Compreender a tecnologia de preparação de filmes (MOCVD, sputtering por magnetrão, PECVD)
Este artigo apresentará vários métodos para fabricar filmes finos. No processamento de semicondutores, as técnicas mais frequentemente mencionadas são a litografia e a gravação, seguidas pelo processo de epitaxia (filme).
Por que a tecnologia de filmes finos é necessária na fabricação de chips?
Por exemplo, na vida diária, muitas pessoas gostam de comer panquecas. Se uma panqueca em forma de quadrado não for temperada e assada, não terá sabor e a textura não será boa. Algumas pessoas preferem um sabor salgado, então pincelam uma camada de pasta de feijão na superfície da panqueca. Outras preferem um sabor doce, então pincelam uma camada de açúcar de malte na superfície.
Depois de pincelar o molho, a camada de molho salgado ou doce na superfície da panqueca é como um filme. Sua presença altera o sabor de toda a panqueca, e a própria panqueca é chamada de base.
Claro, durante o processamento do chip, existem muitos tipos de funções para os filmes, e os métodos correspondentes de preparação de filmes também variam. Neste artigo, apresentaremos brevemente vários métodos comuns de preparação de filmes, incluindo MOCVD, sputtering por magnetrão, PECVD, etc...
I. Deposição Química de Vapor Organometálico (MOCVD)
O sistema de crescimento epitaxial MOCVD é um dispositivo altamente complexo e sofisticado, que desempenha um papel crucial na preparação de filmes semicondutores e nanoestruturas de alta qualidade.
O sistema MOCVD consiste em cinco componentes principais, cada um dos quais desempenha funções distintas, mas inter-relacionadas, garantindo coletivamente a eficiência e a segurança do processo de crescimento do material.
1.1 Sistema de Transporte de Gás:A principal responsabilidade deste subsistema é controlar com precisão a entrega de vários reagentes à câmara de reação, incluindo a medição dos reagentes, o tempo e a sequência de sua entrega, bem como a regulação da taxa total de fluxo de gás.
É composto por vários subsistemas, incluindo o subsistema de fornecimento de gás para transportar os reagentes, o subsistema de fornecimento para fornecer fontes organometálicas (MO), o subsistema de fornecimento para fornecer hidretos e a válvula multiplex de crescimento/ventilação para controlar a direção do fluxo de gás. Como mostrado na figura abaixo, é o diagrama esquemático do caminho do gás do sistema de crescimento MOCVD.
Sistema MOCVD de nitreto de grau de pesquisa AIXTRON CCS 3 x 2"
Diagrama esquemático do caminho do gás do sistema MOCVD
1.2 Sistema da Câmara de Reação:Este é o componente principal do sistema MOCVD, responsável pelo processo real de crescimento do material.
Esta seção inclui uma base de grafite para suportar o substrato, um aquecedor para aquecer o substrato, um sensor de temperatura para monitorar a temperatura do ambiente de crescimento, uma janela de detecção óptica e um robô automático de carregamento e descarregamento para manusear o substrato. Este último é usado para automatizar o processo de carregamento e descarregamento, melhorando assim a eficiência da produção. A figura abaixo mostra o diagrama de estado de aquecimento da câmara do reator MOCVD.
Diagrama esquemático do princípio de crescimento na câmara do MOCVD
1.3 Sistema de Controle de Crescimento:Composto por um controlador programável e um computador de controle, é responsável pelo controle e monitoramento precisos de todo o processo de crescimento MOCVD.
O controlador é responsável por coletar, processar e emitir vários sinais, enquanto o computador de controle é responsável por registrar e monitorar cada estágio do crescimento do material, garantindo a estabilidade e a repetibilidade do processo.
1.4 Sistema de Monitoramento In-situ:Consiste em termômetros de radiação infravermelha corrigidos por refletância, equipamentos de monitoramento de refletância e dispositivos de monitoramento de empenamento.
Este sistema pode monitorar os principais parâmetros durante o processo de crescimento do material em tempo real, como a espessura e a uniformidade do filme, bem como a temperatura do substrato. Assim, ele permite ajustes e otimizações imediatas do processo de crescimento.
1.5 Sistema de Tratamento de Gás de Exaustão:Responsável por lidar com as partículas e gases tóxicos gerados durante o processo de reação.
Por meio de métodos como craqueamento ou catálise química, essas substâncias nocivas podem ser efetivamente decompostas e absorvidas, garantindo a segurança do ambiente operacional e a conformidade com os padrões de proteção ambiental.
Além disso, os equipamentos MOCVD são geralmente instalados em salas ultralimpas equipadas com sistemas avançados de alarme de segurança, dispositivos de ventilação eficazes e sistemas rigorosos de controle de temperatura e umidade. Essas instalações auxiliares e medidas de segurança não apenas garantem a segurança dos operadores, mas também aprimoram a estabilidade do processo de crescimento e a qualidade dos produtos finais.
