這一篇將會介紹幾種薄膜制備方法，在半導(dǎo)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(diào)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(xiàn)改變了整個燒餅的味道，而燒餅本身就叫做襯底。

當(dāng)然，在芯片加工過程中，薄膜的功能分很多種，對應(yīng)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(xué)氣相沉積(MOCVD)

MOCVD外延生長系統(tǒng)是一種高度復(fù)雜和精密的設(shè)備,它在制備高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜和納米結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用?

MOCVD系統(tǒng)由五個核心部分組成,每個部分都承擔(dān)著不同但相互關(guān)聯(lián)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(tǒng):這一分系統(tǒng)的主要職責(zé)是精確控制各種反應(yīng)物輸送到反應(yīng)室中,包括反應(yīng)物的計量?輸送時間和順序以及總氣體流速的調(diào)節(jié)?

它由幾個子系統(tǒng)組成,包括用于攜帶反應(yīng)物的載氣供應(yīng)子系統(tǒng)?提供金屬有機(MO)源的供應(yīng)子系統(tǒng)?供應(yīng)氫化物的供應(yīng)子系統(tǒng),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(tǒng)氣路示意圖?

(2)反應(yīng)室系統(tǒng):是MOCVD系統(tǒng)的核心,負責(zé)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(xué)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(chǎn)效率,下圖所示是MOCVD反應(yīng)腔加熱狀態(tài)圖?

(3)生長控制系統(tǒng):通過可編程控制器和控制計算機組成,負責(zé)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(zé)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(fù)性?

4.原位監(jiān)測系統(tǒng):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(shè)備?

這一系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測材料生長過程中的關(guān)鍵參數(shù),如薄膜厚度和均勻性,以及襯底的溫度,從而實現(xiàn)對生長過程的即時調(diào)整和優(yōu)化?

5.尾氣處理系統(tǒng):負責(zé)處理反應(yīng)過程中產(chǎn)生的有毒顆粒和氣體?

通過裂解或化學(xué)催化等方法,有效分解和吸收這些有害物質(zhì),確保操作環(huán)境的安全和符合環(huán)保標準?

此外,MOCVD設(shè)備通常安裝在配備有先進安全報警系統(tǒng)?有效的通風(fēng)裝置和嚴格的溫度濕度控制系統(tǒng)的超凈室內(nèi)?這些輔助設(shè)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(chǎn)品的質(zhì)量?

MOCVD系統(tǒng)的設(shè)計和操作反映了在半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域?qū)_度?重復(fù)性和安全性的高標準要求,是實現(xiàn)高性能電子和光電子器件制造的關(guān)鍵技術(shù)之一?

設(shè)備腔室內(nèi)的垂直型近耦合噴淋頭(Closed-Coupled-Showerhead,CCS)MOCVD系統(tǒng)用于生長外延薄膜?

這種系統(tǒng)的設(shè)計采用了獨特的噴淋頭式結(jié)構(gòu),其核心特點在于能夠有效減少預(yù)反應(yīng),實現(xiàn)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(yīng)室中,在其中充分混合,從而提高了反應(yīng)的均勻性和效率?

噴淋頭式的結(jié)構(gòu)設(shè)計使反應(yīng)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(yīng)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(guān)重要?

此外,石墨盤的旋轉(zhuǎn)進一步促進了化學(xué)反應(yīng)邊界層的均勻化,使得外延薄膜的生長更為均勻?這種旋轉(zhuǎn)機制通過稀薄化學(xué)反應(yīng)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(shù)。

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(shù)廣泛應(yīng)用于制造半導(dǎo)體器件、光學(xué)涂層、陶瓷涂層等領(lǐng)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(xiàn)均勻的薄膜沉積，使得薄膜的厚度和性質(zhì)在整個基底表面上保持一致。

2、復(fù)雜合金和化合物的制備：磁控濺射可用于制備復(fù)雜的合金和化合物薄膜，這些薄膜在其他沉積技術(shù)中可能更難實現(xiàn)。

3、可控性和調(diào)制性：通過調(diào)整濺射參數(shù)，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(zhì)，如厚度、成分和微結(jié)構(gòu)。

4、高質(zhì)量薄膜：磁控濺射通常能夠生成高質(zhì)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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

6、低溫沉積：相對于其他技術(shù)，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(yīng)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(shù)，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，從電子器件到光學(xué)涂層等。

三、等離子體增強化學(xué)氣相沉積

等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種薄膜的制備(如:硅?氮化硅和二氧化硅等)?

