Comprendre la technologie de préparation du film (MOCVD, pulvérisation par magnétron, PECVD)

Comprendre la technologie de préparation des films (MOCVD, pulvérisation cathodique, PECVD)

Cet article présentera plusieurs méthodes de fabrication de couches minces. Dans le traitement des semi-conducteurs, les techniques les plus fréquemment mentionnées sont la lithographie et la gravure, suivies du processus d'épitaxie (film).

Pourquoi la technologie des couches minces est-elle nécessaire dans la fabrication de puces ?

Par exemple, dans la vie quotidienne, beaucoup de gens aiment manger des crêpes. Si une crêpe carrée n'est pas assaisonnée et cuite, elle n'aura aucune saveur et la texture ne sera pas bonne. Certaines personnes préfèrent un goût salé, elles badigeonnent donc une couche de pâte de haricots à la surface de la crêpe. D'autres préfèrent un goût sucré, elles badigeonnent donc une couche de sucre de malt à la surface.

Après avoir badigeonné la sauce, la couche de sauce salée ou sucrée à la surface de la crêpe est comme un film. Sa présence modifie le goût de toute la crêpe, et la crêpe elle-même est appelée la base.

Bien sûr, lors du traitement des puces, il existe de nombreux types de fonctions pour les films, et les méthodes de préparation des films correspondantes varient également. Dans cet article, nous présenterons brièvement plusieurs méthodes courantes de préparation de films, notamment MOCVD, pulvérisation cathodique, PECVD, etc...

I. Dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD)

Le système de croissance épitaxiale MOCVD est un dispositif très complexe et sophistiqué, qui joue un rôle crucial dans la préparation de films semi-conducteurs et de nanostructures de haute qualité.

Le système MOCVD est composé de cinq composants principaux, chacun d'eux assurant des fonctions distinctes mais interdépendantes, assurant collectivement l'efficacité et la sécurité du processus de croissance des matériaux.

1.1 Système de transport de gaz : La principale responsabilité de ce sous-système est de contrôler avec précision l'acheminement de divers réactifs vers la chambre de réaction, y compris la mesure des réactifs, le minutage et la séquence de leur acheminement, ainsi que la régulation du débit de gaz total.

Il est composé de plusieurs sous-systèmes, notamment le sous-système d'alimentation en gaz pour le transport des réactifs, le sous-système d'alimentation pour la fourniture de sources organométalliques (MO), le sous-système d'alimentation pour la fourniture d'hydrures et la vanne multiplex de croissance/ventilation pour contrôler la direction du flux de gaz. Comme le montre la figure ci-dessous, il s'agit du schéma du trajet du gaz du système de croissance MOCVD.

Système MOCVD à nitrure de qualité recherche AIXTRON CCS 3 x 2"

Schéma du trajet du gaz du système MOCVD

1.2 Système de chambre de réaction : Il s'agit du composant principal du système MOCVD, responsable du processus réel de croissance des matériaux.

Cette section comprend une base en graphite pour supporter le substrat, un dispositif de chauffage pour chauffer le substrat, un capteur de température pour surveiller la température de l'environnement de croissance, une fenêtre de détection optique et un robot de chargement et de déchargement automatique pour manipuler le substrat. Ce dernier est utilisé pour automatiser le processus de chargement et de déchargement, améliorant ainsi l'efficacité de la production. La figure ci-dessous montre le schéma de l'état de chauffage de la chambre du réacteur MOCVD.

Schéma du principe de croissance en chambre du MOCVD

1.3 Système de contrôle de la croissance : Composé d'un contrôleur programmable et d'un ordinateur de contrôle, il est responsable du contrôle et de la surveillance précis de l'ensemble du processus de croissance MOCVD.

Le contrôleur est responsable de la collecte, du traitement et de la sortie de divers signaux, tandis que l'ordinateur de contrôle est responsable de l'enregistrement et de la surveillance de chaque étape de la croissance des matériaux, assurant la stabilité et la répétabilité du processus.

