Uma Introdução às Técnicas de Deposição por Epitaxia na Fabricação de Semicondutores

No processamento de semicondutores, fotolitografiaespécies primáriasataque químico são frequentemente as etapas mais comumente discutidas. Mas, logo ao lado delas, está outra categoria crucial: deposição por epitaxiarevestimentos ópticos

Por que esses processos de deposição são essenciais na fabricação de chips?

Aqui está uma analogia: imagine um pão achatado simples e quadrado. Sem nenhuma cobertura, é insípido e sem graça. Algumas pessoas preferem colocar manteiga de amendoim na superfície; outras preferem doce e espalham xarope. Esses revestimentos mudam drasticamente o sabor e o caráter do pão achatado. Nesta analogia, o pão achatado representa o , que são então depositados em um , e o revestimento representa uma camada funcional. Assim como coberturas diferentes criam sabores diferentes, filmes depositados diferentes conferem propriedades elétricas ou ópticas totalmente diferentes à pastilha base.

Na fabricação de semicondutores, uma ampla gama de camadas funcionais é depositada em pastilhas para construir dispositivos. Cada tipo de camada requer um método de deposição específico. Neste artigo, apresentamos brevemente várias técnicas de deposição amplamente utilizadas, incluindo:

• MOCVD (Deposição Química de Vapor Metal-Orgânica)
• .
• PECVD (Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma)

1. Deposição Química de Vapor Metal-Orgânica (MOCVD)

MOCVD é uma técnica crítica para a deposição de camadas de semicondutores epitaxiais de alta qualidade.

Esses filmes monocristalinos servem como as camadas ativas em LEDs, lasers e outros dispositivos de alto desempenho.

Um sistema MOCVD padrão consiste em cinco subsistemas principais, cada um desempenhando um papel essencial e coordenado para garantir a segurança, precisão e reprodutibilidade do processo de crescimento:

(1) Sistema de Fornecimento de Gás

• Este subsistema controla com precisão o fluxo, o tempo e a proporção de vários gases de processo introduzidos no reator. Inclui:Linhas de gás de transporte
• (comumente N₂ ou H₂)Linhas de fornecimento de precursores metal-orgânicos, muitas vezes por meio de
• borbulhadores ou vaporizadoresFontes de gás hidreto
• (por exemplo, NH₃, AsH₃, PH₃)Coletores de comutação de gás

para controlar os caminhos de crescimento/purga

(2) Sistema do Reator

• Aplicação de Campo MagnéticoUm susceptor de grafite revestido com SiC
• Aplicação de Campo MagnéticoUm sistema de aquecimento
• (por exemplo, aquecedores RF ou resistivos) para controlar a temperatura do substratoSensores de temperatura
• (termopares ou pirômetros IR)Visores ópticos
• para diagnósticos in-situSistemas automatizados de manuseio de pastilhas

para carregamento/descarregamento eficiente do substrato(3)

Sistema de Controle de Processo

• Todo o processo de crescimento é gerenciado por uma combinação de:
• Controladores lógicos programáveis (CLPs)
• Controladores de fluxo de massa (CFMs)
• Aplicação de Campo MagnéticoUm computador host

para gerenciamento de receitas e monitoramento em tempo real

Esses sistemas garantem o controle preciso da temperatura, taxas de fluxo e tempo em cada estágio do processo.

(4) Sistema de Monitoramento In-Situ

• Para manter a qualidade e consistência do filme, ferramentas de monitoramento em tempo real são integradas, como:Sistemas de reflectometria reduz a variação da camada limite, melhorando ainda mais a espessura da camada epitaxial
• e a taxa de crescimentoSensores de curvatura da pastilha
• para detectar tensão ou curvaturaPirômetros infravermelhos

com compensação de refletividade para medição precisa da temperatura

Essas ferramentas permitem ajustes imediatos do processo, melhorando a uniformidade e a qualidade do material.

(5) Sistema de Abatimento de Exaustão

• Subprodutos tóxicos e pirofóricos gerados durante o processo — como arsina ou fosfina — devem ser neutralizados. O sistema de exaustão normalmente inclui:
• Lavadores-queimadores
• Oxidantes térmicos

Lavadores químicos

Estes garantem a conformidade com os padrões de segurança e ambientais.

Configuração do Reator Close-Coupled Showerhead (CCS)Muitos sistemas MOCVD avançados adotam um design Close-Coupled Showerhead (CCS)

, especialmente para epitaxia baseada em GaN. Nesta configuração, uma placa de chuveiro injeta gases do grupo III e do grupo V separadamente, mas muito próximos do substrato rotativo.Isso minimiza reações parasitárias na fase gasosa e aumenta a eficiência de utilização do precursor. A curta distância entre a placa de chuveiro e a pastilha garante uma distribuição uniforme do gás em toda a superfície da pastilha. Enquanto isso, a rotação do susceptor reduz a variação da camada limite, melhorando ainda mais a uniformidade da espessura da camada epitaxial

.