O projeto e a operação do sistema MOCVD refletem os altos padrões de precisão, repetibilidade e segurança exigidos no campo da fabricação de materiais semicondutores. É uma das principais tecnologias para a fabricação de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de alto desempenho.
O sistema de cabeça de pulverização de acoplamento próximo (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) do tipo vertical na câmara do equipamento é usado para cultivar filmes epitaxiais.
Este sistema é projetado com uma estrutura de cabeça de pulverização exclusiva. Sua principal característica reside na capacidade de reduzir efetivamente as pré-reações e obter uma mistura eficiente de gás. Esses gases são injetados na câmara de reação através dos orifícios de pulverização intercalados na cabeça de pulverização, onde se misturam totalmente e, assim, melhoram a uniformidade e a eficiência da reação.
O projeto da estrutura da cabeça de pulverização permite que o gás de reação seja distribuído uniformemente no substrato localizado abaixo dele, garantindo a consistência da concentração do gás de reação em todas as posições no substrato. Isso é crucial para formar um filme epitaxial com espessura uniforme.
Além disso, a rotação do disco de grafite promove ainda mais a uniformidade da camada limite da reação química, permitindo um crescimento mais uniforme do filme epitaxial. Esse mecanismo rotacional, reduzindo a camada limite da fina reação química, ajuda a minimizar as diferenças de concentração local, aprimorando assim a uniformidade geral do crescimento do filme.
(a) A cabeça de pulverização real e sua foto parcialmente ampliada, (b) A intenção da estrutura interna da cabeça de pulverização
II. Sputtering por Magnetrão
O sputtering por magnetrão é uma técnica de deposição física de vapor comumente usada para deposição de filmes finos e revestimento de superfícies.
Ele usa um campo magnético para liberar os átomos ou moléculas de um material alvo da superfície do alvo e, em seguida, forma um filme na superfície do material do substrato.
Esta tecnologia é amplamente aplicada na fabricação de dispositivos semicondutores, revestimentos ópticos, revestimentos cerâmicos e outros campos.
Diagrama esquemático do princípio do sputtering por magnetrão
O princípio do sputtering por magnetrão é o seguinte:
1. Seleção do material alvo:O material alvo é o material que deve ser depositado no material do substrato. Pode ser metais, ligas, óxidos, nitretos, etc. O material alvo é geralmente fixado em um dispositivo chamado pistola alvo.
2. Ambiente de vácuo:O processo de sputtering deve ser realizado em um ambiente de alto vácuo para evitar a interação entre as moléculas de gás e o material alvo. Isso ajuda a garantir a pureza e a uniformidade do filme depositado.
3. Gás ionizado:Durante o processo de sputtering, um gás inerte (como argônio) é geralmente introduzido para ionizá-lo em um plasma. Esses íons, sob a influência de um campo magnético, formam uma nuvem de elétrons, que é chamada de "plasma de nuvem de elétrons".
4. Aplicação de campo magnético:Um campo magnético é aplicado entre o material alvo e o material do substrato. Este campo magnético confina o plasma da nuvem de elétrons à superfície do material alvo, mantendo assim um estado de alta energia.
5. Processo de sputtering:Ao aplicar um plasma de nuvem de elétrons de alta energia, os átomos ou moléculas do material alvo são atingidos, sendo assim liberados. Esses átomos ou moléculas liberados se depositarão na forma de vapor na superfície do material do substrato, formando um filme.
As vantagens do sputtering por magnetrão incluem:
1. Uniformidade do filme depositado:O campo magnético pode ajudar a controlar a transmissão de íons, obtendo assim uma deposição uniforme do filme, garantindo que a espessura e as propriedades do filme permaneçam consistentes em toda a superfície do substrato.
2. Preparação de ligas e compostos complexos:O sputtering por magnetrão pode ser usado para fabricar filmes de ligas e compostos complexos, o que pode ser mais difícil de obter por meio de outras técnicas de deposição.
3. Controlabilidade e modificabilidade:Ao ajustar parâmetros como a composição do material alvo, a pressão do gás e a taxa de deposição, as propriedades do filme, incluindo espessura, composição e microestrutura, podem ser precisamente controladas.
4. Filmes de alta qualidade:O sputtering por magnetrão pode tipicamente produzir filmes de alta qualidade, densos e uniformes, com excelente adesão e propriedades mecânicas.
5. Multifuncionalidade:É aplicável a vários tipos de materiais, incluindo metais, óxidos, nitretos, etc. Portanto, tem amplas aplicações em diferentes campos.