1.4 Système de surveillance in situ : Il se compose de thermomètres à rayonnement infrarouge corrigés en réflectance, d'équipements de surveillance de la réflectance et de dispositifs de surveillance de la déformation.

Ce système peut surveiller en temps réel les paramètres clés pendant le processus de croissance des matériaux, tels que l'épaisseur et l'uniformité du film, ainsi que la température du substrat. Ainsi, il permet des ajustements et des optimisations immédiats du processus de croissance.

1.5 Système de traitement des gaz d'échappement : Responsable du traitement des particules et des gaz toxiques générés pendant le processus de réaction.

Au moyen de méthodes telles que le craquage ou la catalyse chimique, ces substances nocives peuvent être efficacement décomposées et absorbées, assurant la sécurité de l'environnement d'exploitation et la conformité aux normes de protection de l'environnement.

En outre, les équipements MOCVD sont généralement installés dans des salles ultra-propres équipées de systèmes d'alarme de sécurité avancés, de dispositifs de ventilation efficaces et de systèmes stricts de contrôle de la température et de l'humidité. Ces installations auxiliaires et ces mesures de sécurité garantissent non seulement la sécurité des opérateurs, mais améliorent également la stabilité du processus de croissance et la qualité des produits finaux.

La conception et le fonctionnement du système MOCVD reflètent les normes élevées de précision, de répétabilité et de sécurité requises dans le domaine de la fabrication de matériaux semi-conducteurs. Il s'agit de l'une des technologies clés pour la fabrication de dispositifs électroniques et optoélectroniques haute performance.

Le système MOCVD à tête de pulvérisation rapprochée de type vertical (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) dans la chambre d'équipement est utilisé pour la croissance de films épitaxiaux.

Ce système est conçu avec une structure de tête de pulvérisation unique. Sa principale caractéristique réside dans la capacité à réduire efficacement les pré-réactions et à obtenir un mélange de gaz efficace. Ces gaz sont injectés dans la chambre de réaction par les trous de pulvérisation entrelacés sur la tête de pulvérisation, où ils se mélangent complètement et améliorent ainsi l'uniformité et l'efficacité de la réaction.

La conception de la structure de la tête de pulvérisation permet de répartir uniformément le gaz de réaction sur le substrat situé en dessous, assurant la cohérence de la concentration du gaz de réaction à toutes les positions sur le substrat. Ceci est crucial pour former un film épitaxial d'épaisseur uniforme.

En outre, la rotation du disque en graphite favorise encore l'uniformité de la couche limite de la réaction chimique, permettant une croissance plus uniforme du film épitaxial. Ce mécanisme de rotation, en réduisant la couche limite de la réaction chimique fine, permet de minimiser les différences de concentration locales, améliorant ainsi l'uniformité globale de la croissance du film.

(a) La tête de pulvérisation réelle et sa photo agrandie partielle, (b) L'intention de la structure interne de la tête de pulvérisation

II. Pulvérisation cathodique

La pulvérisation cathodique est une technique de dépôt physique en phase vapeur couramment utilisée pour le dépôt de couches minces et le revêtement de surface.

Elle utilise un champ magnétique pour libérer les atomes ou les molécules d'un matériau cible de la surface de la cible, puis forme un film sur la surface du matériau du substrat.

Cette technologie est largement appliquée dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, de revêtements optiques, de revêtements céramiques et dans d'autres domaines.

Schéma du principe de la pulvérisation cathodique

Le principe de la pulvérisation cathodique est le suivant :

1. Sélection du matériau cible : Le matériau cible est le matériau qui doit être déposé sur le matériau du substrat. Il peut s'agir de métaux, d'alliages, d'oxydes, de nitrures, etc. Le matériau cible est généralement fixé sur un dispositif appelé canon cible.

2. Environnement sous vide : Le processus de pulvérisation doit être effectué dans un environnement à vide poussé pour empêcher l'interaction entre les molécules de gaz et le matériau cible. Cela permet d'assurer la pureté et l'uniformité du film déposé.

