Introduction aux techniques de dépôt par épitaxie dans la fabrication de semi-conducteurs

Dans le traitement des semi-conducteurs, la photolithographieespèces primairesla gravure sont souvent les étapes les plus couramment discutées. Mais juste à côté d'elles se trouve une autre catégorie cruciale : le dépôt par épitaxierevêtements optiques

Pourquoi ces procédés de dépôt sont-ils essentiels dans la fabrication de puces ?

Voici une analogie : imaginez un pain plat carré et simple. Sans garniture, il est fade et banal. Certaines personnes préfèrent mettre du beurre de cacahuète sur la surface ; d'autres le préfèrent sucré et tartiné de sirop. Ces revêtements modifient considérablement le goût et le caractère du pain plat. Dans cette analogie, le pain plat représente le , qui sont ensuite déposés sur un , et le revêtement représente une couche fonctionnelle. De même que différentes garnitures créent des saveurs différentes, différents films déposés confèrent des propriétés électriques ou optiques entièrement différentes à la plaquette de base.

Dans la fabrication de semi-conducteurs, une large gamme de couches fonctionnelles est déposée sur des plaquettes pour construire des dispositifs. Chaque type de couche nécessite une méthode de dépôt spécifique. Dans cet article, nous présentons brièvement plusieurs techniques de dépôt largement utilisées, notamment :

• MOCVD (Dépôt chimique en phase vapeur organométallique)
• .
• PECVD (Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma)

1. Dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD)

La MOCVD est une technique essentielle pour le dépôt de couches épitaxiales de semi-conducteurs de haute qualité.

Ces films monocristallins servent de couches actives dans les LED, les lasers et autres dispositifs haute performance.

Un système MOCVD standard se compose de cinq sous-systèmes principaux, chacun jouant un rôle essentiel et coordonné pour assurer la sécurité, la précision et la reproductibilité du processus de croissance :

(1) Système de distribution de gaz

• Ce sous-système contrôle avec précision le débit, le minutage et le rapport des différents gaz de procédé introduits dans le réacteur. Il comprend :Conduites de gaz porteurs
• (généralement N₂ ou H₂)Conduites d'alimentation en précurseurs organométalliques, souvent via des
• barbotteurs ou vaporisateursSources de gaz hydrure
• (par exemple, NH₃, AsH₃, PH₃)Collecteurs de commutation de gaz

pour le contrôle des trajets de croissance/purge

(2) Système de réacteur

• Application d'un champ magnétiqueUn suscepteur en graphite revêtu de SiC
• Application d'un champ magnétiqueUn système de chauffage
• (par exemple, des résistances RF ou résistives) pour contrôler la température du substratCapteurs de température
• (thermocouples ou pyromètres IR)Hublots optiques
• pour les diagnostics in situSystèmes de manutention automatisés de plaquettes

pour un chargement/déchargement efficace des substrats(3)

Système de contrôle de processus

• L'ensemble du processus de croissance est géré par une combinaison de :
• Contrôleurs logiques programmables (PLC)
• Contrôleurs de débit massique (MFC)
• Application d'un champ magnétiqueUn ordinateur hôte

pour la gestion des recettes et la surveillance en temps réel

Ces systèmes assurent un contrôle précis de la température, des débits et du minutage à chaque étape du processus.

(4) Système de surveillance in situ

• Pour maintenir la qualité et la cohérence du film, des outils de surveillance en temps réel sont intégrés, tels que :Systèmes de réflectométrie réduit la variation de la couche limite, améliorant encore l'épaisseur de la couche épitaxiale
• et du taux de croissanceCapteurs de courbure de plaquette
• pour détecter les contraintes ou la courburePyromètres infrarouges

avec compensation de réflectivité pour une mesure précise de la température

Ces outils permettent des ajustements immédiats du processus, améliorant l'uniformité et la qualité des matériaux.

(5) Système de réduction des émissions

• Les sous-produits toxiques et pyrophoriques générés pendant le processus, tels que l'arsine ou la phosphine, doivent être neutralisés. Le système d'échappement comprend généralement :
• Épurateurs-brûleurs
• Oxydateurs thermiques

Épurateurs chimiques

Ceux-ci garantissent la conformité aux normes de sécurité et environnementales.

Configuration du réacteur à pommeau de douche rapproché (CCS)De nombreux systèmes MOCVD avancés adoptent une conception de pommeau de douche rapproché (CCS)

, en particulier pour l'épitaxie à base de GaN. Dans cette configuration, une plaque de pommeau de douche injecte les gaz du groupe III et du groupe V séparément, mais à proximité du substrat rotatif.Cela minimise les réactions parasites en phase gazeuse et améliore l'efficacité d'utilisation des précurseurs. La courte distance entre le pommeau de douche et la plaquette assure une distribution uniforme du gaz sur la surface de la plaquette. Pendant ce temps, la rotation du suscepteur réduit la variation de la couche limite, améliorant encore l'uniformité de l'épaisseur de la couche épitaxiale

.