PECVD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(zhì),利用輝光放電使氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)氣體在電磁場的激勵下,輝光放電產(chǎn)生等離子體?

在這個過程中,電子會與反應(yīng)氣體碰撞,發(fā)生初級反應(yīng),導(dǎo)致反應(yīng)氣體分解產(chǎn)生離子和活性基團?

第二步,初級反應(yīng)產(chǎn)生的各種產(chǎn)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(yīng),生成次級產(chǎn)物?

第三步,到達襯底表面的各種初級產(chǎn)物和次級產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng),同時伴隨有氣相分子物的再放出?

四、薄膜表征技術(shù)

(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(jié)構(gòu)的技術(shù)。

它通過測量材料中的晶體結(jié)構(gòu)對X射線的衍射模式，從而揭示出材料的晶格參數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向等信息。

XRD在材料科學(xué)、固態(tài)物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

工作原理：XRD的基本原理是根據(jù)布拉格定律，即入射光束照射到晶體樣品上后，當(dāng)晶格中的原子或離子陣列處于特定的排列方式時，會產(chǎn)生X射線的衍射。衍射的角度和強度可以提供關(guān)于晶體的結(jié)構(gòu)信息。

儀器構(gòu)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(chǎn)生X射線。

2.樣品臺：放置樣品的平臺，可以旋轉(zhuǎn)調(diào)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(tǒng)：包括X射線源的控制、數(shù)據(jù)采集、分析和解釋的軟件系統(tǒng)。

應(yīng)用領(lǐng)域：XRD在許多領(lǐng)域中有重要應(yīng)用，包括但不限于：

1.晶體學(xué)研究：用于解析晶體的晶體結(jié)構(gòu)，確定晶格參數(shù)和晶體取向。

2.材料表征：分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成和晶體缺陷等信息。

3.化學(xué)分析：識別無機和有機化合物的晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)、厚度和晶格匹配等。

5.礦物學(xué)和地質(zhì)學(xué)：用于識別礦物的種類和含量，研究地質(zhì)樣品的成分。

6.藥物研發(fā)：分析藥物的晶體結(jié)構(gòu)，有助于理解其性質(zhì)和相互作用。

綜合來說，XRD是一種強大的分析技術(shù)，可以幫助科學(xué)家和工程師深入了解材料的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而推動材料科學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)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(xiàn)高分辨率的表面和形貌觀察。

SEM在材料科學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

以下是SEM的基本工作原理：

SEM使用一個電子槍產(chǎn)生電子束。這個電子槍類似于電子顯像管(CRT)中的電子槍，產(chǎn)生高能量的電子。電子束通過一個準直系統(tǒng)，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(dǎo)電，因為在SEM中，電子束需要與樣品表面相互作用，產(chǎn)生二次電子等。當(dāng)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(dǎo)致電子的散射、逸出和激發(fā)，產(chǎn)生多種信號。SEM檢測從樣品表面產(chǎn)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(gòu)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(shù)，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(dāng)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(xué)鍵作用等?？刂茟冶刍驂弘娖骷囊苿樱固结樇舛伺c樣品表面保持一定的力。

AFM使用一個反饋系統(tǒng)來維持探針和樣品之間的恒定力。當(dāng)探針的高度或位置發(fā)生變化時，反饋系統(tǒng)會自動調(diào)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(wǎng)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(dǎo)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(shù)據(jù)會被處理，生成樣品表面的高分辨率拓撲圖像。

AFM在多個領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。它被用于材料科學(xué)、生物學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域，幫助研究者深入了解材料的表面形貌和結(jié)構(gòu)，甚至能夠操控納米尺度結(jié)構(gòu)。

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(guān)于半導(dǎo)體薄膜制備的技術(shù)先介紹到這兒，后續(xù)還會介紹更多有關(guān)薄膜制備的相關(guān)知識，歡迎關(guān)注《半導(dǎo)體全解》，帶你了解更多半導(dǎo)體技術(shù)！

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