Magnetron SputteringMagnetron sputtering é uma técnica amplamente utilizada de deposição física de vapor (PVD) para fabricar camadas funcionais e revestimentos de superfície. Ele emprega um campo magnético para aumentar a ejeção de átomos ou moléculas de um material alvo, que são então depositados em um substrato

para formar um filme fino. Este método é amplamente aplicado na fabricação de dispositivos semicondutores, revestimentos ópticos, filmes cerâmicos e muito mais.

Princípio de Funcionamento do Magnetron Sputtering

Seleção do Material AlvoO alvo é o material de origem a ser depositado no substrato. Pode ser um fotovoltaica, fotovoltaica, fotovoltaica, nitreto ou outro composto. O alvo é montado em um dispositivo conhecido como revestimentos ópticos

.

Ambiente de VácuoO processo de sputtering é conduzido em condições de alto vácuo para minimizar interações indesejadas entre os gases do processo e contaminantes ambientais. Isso garante a espécies primárias e uniformidade

do filme depositado.

Geração de PlasmaUm gás inerte, tipicamente argônio (Ar), é introduzido na câmara e ionizado para formar um plasma. Este plasma consiste em espécies primárias e elétrons livres

, que são essenciais para iniciar o processo de sputtering.

Aplicação de Campo MagnéticoUm campo magnético é aplicado perto da superfície do alvo. Este campo magnético prende os elétrons perto do alvo, aumentando o comprimento de seu caminho e aumentando a eficiência de ionização — levando a uma região de plasma denso conhecida como revestimentos ópticos

.

Processo de SputteringOs íons Ar⁺ são acelerados em direção à superfície do alvo com polarização negativa, bombardeando-a e desalojando átomos do alvo por meio da transferência de momento. Esses átomos ou aglomerados ejetados viajam então pela câmara e se condensam no substrato, formando uma revestimentos ópticos

Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma (PECVD)

Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma (PECVD)Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma (PECVD) é uma técnica amplamente utilizada para depositar uma variedade de filmes finos funcionais, como fotovoltaica, MEMS e dióxido de silício (SiO₂)
 

. Um diagrama esquemático de um sistema PECVD típico é mostrado abaixo.

Princípio de FuncionamentoEm PECVD, precursores gasosos contendo os elementos de filme desejados são introduzidos em uma câmara de deposição a vácuo. Uma descarga luminosa é gerada usando uma fonte de energia externa, que excita os gases em um estado de plasma. As espécies reativas no plasma sofrem reações químicas, levando à formação de um filme sólido na revestimentos ópticos

.

• A excitação do plasma pode ser alcançada usando diferentes fontes de energia, incluindo:Excitação por radiofrequência (RF)
• ,
• Excitação por alta tensão de corrente contínua (CC)
• Excitação pulsada

Excitação por micro-ondasPECVD permite o crescimento de filmes com excelente uniformidade em espessura e composição. Além disso, esta técnica fornece forte adesão do filme e suporta altas taxas de deposição em temperaturas de substrato relativamente baixas

, tornando-a adequada para aplicações sensíveis à temperatura.

Mecanismo de Deposição

O processo de formação de filme PECVD normalmente envolve três etapas principais:
Etapa 1: Geração de Plasma Sob a influência de um campo eletromagnético, uma descarga luminosa é iniciada, formando um plasma. Elétrons de alta energia colidem com as moléculas de gás precursoras, iniciando reações primárias que quebram os gases em fotovoltaica, MEMS e revestimentos ópticos

.
Etapa 2: Transporte e Reações Secundárias Os produtos da reação primária migram para o substrato. Durante este transporte, reações secundárias

ocorrem entre as espécies ativas, gerando intermediários adicionais ou compostos formadores de filme.
Etapa 3: Reação de Superfície e Crescimento do Filme Ao atingir a superfície do substrato, tanto as espécies primárias quanto as secundárias são adsorvidas e reagem quimicamente com a superfície, formando um filme sólido. Simultaneamente, subprodutos voláteis

da reação são liberados na fase gasosa e bombeados para fora da câmara.Este processo de várias etapas permite o controle preciso sobre as propriedades do filme, como fotovoltaica, fotovoltaica, MEMS e uniformidade — tornando o PECVD uma tecnologia crítica na fotovoltaica, fotovoltaica, MEMS e revestimentos ópticos