这一篇将会介绍几种薄膜制备方法，在半导体加工工艺中，被提及最多就是光刻和刻蚀，其次就是外延（薄膜）工艺了。

 

为什么芯片制造需要薄膜工艺呢？

 

举个例子，生活中很多人喜欢吃烧饼，如果一个方方正正的烧饼不添加调料，烤出来没什么味道，口感也不好。有的人喜欢吃咸味，就在烧饼表面刷一层豆瓣酱，喜欢吃甜味就在表面刷一层麦芽糖。

 

刷完酱后烧饼表面的这一层咸味或甜味的酱料，就是薄膜，它的出现改变了整个烧饼的味道，而烧饼本身就叫做衬底。

 

当然，在芯片加工过程中，薄膜的功能分很多种，对应的薄膜制备方法也有很多种，在这一篇文章中简单介绍几种常见的薄膜制备方法，包括MOCVD、磁控溅射、PECVD等……

 

一、金属有机化学气相沉积(MOCVD)

 

MOCVD外延生长系统是一种高度复杂和精密的设备,它在制备高质量半导体薄膜和纳米结构方面发挥着关键作用｡

 

MOCVD系统由五个核心部分组成,每个部分都承担着不同但相互关联的功能,共同确保了材料生长过程的高效性和安全性｡

 

(1)气体输运系统:这一分系统的主要职责是精确控制各种反应物输送到反应室中,包括反应物的计量､输送时间和顺序以及总气体流速的调节｡

 

它由几个子系统组成,包括用于携带反应物的载气供应子系统､提供金属有机(MO)源的供应子系统､供应氢化物的供应子系统,以及用于控制气体流向的生长/放空多路组合阀,如下图所示,是MOCVD生长系统气路示意图｡

 

 

 

 

(2)反应室系统:是MOCVD系统的核心,负责实际的材料生长过程｡

 

这个部分包含用于承载衬底的石墨基座､用于加热衬底的加热器､温度传感器用于监控生长环境温度､光学检测窗口以及自动装卸片机械手,后者用于自动化地装卸衬底,提高生产效率,下图所示是MOCVD反应腔加热状态图｡

 

 

(3)生长控制系统:通过可编程控制器和控制计算机组成,负责整个MOCVD生长过程的精确控制和监控｡

 

控制器处理各种信号的采集､处理和输出,而控制计算机则负责记录和监控材料生长的各个阶段,确保过程的稳定性和重复性｡

 

4.原位监测系统:包括反射率校正红外辐射高温计､反射率监测和翘曲监测设备｡

 

这一系统能够实时监测材料生长过程中的关键参数,如薄膜厚度和均匀性,以及衬底的温度,从而实现对生长过程的即时调整和优化｡

 

5.尾气处理系统:负责处理反应过程中产生的有毒颗粒和气体｡

 

通过裂解或化学催化等方法,有效分解和吸收这些有害物质,确保操作环境的安全和符合环保标准｡

 

此外,MOCVD设备通常安装在配备有先进安全报警系统､有效的通风装置和严格的温度湿度控制系统的超净室内｡这些辅助设施和安全措施不仅保障了操作人员的安全,还提高了生长过程的稳定性和最终产品的质量｡

 

MOCVD系统的设计和操作反映了在半导体材料制备领域对精确度､重复性和安全性的高标准要求,是实现高性能电子和光电子器件制造的关键技术之一｡

 

设备腔室内的垂直型近耦合喷淋头(Closed-Coupled-Showerhead,CCS)MOCVD系统用于生长外延薄膜｡

 

这种系统的设计采用了独特的喷淋头式结构,其核心特点在于能够有效减少预反应,实现气体的有效混合，这些气体通过喷淋头上相间分布的喷孔分别注入到反应室中,在其中充分混合,从而提高了反应的均匀性和效率｡

 

喷淋头式的结构设计使反应气体能够均匀地分布到位于其下方的衬底上,确保了衬底各个位置上反应气体浓度的一致性｡这一点对于形成具有均匀厚度的外延薄膜至关重要｡

 

此外,石墨盘的旋转进一步促进了化学反应边界层的均匀化,使得外延薄膜的生长更为均匀｡这种旋转机制通过稀薄化学反应的边界层,有助于减少局部浓度差异,从而提高薄膜生长的整体均匀性｡

 

 

二、磁控溅射

 

磁控溅射是一种常用于薄膜沉积和表面涂层的物理气相沉积技术。

 