3. Gaz ionisé : Pendant le processus de pulvérisation, un gaz inerte (tel que l'argon) est généralement introduit pour l'ioniser en plasma. Ces ions, sous l'influence d'un champ magnétique, forment un nuage d'électrons, appelé « plasma de nuage d'électrons ».

4. Application du champ magnétique : Un champ magnétique est appliqué entre le matériau cible et le matériau du substrat. Ce champ magnétique confine le plasma du nuage d'électrons à la surface du matériau cible, maintenant ainsi un état de haute énergie.

5. Processus de pulvérisation : En appliquant un plasma de nuage d'électrons à haute énergie, les atomes ou les molécules du matériau cible sont frappés, ce qui les libère. Ces atomes ou molécules libérés se déposent sous forme de vapeur sur la surface du matériau du substrat, formant un film.

Les avantages de la pulvérisation cathodique sont les suivants :

1. Uniformité du film déposé : Le champ magnétique peut aider à contrôler la transmission des ions, obtenant ainsi un dépôt de film uniforme, garantissant que l'épaisseur et les propriétés du film restent constantes sur toute la surface du substrat.

2. Préparation d'alliages et de composés complexes : La pulvérisation cathodique peut être utilisée pour fabriquer des films d'alliages et de composés complexes, ce qui peut être plus difficile à réaliser avec d'autres techniques de dépôt.

3. Contrôlabilité et modifiabilité : En ajustant des paramètres tels que la composition du matériau cible, la pression du gaz et le taux de dépôt, les propriétés du film, y compris l'épaisseur, la composition et la microstructure, peuvent être contrôlées avec précision.

4. Films de haute qualité : La pulvérisation cathodique peut généralement produire des films de haute qualité, denses et uniformes, avec une excellente adhérence et des propriétés mécaniques.

5. Multifonctionnalité : Elle est applicable à divers types de matériaux, notamment les métaux, les oxydes, les nitrures, etc. Par conséquent, elle a de larges applications dans différents domaines.

6. Dépôt à basse température : Comparée à d'autres techniques, la pulvérisation cathodique peut être effectuée à basse température, voire à température ambiante, ce qui la rend adaptée aux applications où le matériau du substrat est sensible à la température.

Dans l'ensemble, la pulvérisation cathodique est une technologie de fabrication de couches minces très contrôlable et flexible, applicable à un large éventail de domaines d'application, des dispositifs électroniques aux revêtements optiques, etc.

III. Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

La technologie de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) est largement utilisée dans la préparation de divers films (tels que le silicium, le nitrure de silicium et le dioxyde de silicium, etc.).

Le schéma structurel du système PECVD est présenté dans la figure suivante.

Schéma de la structure du système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

Le principe de base est le suivant : des substances gazeuses contenant les composants du film sont introduites dans la chambre de dépôt. En utilisant une décharge de plasma, les substances gazeuses subissent des réactions chimiques pour générer du plasma. Lorsque ce plasma est déposé sur le substrat, un matériau de film est cultivé.

Les méthodes d'initiation de la décharge luminescente comprennent : l'excitation par radiofréquence, l'excitation par courant continu haute tension, l'excitation par impulsions et l'excitation par micro-ondes.

L'épaisseur et la composition des films préparés par PECVD présentent une excellente uniformité. De plus, les films déposés par cette méthode ont une forte adhérence et peuvent atteindre des taux de dépôt élevés à des températures de dépôt relativement basses.

De manière générale, la croissance de couches minces implique principalement les trois processus suivants :

La première étape est que le gaz réactif, sous l'excitation du champ électromagnétique, subit une décharge luminescente pour générer du plasma.

Au cours de ce processus, les électrons entrent en collision avec le gaz réactif, initiant une réaction primaire, qui conduit à la décomposition du gaz réactif et à la génération d'ions et de groupes réactifs.

La deuxième étape est que les divers produits générés à partir de la réaction primaire se déplacent vers le substrat, tandis que divers groupes actifs et ions subissent des réactions secondaires pour former des produits secondaires.

La troisième étape implique l'adsorption de divers produits primaires et secondaires sur la surface du substrat et leur réaction ultérieure avec la surface. Simultanément, il y a libération de substances moléculaires gazeuses.

