Uma visão geral abrangente das técnicas de deposição de filmes finos: MOCVD, pulverização catódica magnetron e PECVD

Na fabricação de semicondutores, embora a fotolitografia e a corrosão sejam os processos mais mencionados, as técnicas de deposição epitaxial ou de filme fino são igualmente críticas. Este artigo apresenta vários métodos comuns de deposição de filme fino usados ​​na fabricação de chips, incluindoMOCVD, pulverização catódica magnetron, ePECVD.

Por que os processos de película fina são essenciais na fabricação de chips?

Para ilustrar, imagine um pão achatado assado simples. Sozinho, pode ter um sabor insosso. No entanto, ao pincelar a superfície com diferentes molhos — como uma pasta de feijão saborosa ou xarope de malte doce — você pode transformar completamente o seu sabor. Essas coberturas que realçam o sabor são semelhantes afilmes finosem processos semicondutores, enquanto o próprio pão achatado representa osubstrato.

Na fabricação de chips, filmes finos desempenham inúmeras funções — isolamento, condutividade, passivação, absorção de luz, etc. — e cada função requer uma técnica de deposição específica.

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

MOCVD é uma técnica altamente avançada e precisa usada para a deposição de filmes finos semicondutores e nanoestruturas de alta qualidade. Ela desempenha um papel crucial na fabricação de dispositivos como LEDs, lasers e eletrônica de potência.

Principais componentes de um sistema MOCVD:

• Sistema de entrega de gás
  Responsável pela introdução precisa dos reagentes na câmara de reação. Isso inclui o controle do fluxo de:

• Gases transportadores

• Precursores metal-orgânicos

• Gases de hidreto
  O sistema possui válvulas multivias para alternar entre os modos de crescimento e purga.

• Câmara de Reação
  O coração do sistema onde ocorre o crescimento real do material. Os componentes incluem:

  • Susceptor de grafite (suporte de substrato)

  • Sensores de aquecedor e temperatura

  • Portas ópticas para monitoramento in situ

  • Braços robóticos para carregamento/descarregamento automatizado de wafers

• Sistema de controle de crescimento
  Consiste em controladores lógicos programáveis ​​e um computador host. Estes garantem monitoramento preciso e repetibilidade durante todo o processo de deposição.

• Monitoramento in situ
  Ferramentas como pirômetros e refletômetros medem:

  • Espessura do filme

  • Temperatura da superfície

  • Curvatura do substrato
    Elas permitem feedback e ajustes em tempo real.

• Sistema de tratamento de exaustão
  Trata subprodutos tóxicos usando decomposição térmica ou catálise química para garantir segurança e conformidade ambiental.

Configuração de chuveiro de acoplamento fechado (CCS):

Em reatores MOCVD verticais, o projeto CCS permite que os gases sejam injetados uniformemente através de bicos alternados em uma estrutura de chuveiro. Isso minimiza reações prematuras e melhora a uniformidade da mistura.

• Osusceptor de grafite rotativoajuda ainda mais a homogeneizar a camada limite dos gases, melhorando a uniformidade do filme em todo o wafer.

2. Pulverização catódica magnetron

A pulverização catódica magnetron é um método de deposição física de vapor (PVD) amplamente utilizado para depositar filmes finos e revestimentos, particularmente em eletrônicos, óptica e cerâmica.

Princípio de funcionamento:

1. Material alvo
   O material de origem a ser depositado — metal, óxido, nitreto, etc. — é fixado em um cátodo.

2. Câmara de vácuo
   O processo é realizado sob alto vácuo para evitar contaminação.

3. Geração de Plasma
   Um gás inerte, normalmente argônio, é ionizado para formar plasma.

4. Aplicação de campo magnético
   Um campo magnético confina elétrons perto do alvo para aumentar a eficiência da ionização.

5. Processo de pulverização catódica
   Os íons bombardeiam o alvo, desalojando átomos que viajam pela câmara e se depositam no substrato.

Vantagens da pulverização catódica por magnetron:

• Deposição uniforme de filmeem grandes áreas.

• Capacidade de depositar compostos complexos, incluindo ligas e cerâmicas.

• Parâmetros de processo ajustáveispara controle preciso de espessura, composição e microestrutura.

• Alta qualidade de filmecom forte adesão e resistência mecânica.

• Ampla compatibilidade de materiais, de metais a óxidos e nitretos.

• Operação em baixa temperatura, adequado para substratos sensíveis à temperatura.

3. Deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD)

O PECVD é amplamente utilizado para a deposição de filmes finos como nitreto de silício (SiNx), dióxido de silício (SiO₂) e silício amorfo.

Princípio:

Em um sistema PECVD, os gases precursores são introduzidos em uma câmara de vácuo onde umplasma de descarga luminescenteé gerado usando:

• Excitação de RF

• Alta tensão CC

• Fontes de micro-ondas ou pulsadas

O plasma ativa as reações na fase gasosa, gerando espécies reativas que se depositam no substrato para formar uma película fina.

Etapas de deposição:

1. Formação de Plasma
   Excitados por campos eletromagnéticos, os gases precursores se ionizam para formar radicais e íons reativos.

2. Reação e Transporte
   Essas espécies sofrem reações secundárias à medida que se movem em direção ao substrato.

3. Reação de superfície
   Ao atingir o substrato, eles adsorvem, reagem e formam uma película sólida. Alguns subprodutos são liberados na forma de gases.

Benefícios do PECVD:

• Excelente uniformidadena composição e espessura do filme.

• Forte adesãomesmo em temperaturas de deposição relativamente baixas.

• Altas taxas de deposição, tornando-o adequado para produção em escala industrial.

4. Técnicas de Caracterização de Filmes Finos

Compreender as propriedades de filmes finos é essencial para o controle de qualidade. Técnicas comuns incluem:

(1) Difração de Raios X (XRD)

• Propósito: Analisar estruturas cristalinas, constantes de rede e orientações.

• Princípio:Com base na Lei de Bragg, mede como os raios X difratam através de um material cristalino.

• Aplicações: Cristalografia, análise de fase, medição de deformação e avaliação de filmes finos.

(2) Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

• Propósito: Observe a morfologia e a microestrutura da superfície.

• Princípio: Utiliza um feixe de elétrons para escanear a superfície da amostra. Os sinais detectados (por exemplo, elétrons secundários e retroespalhados) revelam detalhes da superfície.

• Aplicações: Ciência dos materiais, nanotecnologia, biologia e análise de falhas.

(3) Microscopia de Força Atômica (AFM)

• Propósito: Superfícies de imagem com resolução atômica ou nanométrica.

• Princípio:Uma sonda afiada varre a superfície enquanto mantém uma força de interação constante; deslocamentos verticais geram uma topografia 3D.

• Aplicações: Pesquisa de nanoestrutura, medição de rugosidade de superfície, estudos biomoleculares.