6. Deposição em baixa temperatura:Comparado com outras técnicas, o sputtering por magnetrão pode ser realizado em baixas temperaturas ou mesmo em temperatura ambiente, tornando-o adequado para aplicações em que o material do substrato é sensível à temperatura.
No geral, o sputtering por magnetrão é uma tecnologia de fabricação de filmes finos altamente controlável e flexível, aplicável a uma ampla gama de campos de aplicação, de dispositivos eletrônicos a revestimentos ópticos, etc.
III. Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma
A tecnologia de Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma (PECVD) é amplamente utilizada na preparação de vários filmes (como silício, nitreto de silício e dióxido de silício, etc.).
O diagrama estrutural do sistema PECVD é mostrado na figura a seguir.
Diagrama esquemático da estrutura do sistema de deposição química de vapor aprimorada por plasma
O princípio básico é o seguinte: Substâncias gasosas contendo os componentes do filme são introduzidas na câmara de deposição. Usando descarga de plasma, as substâncias gasosas sofrem reações químicas para gerar plasma. Quando este plasma é depositado no substrato, um material de filme é cultivado.
Os métodos para iniciar a descarga de brilho incluem: excitação por radiofrequência, excitação por alta tensão de corrente contínua, excitação por pulso e excitação por micro-ondas.
A espessura e a composição dos filmes preparados por PECVD exibem excelente uniformidade. Além disso, os filmes depositados por este método têm forte adesão e podem atingir altas taxas de deposição em temperaturas de deposição relativamente baixas.
De modo geral, o crescimento de filmes finos envolve principalmente os três processos a seguir:
O primeiro passo é que o gás reativo, sob a excitação do campo eletromagnético, sofre uma descarga de brilho para gerar plasma.
Durante este processo, os elétrons colidem com o gás reativo, iniciando uma reação primária, que leva à decomposição do gás reativo e à geração de íons e grupos reativos.
O segundo passo é que os vários produtos gerados a partir da reação primária se movem em direção ao substrato, enquanto vários grupos ativos e íons sofrem reações secundárias para formar produtos secundários.
O terceiro passo envolve a adsorção de vários produtos primários e secundários na superfície do substrato e sua subsequente reação com a superfície. Concomitantemente, há a liberação de substâncias moleculares gasosas.
IV. Técnicas de Caracterização de Filmes Finos
4.1 Difração de Raios X (DRX)
DRX (Difração de Raios X) é uma técnica comumente usada para analisar estruturas cristalinas.
Ele revela informações como os parâmetros da rede, a estrutura cristalina e a orientação cristalina do material, medindo os padrões de difração de raios X na estrutura cristalina dentro do material.
A DRX é amplamente utilizada em vários campos, como ciência dos materiais, física do estado sólido, química e geologia.
Diagrama esquemático do princípio de teste de DRX
Princípio de funcionamento: O princípio básico da DRX é baseado na lei de Bragg. Ou seja, quando um feixe incidente é irradiado em uma amostra cristalina, se a rede atômica ou iônica no cristal estiver em um arranjo específico, os raios X serão difratados. O ângulo e a intensidade da difração podem fornecer informações sobre a estrutura do cristal.
Difratômetro de raios X Bruker D8 Discover
Composição do instrumento: Um instrumento DRX típico consiste nos seguintes componentes:
1. Fonte de raios X: Um dispositivo que emite raios X, geralmente usando alvos de tungstênio ou cobre para gerar raios X.
2. Plataforma de amostra: Uma plataforma para colocar amostras, que pode ser girada para ajustar o ângulo das amostras.
3. Detector de raios X: Usado para medir a intensidade e o ângulo da luz de difração.
4. Sistema de Controle e Análise: Isso inclui o sistema de software para controlar a fonte de raios X, aquisição de dados, análise e interpretação.
Campos de aplicação: A DRX tem aplicações importantes em muitos campos, incluindo, mas não se limitando a:
1. Pesquisa cristalográfica: Usado para analisar a estrutura cristalina de cristais, determinar os parâmetros da rede e a orientação cristalina.
2. Caracterização de materiais: Analisar informações como a estrutura cristalina, composição de fase e defeitos cristalinos do material.
3. Análise química: Identificar as estruturas cristalinas de compostos inorgânicos e orgânicos e estudar as interações entre as moléculas.
4. Análise de filmes: Isso é usado para estudar a estrutura cristalina, espessura e correspondência de rede do filme.
5. Mineralogia e Geologia: Usado para identificar os tipos e conteúdos de minerais e estudar a composição de amostras geológicas.
6. Pesquisa de medicamentos: Analisar a estrutura cristalina de um medicamento é útil para entender suas propriedades e interações.
No geral, a DRX é uma técnica analítica poderosa que permite que cientistas e engenheiros obtenham uma compreensão profunda da estrutura cristalina e das propriedades dos materiais, promovendo assim a pesquisa e as aplicações em ciência dos materiais e campos relacionados.