IV. Techniques de caractérisation des couches minces

4.1 Diffraction des rayons X (DRX)

La DRX (diffraction des rayons X) est une technique couramment utilisée pour analyser les structures cristallines.

Elle révèle des informations telles que les paramètres du réseau, la structure cristalline et l'orientation cristalline du matériau en mesurant les figures de diffraction des rayons X sur la structure cristalline à l'intérieur du matériau.

La DRX est largement utilisée dans divers domaines tels que la science des matériaux, la physique de l'état solide, la chimie et la géologie.

Schéma du principe de test DRX

Principe de fonctionnement : Le principe de base de la DRX est basé sur la loi de Bragg. C'est-à-dire que lorsqu'un faisceau incident est projeté sur un échantillon cristallin, si le réseau atomique ou ionique du cristal est dans un arrangement spécifique, les rayons X seront diffractés. L'angle et l'intensité de la diffraction peuvent fournir des informations sur la structure du cristal.

Diffractomètre à rayons X Bruker D8 Discover

Composition de l'instrument : Un instrument DRX typique se compose des composants suivants :

1. Source de rayons X : Un dispositif qui émet des rayons X, utilisant généralement des cibles en tungstène ou en cuivre pour générer des rayons X.

2. Plate-forme d'échantillon : Une plate-forme pour placer des échantillons, qui peut être tournée pour ajuster l'angle des échantillons.

3. Détecteur de rayons X : Utilisé pour mesurer l'intensité et l'angle de la lumière de diffraction.

4. Système de contrôle et d'analyse : Cela comprend le système logiciel pour contrôler la source de rayons X, l'acquisition de données, l'analyse et l'interprétation.

Domaines d'application : La DRX a des applications importantes dans de nombreux domaines, notamment :

1. Recherche cristallographique : Utilisée pour analyser la structure cristalline des cristaux, déterminer les paramètres du réseau et l'orientation cristalline.

2. Caractérisation des matériaux : Analyser des informations telles que la structure cristalline, la composition de phase et les défauts cristallins du matériau.

3. Analyse chimique : Identifier les structures cristallines des composés inorganiques et organiques, et étudier les interactions entre les molécules.

4. Analyse des films : Ceci est utilisé pour étudier la structure cristalline, l'épaisseur et l'adaptation du réseau du film.

5. Minéralogie et géologie : Utilisé pour identifier les types et les contenus des minéraux, et étudier la composition des échantillons géologiques.

6. Recherche sur les médicaments : L'analyse de la structure cristalline d'un médicament est utile pour comprendre ses propriétés et ses interactions.

Dans l'ensemble, la DRX est une technique analytique puissante qui permet aux scientifiques et aux ingénieurs d'acquérir une compréhension approfondie de la structure cristalline et des propriétés des matériaux, favorisant ainsi la recherche et les applications dans la science des matériaux et les domaines connexes.

Photo du diffractomètre DRX

4.2 Microscope électronique à balayage (MEB)

Le microscope électronique à balayage (MEB) est un type de microscope couramment utilisé. Il utilise un faisceau d'électrons au lieu d'un faisceau lumineux pour éclairer l'échantillon, permettant une observation à haute résolution de la surface et de la morphologie.

Le MEB est largement utilisé dans des domaines tels que la science des matériaux, la biologie et la géologie.

Le principe de fonctionnement de base du MEB est le suivant :

Le MEB utilise un canon à électrons pour générer un faisceau d'électrons. Ce canon à électrons est similaire à celui que l'on trouve dans un tube électronique (CRT), générant des électrons de haute énergie. Le faisceau d'électrons traverse un système de collimation, qui se compose d'une série de lentilles électroniques, pour focaliser et aligner le faisceau d'électrons, assurant la stabilité et la focalisation du faisceau. Sous le contrôle de la bobine de balayage, le faisceau d'électrons balaie la surface de l'échantillon.

La position du faisceau d'électrons peut être contrôlée avec précision, générant ainsi des pixels de balayage sur l'échantillon.

