晶體結構、厚度和晶格匹配等。
5.礦物學和地質學：用于識別礦物的種類和含量，研究地質樣品的成分。
6.藥物研發(fā)：分析藥物的晶體結構，有助于理解其性質和相互作用。
綜合來說，XRD是一種強大的分析技術，可以幫助科學家和工程師深入了解材料的晶體結構和性質，從而推動材料科學和相關領域的研究和應用。
(2)掃描電子顯微鏡(SEM)
掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，SEM)是一種常用的顯微鏡，它通過使用電子束而不是光束來照射樣品，從而實現高分辨率的表面和形貌觀察。
SEM在材料科學、生物學、地質學等領域中廣泛應用。
以下是SEM的基本工作原理：
SEM使用一個電子槍產生電子束。這個電子槍類似于電子顯像管(CRT)中的電子槍，產生高能量的電子。電子束通過一個準直系統，包括一系列的電子透鏡，來聚焦和準直電子束，確保電子束的穩(wěn)定性和聚焦度。在掃描線圈的控制下，電子束在樣品表面上進行掃描。
電子束的位置可以被精確地控制，從而在樣品上生成掃描的像素。
樣品被放置在SEM的樣品臺上。樣品需要導電，因為在SEM中，電子束需要與樣品表面相互作用，產生二次電子等。當高能電子束擊中樣品表面時，會與樣品中的原子和分子相互作用。這些相互作用會導致電子的散射、逸出和激發(fā)，產生多種信號。SEM檢測從樣品表面產生的多種信號，主要包括二次電子(SE)和背散射電子(BSE)。
這些信號提供了樣品表面形貌、構造和組成信息。通過控制電子束在樣品上的掃描位置，SEM可以獲取樣品表面的像素信息。這些信息通過計算機處理和顯示，生成具有很高分辨率的樣品表面圖像。
(3)原子力顯微鏡(AFM)
原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope，AFM)是一種高分辨率的顯微鏡技術，主要用于觀察樣品表面的原子尺度和納米尺度特征。它的工作原理基于探針與樣品表面之間的相互作用，通過測量探針的位置變化來獲取樣品表面的形貌和拓撲信息。
在AFM中，使用一個非常細小的探針，通常由硅或其他材料制成的納米尺度尖端。探針通過懸臂或壓電器件連接到掃描頭，探針尖端靠近樣品表面。當探針靠近樣品表面時，樣品的原子和分子與探針之間發(fā)生相互作用，包括靜電力、范德華力和化學鍵作用等?？刂茟冶刍驂弘娖骷囊苿?，使探針尖端與樣品表面保持一定的力。
AFM使用一個反饋系統來維持探針和樣品之間的恒定力。當探針的高度或位置發(fā)生變化時，反饋系統會自動調整懸臂的位置，以保持恒定的力。探針和樣品相對運動，通常在一個二維網格上進行，形成掃描。在每個掃描點，樣品表面的不平坦性會導致探針尖端的位置發(fā)生變化。通過測量探針的位置變化，可以獲取樣品表面的拓撲信息。最終，收集的數據會被處理，生成樣品表面的高分辨率拓撲圖像。
AFM在多個領域中有廣泛的應用。它被用于材料科學、生物學、納米技術等領域，幫助研究者深入了解材料的表面形貌和結構，甚至能夠操控納米尺度結構。
AFM的優(yōu)勢包括高分辨率、非破壞性和多種工作模式，使其成為納米尺度觀察和研究的強大工具。
好了，關于半導體薄膜制備的技術先介紹到這兒，后續(xù)還會介紹更多有關薄膜制備的相關知識，歡迎關注《半導體全解》，帶你了解更多半導體技術！
參考文獻：
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