它利用磁场将一个靶材料的原子或分子从靶表面释放，并在基底材料表面生成薄膜。

 

这项技术广泛应用于制造半导体器件、光学涂层、陶瓷涂层等领域。

 

 

磁控溅射的原理如下：

 

1、靶材料选择：靶材料是要沉积到基底材料上的目标材料。它可以是金属、合金、氧化物、氮化物等。靶材料通常固定在一个称为靶枪的装置上。

 

2、真空环境：溅射过程需要在高真空环境中进行，以防止气体分子与目标材料的相互作用。这有助于确保沉积薄膜的纯净度和均匀性。

 

3、离子化气体：在溅射过程中，通常会引入一个惰性气体(如氩气)，将其离子化形成等离子体。这些离子在磁场的作用下形成一个电子云，被称为“电子云等离子体”。

 

4、磁场施加：在靶材料和基底材料之间施加一个磁场。这个磁场将电子云等离子体束缚在靶材料的表面，从而保持高能量状态。

 

5、溅射过程：通过施加高能量电子云等离子体，靶材料的原子或分子被击中，从而释放出来。这些释放的原子或分子会以蒸汽的形式沉积在基底材料的表面上，形成薄膜。

 

磁控溅射的优势包括：

 

1、沉积薄膜的均匀性：磁场可以帮助控制离子的传输，从而实现均匀的薄膜沉积，使得薄膜的厚度和性质在整个基底表面上保持一致。

 

2、复杂合金和化合物的制备：磁控溅射可用于制备复杂的合金和化合物薄膜，这些薄膜在其他沉积技术中可能更难实现。

 

3、可控性和调制性：通过调整溅射参数，如靶材料组成、气体压力、沉积速率等，可以精确控制薄膜的性质，如厚度、成分和微结构。

 

4、高质量薄膜：磁控溅射通常能够生成高质量、致密且均匀的薄膜，具有良好的附着力和机械性能。

 

5、多功能性：它适用于多种材料类型，包括金属、氧化物、氮化物等，因此在不同领域具有广泛的应用。

 

6、低温沉积：相对于其他技术，磁控溅射可以在低温甚至室温下进行，适用于对基底材料有温度敏感性的应用。

 

总体而言，磁控溅射是一种高度可控且灵活的薄膜制备技术，适用于多种应用领域，从电子器件到光学涂层等。

 

三、等离子体增强化学气相沉积

 

等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)技术被广泛应用于各种薄膜的制备(如:硅､氮化硅和二氧化硅等)｡

 

PECVD系统的结构示意图如下图所示｡

 

 

其基本原理是:向沉积室中充入含有薄膜组份的气态物质,利用辉光放电使气态物质发生化学反应而生成等离子体,等离子体沉积在衬底上就生长出了薄膜材料｡

 

激发辉光放电的方法主要有:射频激发､直流高压激发､脉冲激发和微波激发｡

 

利用PECVD制备的薄膜厚度和组成成分都具有良好的均匀性｡此外,该方法沉积的薄膜附着力强,在较低的沉积温度下可以达到高的沉积速度｡

 

通常来看,薄膜的生长主要包括以下三个过程:

 

第一步,反应气体在电磁场的激励下,辉光放电产生等离子体｡

 

在这个过程中,电子会与反应气体碰撞,发生初级反应,导致反应气体分解产生离子和活性基团｡

 

第二步,初级反应产生的各种产物向衬底方向移动,同时各种活性基团和离子发生次级反应,生成次级产物｡

 

第三步,到达衬底表面的各种初级产物和次级产物被吸附并与表面发生反应,同时伴随有气相分子物的再放出｡

 

四、薄膜表征技术

 

(1)X射线衍射(XRD)

 

XRD(X-rayDiffraction，X射线衍射)是一种常用于分析晶体结构的技术。

 

它通过测量材料中的晶体结构对X射线的衍射模式，从而揭示出材料的晶格参数、晶体结构、晶体取向等信息。

 

XRD在材料科学、固态物理、化学、地质学等领域中被广泛应用。

 

 

工作原理：XRD的基本原理是根据布拉格定律，即入射光束照射到晶体样品上后，当晶格中的原子或离子阵列处于特定的排列方式时，会产生X射线的衍射。衍射的角度和强度可以提供关于晶体的结构信息。

 

 

仪器构成：典型的XRD仪器由以下几部分组成：

 

1.X射线源：发射X射线的装置，通常使用钨或铜靶产生X射线。

 