L'échantillon est placé sur la platine du MEB. L'échantillon doit être conducteur car, dans le MEB, le faisceau d'électrons doit interagir avec la surface de l'échantillon pour générer des électrons secondaires, etc. Lorsque des faisceaux d'électrons de haute énergie frappent la surface de l'échantillon, ils interagissent avec les atomes et les molécules de l'échantillon. Ces interactions provoquent la diffusion, l'échappement et l'excitation des électrons, générant divers signaux. La détection MEB analyse les divers signaux générés à partir de la surface de l'échantillon, comprenant principalement les électrons secondaires (SE) et les électrons rétrodiffusés (BSE).

Ces signaux fournissent des informations sur la morphologie de la surface, la structure et la composition de l'échantillon. En contrôlant la position de balayage du faisceau d'électrons sur l'échantillon, le MEB peut obtenir les informations de pixel de la surface de l'échantillon. Ces informations sont traitées et affichées par un ordinateur, générant des images haute résolution de la surface de l'échantillon.

Image physique MEB

4.3 Microscope à force atomique (AFM)

Le microscope à force atomique (AFM) est une technique microscopique à haute résolution, principalement utilisée pour observer les caractéristiques à l'échelle atomique et nanométrique des échantillons. Son principe de fonctionnement est basé sur l'interaction entre la sonde et la surface de l'échantillon. En mesurant les changements de position de la sonde, il est possible d'obtenir la topographie et les informations topologiques de la surface de l'échantillon.

Dans l'AFM, une sonde très fine, généralement en silicium ou en d'autres matériaux avec une pointe à l'échelle nanométrique, est utilisée. La sonde est connectée à la tête de balayage via un cantilever ou un dispositif piézoélectrique, avec la pointe de la sonde proche de la surface de l'échantillon. Lorsque la sonde est proche de la surface de l'échantillon, des interactions se produisent entre les atomes et les molécules de l'échantillon et la sonde, notamment les forces électrostatiques, les forces de van der Waals et les interactions de liaison chimique, etc. Le mouvement du cantilever ou du dispositif piézoélectrique est contrôlé pour maintenir une certaine force entre la pointe de la sonde et la surface de l'échantillon.

L'AFM utilise un système de rétroaction pour maintenir une force constante entre la sonde et l'échantillon. Lorsque la hauteur ou la position de la sonde change, le système de rétroaction ajuste automatiquement la position du cantilever pour maintenir la force constante. La sonde et l'échantillon se déplacent l'un par rapport à l'autre, généralement sur une grille bidimensionnelle, formant un balayage. À chaque point de balayage, l'irrégularité de la surface de l'échantillon provoque le changement de position de la pointe de la sonde. En mesurant le changement de position de la sonde, des informations topologiques de la surface de l'échantillon peuvent être obtenues. Enfin, les données collectées sont traitées pour générer une image topologique haute résolution de la surface de l'échantillon.

L'AFM a de nombreuses applications dans de multiples domaines. Il est utilisé dans des domaines tels que la science des matériaux, la biologie et la nanotechnologie, aidant les chercheurs à acquérir une compréhension plus approfondie de la morphologie et de la structure de la surface des matériaux, et permettant même la manipulation de structures à l'échelle nanométrique.

Les avantages de l'AFM incluent une haute résolution, une non-destructivité et de multiples modes de fonctionnement, ce qui en fait un outil puissant pour l'observation et la recherche à l'échelle nanométrique.

Image physique AFM

Schéma du principe de mesure et du mode de fonctionnement de la microscopie à force atomique

Conclusion

ZMSH est spécialisé dans les technologies avancées de dépôt de couches minces, notamment MOCVD, pulvérisation cathodique et PECVD, offrant un développement de processus sur mesure pour les applications de semi-conducteurs, d'optoélectronique et de revêtements fonctionnels. Nos services couvrent la conception de systèmes personnalisés, l'optimisation des paramètres et la croissance de films de haute pureté, ainsi que la vente d'équipements de dépôt de précision pour répondre aux besoins de la R&D et de la production industrielle.

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