Pulvérisation cathodique magnétronLa pulvérisation cathodique magnétron est une technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD) largement utilisée pour la fabrication de couches fonctionnelles et de revêtements de surface. Elle utilise un champ magnétique pour améliorer l'éjection d'atomes ou de molécules d'un matériau cible, qui sont ensuite déposés sur un substrat

pour former un film mince. Cette méthode est largement appliquée dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs, de revêtements optiques, de films céramiques, etc.

Principe de fonctionnement de la pulvérisation cathodique magnétron

Sélection du matériau cibleLa cible est le matériau source à déposer sur le substrat. Il peut s'agir d'un photovoltaïque, d'un photovoltaïque, d'un photovoltaïque, d'un nitrure ou d'un autre composé. La cible est montée sur un dispositif appelé revêtements optiques

.

Environnement sous videLe processus de pulvérisation cathodique est mené dans des conditions de vide poussé afin de minimiser les interactions indésirables entre les gaz de procédé et les contaminants ambiants. Cela garantit la espèces primaires et l'uniformité

du film déposé.

Génération de plasmaUn gaz inerte, généralement de l'argon (Ar), est introduit dans la chambre et ionisé pour former un plasma. Ce plasma est constitué d'espèces primaires et d'électrons libres

, qui sont essentiels pour initier le processus de pulvérisation cathodique.

Application d'un champ magnétiqueUn champ magnétique est appliqué près de la surface de la cible. Ce champ magnétique piège les électrons près de la cible, augmentant leur longueur de trajet et améliorant l'efficacité de l'ionisation, ce qui conduit à une région de plasma dense appelée revêtements optiques

.

Processus de pulvérisation cathodiqueLes ions Ar⁺ sont accélérés vers la surface de la cible polarisée négativement, la bombardant et délogeant les atomes de la cible par transfert de quantité de mouvement. Ces atomes ou agrégats éjectés traversent ensuite la chambre et se condensent sur le substrat, formant une revêtements optiques

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD)

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD)Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) est une technique largement utilisée pour déposer une variété de films minces fonctionnels, tels que le photovoltaïque, le MEMS et le dioxyde de silicium (SiO₂)
 

. Un schéma d'un système PECVD typique est présenté ci-dessous.

Principe de fonctionnementDans le PECVD, des précurseurs gazeux contenant les éléments de film souhaités sont introduits dans une chambre de dépôt sous vide. Une décharge luminescente est générée à l'aide d'une source d'alimentation externe, qui excite les gaz en un état plasma. Les espèces réactives dans le plasma subissent des réactions chimiques, conduisant à la formation d'un film solide sur la revêtements optiques

.

• L'excitation du plasma peut être obtenue à l'aide de différentes sources d'énergie, notamment :Excitation par radiofréquence (RF)
• ,
• Excitation par courant continu (CC) haute tension
• Excitation pulsée

Excitation par micro-ondesLe PECVD permet la croissance de films avec une excellente uniformité en termes d'épaisseur et de composition. De plus, cette technique offre une forte adhérence du film et prend en charge des taux de dépôt élevés à des températures de substrat relativement basses

, ce qui la rend adaptée aux applications sensibles à la température.

Mécanisme de dépôt

Le processus de formation de film PECVD implique généralement trois étapes clés :
Étape 1 : Génération de plasma Sous l'influence d'un champ électromagnétique, une décharge luminescente est initiée, formant un plasma. Les électrons à haute énergie entrent en collision avec les molécules de gaz précurseurs, initiant des réactions primaires qui décomposent les gaz en photovoltaïque, MEMS et revêtements optiques

.
Étape 2 : Transport et réactions secondaires Les produits de réaction primaires migrent vers le substrat. Au cours de ce transport, des réactions secondaires

se produisent entre les espèces actives, générant des intermédiaires supplémentaires ou des composés formant le film.
Étape 3 : Réaction de surface et croissance du film En atteignant la surface du substrat, les espèces primaires et secondaires sont adsorbées et réagissent chimiquement avec la surface, formant un film solide. Simultanément, les sous-produits volatils

de la réaction sont libérés dans la phase gazeuse et pompés hors de la chambre.Ce processus en plusieurs étapes permet un contrôle précis des propriétés du film telles que l'photovoltaïque, la photovoltaïque, la MEMS et l'uniformité—ce qui fait du PECVD une technologie essentielle dans la photovoltaïque, la photovoltaïque, les MEMS et les revêtements optiques