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

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

Por que os processos de filme fino são essenciais na fabricação de chips?

Para ilustrar, imagine um pão achatado assado simples. Por si só, ele 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 finosnos processos semicondutores, enquanto o próprio pão achatado representa osubstrato.

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

1. Deposição Química de Vapor Metalorgânica (MOCVD)

A 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.

Componentes principais de um sistema MOCVD:

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

• Gases de arraste

• Precursores organometálicos

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

• Câmara de reação
  O núcleo do sistema, onde ocorre o crescimento real do material. Os componentes incluem:

  • Susceptor de grafite (suporte de substrato)

  • Aquecedor e sensores de 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 central. Estes garantem monitoramento preciso e repetibilidade ao longo de todo o processo de deposição.

• Monitoramento in situ
  Instrumentos como pirômetros e refletômetros medem:

  • Espessura do filme

  • Temperatura da superfície

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

• Sistema de tratamento de gases de escape
  Trata subprodutos tóxicos utilizando decomposição térmica ou catálise química para garantir a segurança e a conformidade ambiental.

Configuração de chuveiro acoplado diretamente (CCS):

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

• Osusceptor de grafite rotativoAlém disso, ajuda a homogeneizar a camada limite de gases, melhorando a uniformidade do filme em toda a pastilha.

2. Pulverização catódica por magnetron

A pulverização catódica por magnetron é um método de deposição física de vapor (PVD) amplamente utilizado para depositar filmes finos e revestimentos, particularmente nas áreas de eletrônica, 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 os elétrons próximos ao alvo para aumentar a eficiência da ionização.

5. Processo de pulverização catódica
   Os íons bombardeiam o alvo, deslocando átomos que viajam através da 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 metálicas e cerâmicas.

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

• Alta qualidade de filmeCom forte adesão e resistência mecânica.

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

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

3. Deposição Química de Vapor Aprimorada por Plasma (PECVD)

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

Princípio:

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

• excitação por radiofrequência

• 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 ionizam-se 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 atingirem o substrato, eles se adsorvem, reagem e formam uma película sólida. Alguns subprodutos são liberados na forma de gases.

Benefícios da PECVD:

• Excelente uniformidadeem 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. As técnicas comuns incluem:

(1) Difração de raios X (DRX)

• PropósitoAnalisar estruturas cristalinas, constantes de rede e orientações.

• PrincípioBaseado na Lei de Bragg, mede como os raios X se difratam através de um material cristalino.

• AplicaçõesCristalografia, análise de fases, medição de deformação e avaliação de filmes finos.

(2) Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

• PropósitoObservar a morfologia e a microestrutura da superfície.

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

• AplicaçõesCiência dos materiais, nanotecnologia, biologia e análise de falhas.

(3) Microscopia de Força Atômica (AFM)

• Propósito: Visualização de superfícies com resolução atômica ou nanométrica.

• PrincípioUma sonda afiada escaneia a superfície mantendo uma força de interação constante; os deslocamentos verticais geram uma topografia 3D.

• AplicaçõesPesquisa em nanoestruturas, medição da rugosidade superficial, estudos biomoleculares.