Foto do difratômetro DRX
4.2 Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
O microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um tipo de microscópio comumente usado. Ele usa um feixe de elétrons em vez de um feixe de luz para iluminar a amostra, permitindo a observação de alta resolução da superfície e da morfologia.
O MEV é amplamente utilizado em campos como ciência dos materiais, biologia e geologia.
O princípio básico de funcionamento do MEV é o seguinte:
O MEV usa uma pistola de elétrons para gerar um feixe de elétrons. Esta pistola de elétrons é semelhante à encontrada em um tubo de elétrons (CRT), gerando elétrons de alta energia. O feixe de elétrons passa por um sistema de colimação, que consiste em uma série de lentes eletrônicas, para focar e alinhar o feixe de elétrons, garantindo a estabilidade e o foco do feixe. Sob o controle da bobina de varredura, o feixe de elétrons varre a superfície da amostra.
A posição do feixe de elétrons pode ser precisamente controlada, gerando assim pixels de varredura na amostra.
A amostra é colocada na platina do MEV. A amostra precisa ser condutora porque no MEV, o feixe de elétrons precisa interagir com a superfície da amostra para gerar elétrons secundários, etc. Quando feixes de elétrons de alta energia atingem a superfície da amostra, eles interagem com os átomos e moléculas na amostra. Essas interações causam a dispersão, fuga e excitação de elétrons, gerando vários sinais. A detecção MEV analisa os vários sinais gerados a partir da superfície da amostra, incluindo principalmente elétrons secundários (SE) e elétrons retroespalhados (BSE).
Esses sinais fornecem informações sobre a morfologia da superfície, estrutura e composição da amostra. Ao controlar a posição de varredura do feixe de elétrons na amostra, o MEV pode obter as informações de pixel da superfície da amostra. Essas informações são processadas e exibidas por um computador, gerando imagens de alta resolução da superfície da amostra.
Imagem física do MEV
4.3 Microscópio de Força Atômica (MFA)
O Microscópio de Força Atômica (MFA) é uma técnica microscópica de alta resolução, usada principalmente para observar as características de amostras em escala atômica e nanométrica. Seu princípio de funcionamento é baseado na interação entre a sonda e a superfície da amostra. Ao medir as mudanças de posição da sonda, ele pode obter a topografia e as informações topológicas da superfície da amostra.
No MFA, uma sonda muito fina, geralmente feita de silício ou outros materiais com uma ponta em nanoescala, é usada. A sonda é conectada à cabeça de varredura por meio de um cantilever ou um dispositivo piezoelétrico, com a ponta da sonda próxima à superfície da amostra. Quando a sonda está próxima da superfície da amostra, ocorrem interações entre os átomos e moléculas da amostra e a sonda, incluindo forças eletrostáticas, forças de van der Waals e interações de ligação química, etc. O movimento do cantilever ou dispositivo piezoelétrico é controlado para manter uma certa força entre a ponta da sonda e a superfície da amostra.
O MFA emprega um sistema de feedback para manter uma força constante entre a sonda e a amostra. Quando a altura ou posição da sonda muda, o sistema de feedback ajusta automaticamente a posição do cantilever para manter a força constante. A sonda e a amostra se movem em relação um ao outro, geralmente em uma grade bidimensional, formando uma varredura. Em cada ponto de varredura, a irregularidade da superfície da amostra faz com que a posição da ponta da sonda mude. Ao medir a mudança de posição da sonda, as informações topológicas da superfície da amostra podem ser obtidas. Finalmente, os dados coletados são processados para gerar uma imagem topológica de alta resolução da superfície da amostra.
O MFA tem amplas aplicações em vários campos. É usado em áreas como ciência dos materiais, biologia e nanotecnologia, ajudando os pesquisadores a obter uma compreensão mais profunda da morfologia e estrutura da superfície dos materiais e até mesmo permitindo a manipulação de estruturas em nanoescala.
As vantagens do MFA incluem alta resolução, não destrutividade e múltiplos modos de trabalho, tornando-o uma ferramenta poderosa para observar e pesquisar em nanoescala.
Imagem física do MFA
Diagrama esquemático do princípio de medição e modo de trabalho da microscopia de força atômica
Conclusão
A ZMSH é especializada em tecnologias avançadas de deposição de filmes finos, incluindo MOCVD, Sputtering por Magnetrão e PECVD, oferecendo desenvolvimento de processos sob medida para aplicações de semicondutores, optoeletrônica e revestimento funcional. Nossos serviços abrangem design de sistema personalizado, otimização de parâmetros e crescimento de filmes de alta pureza, juntamente com a venda de equipamentos de deposição de precisão para atender às necessidades de P&D e produção industrial.
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