2.样品台：放置样品的平台，可以旋转调整样品的角度。

 

3.X射线检测器：用于测量衍射光的强度和角度。

 

4.控制和分析系统：包括X射线源的控制、数据采集、分析和解释的软件系统。

 

应用领域：XRD在许多领域中有重要应用，包括但不限于：

 

1.晶体学研究：用于解析晶体的晶体结构，确定晶格参数和晶体取向。

 

2.材料表征：分析材料的晶体结构、相组成和晶体缺陷等信息。

 

3.化学分析：识别无机和有机化合物的晶体结构，研究分子间的相互作用。

 

4.薄膜分析：用于研究薄膜的晶体结构、厚度和晶格匹配等。

 

5.矿物学和地质学：用于识别矿物的种类和含量，研究地质样品的成分。

 

6.药物研发：分析药物的晶体结构，有助于理解其性质和相互作用。

 

综合来说，XRD是一种强大的分析技术，可以帮助科学家和工程师深入了解材料的晶体结构和性质，从而推动材料科学和相关领域的研究和应用。

 

 

(2)扫描电子显微镜(SEM)

 

扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)是一种常用的显微镜，它通过使用电子束而不是光束来照射样品，从而实现高分辨率的表面和形貌观察。

 

SEM在材料科学、生物学、地质学等领域中广泛应用。

 

以下是SEM的基本工作原理：

 

SEM使用一个电子枪产生电子束。这个电子枪类似于电子显像管(CRT)中的电子枪，产生高能量的电子。电子束通过一个准直系统，包括一系列的电子透镜，来聚焦和准直电子束，确保电子束的稳定性和聚焦度。在扫描线圈的控制下，电子束在样品表面上进行扫描。

 

电子束的位置可以被精确地控制，从而在样品上生成扫描的像素。

 

样品被放置在SEM的样品台上。样品需要导电，因为在SEM中，电子束需要与样品表面相互作用，产生二次电子等。当高能电子束击中样品表面时，会与样品中的原子和分子相互作用。这些相互作用会导致电子的散射、逸出和激发，产生多种信号。SEM检测从样品表面产生的多种信号，主要包括二次电子(SE)和背散射电子(BSE)。

 

这些信号提供了样品表面形貌、构造和组成信息。通过控制电子束在样品上的扫描位置，SEM可以获取样品表面的像素信息。这些信息通过计算机处理和显示，生成具有很高分辨率的样品表面图像。

 

 

(3)原子力显微镜(AFM)

 

原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，AFM)是一种高分辨率的显微镜技术，主要用于观察样品表面的原子尺度和纳米尺度特征。它的工作原理基于探针与样品表面之间的相互作用，通过测量探针的位置变化来获取样品表面的形貌和拓扑信息。

 

在AFM中，使用一个非常细小的探针，通常由硅或其他材料制成的纳米尺度尖端。探针通过悬臂或压电器件连接到扫描头，探针尖端靠近样品表面。当探针靠近样品表面时，样品的原子和分子与探针之间发生相互作用，包括静电力、范德华力和化学键作用等。控制悬臂或压电器件的移动，使探针尖端与样品表面保持一定的力。

 

AFM使用一个反馈系统来维持探针和样品之间的恒定力。当探针的高度或位置发生变化时，反馈系统会自动调整悬臂的位置，以保持恒定的力。探针和样品相对运动，通常在一个二维网格上进行，形成扫描。在每个扫描点，样品表面的不平坦性会导致探针尖端的位置发生变化。通过测量探针的位置变化，可以获取样品表面的拓扑信息。最终，收集的数据会被处理，生成样品表面的高分辨率拓扑图像。

 

AFM在多个领域中有广泛的应用。它被用于材料科学、生物学、纳米技术等领域，帮助研究者深入了解材料的表面形貌和结构，甚至能够操控纳米尺度结构。

 

AFM的优势包括高分辨率、非破坏性和多种工作模式，使其成为纳米尺度观察和研究的强大工具。

 

 

 

参考文献：

 

(1)于淼 氧化镓异型异质结光电探测器研究[D].

 

(2)王炳翔 GaN基高增益紫外探测器研究[D].

 

(3)郑显通 分子束外延InGaN合金及其光电导行为研究[D].

 

(4)李青云 硅和铌酸锂复合薄膜及相关光子器件的研究[D].

来源：半导体全解

关键词： 芯片 薄膜制备