반도체 공정 및 장비: 박막 증착 공정 및 장비

박막증착은 기판 위에 나노 크기의 막을 증착한 후 식각, 연마 등의 공정을 반복하면서 도전층이나 절연층이 여러 개 적층되며, 각 층은 설계된 회로 패턴을 갖게 된다. 이러한 방식으로 반도체 부품과 회로는 복잡한 구조의 칩에 통합됩니다.

박막 증착에는 세 가지 주요 범주가 있습니다.

◈ CVD(화학 기상 증착)

◈ PVD(피셜 증기 증착)

◈ ALD(원자층 증착)

이 세 가지 범주에서 박막 증착 기술을 자세히 살펴보겠습니다.

 

화학 기상 증착 공정

화학 기상 증착(CVD)은 열분해 및/또는 기체 화합물의 반응을 통해 기판 표면에 얇은 필름을 형성합니다. CVD 방법으로 만들 수 있는 필름층 재료에는 탄화물, 질화물, 붕화물, 산화물, 황화물, 셀렌화물, 텔루르화물뿐만 아니라 일부 금속 화합물, 합금 등이 포함됩니다.

화학 기상 증착은 다음과 같은 특징을 가지고 있기 때문에 현재 중요한 현미경 제조 방법입니다.

1. 광범위한 증착: 필요에 따라 금속 및 비금속 필름은 물론 다성분 합금이 포함된 필름, 세라믹 또는 복합층도 증착할 수 있습니다.

2. CVD 반응은 대기압 또는 저진공에서 진행되며 코팅의 회절이 양호하고 형상이 복잡한 표면이나 가공물 표면의 깊은 구멍과 미세한 구멍에 균일하게 코팅할 수 있습니다.

3. 고순도, 우수한 치밀성, 낮은 잔류 응력 및 우수한 결정성을 지닌 박막 코팅을 얻을 수 있습니다. 반응가스, 반응생성물 및 기판의 상호 확산으로 인해 접착력이 좋은 피막을 얻을 수 있으며, 이는 표면 패시베이션, 내식성, 내마모성 등 표면 강화 피막에 중요합니다.

4. 필름이 성장하는 온도는 필름 재료의 녹는점보다 훨씬 낮기 때문에 일부 반도체 코팅에 필요한 고순도의 완전히 결정화된 필름 층을 얻을 수 있습니다.

5. 증착 매개변수를 조정함으로써 클래딩의 화학적 조성, 형태, 결정 구조 및 입자 크기를 효과적으로 제어할 수 있습니다.

6. 장비는 간단하고 작동 및 유지 관리가 쉽습니다.

7. 반응 온도는 일반적으로 850~1100도로 너무 높으며 많은 매트릭스 재료는 CVD의 고온을 견딜 수 없습니다. 플라즈마 또는 레이저 보조 기술을 사용하여 증착 온도를 낮출 수 있습니다.

화학 기상 증착 공정은 세 가지 중요한 단계로 구분됩니다.

1, 반응 가스가 매트릭스 표면으로 확산됩니다.

2, 반응 가스는 매트릭스 표면에 흡착됩니다.

3, 매트릭스 표면에서 화학 반응이 일어나 고체 침전물을 형성하고 그 결과 발생하는 기상 부산물이 매트릭스 표면에서 분리됩니다.

가장 일반적인 화학 기상 증착 반응은 열분해 반응, 화학 합성 반응 및 화학 수송 반응입니다. CVD의 주요 반응과정은 다음과 같다.
i). 폴리실리콘

SiH4 ->Si + 2h2(600도)

증착 속도 100 - 200 nm /min

인(포스핀), 붕소(디보란) 또는 비소 가스를 첨가할 수 있습니다. 폴리실리콘은 증착 후 확산 가스로 도핑될 수도 있습니다.

ii).규소이산화물

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2(300 - 500도)

SiO2는 절연체 또는 패시베이션 층으로 사용됩니다. 인은 일반적으로 더 나은 전자 흐름 특성을 얻기 위해 첨가됩니다. 실리콘이 산소에 존재하면 SiO2가 열적으로 성장합니다. 산소는 산소나 수증기에서 나옵니다. 주변 온도 요구 사항은 900~1200도입니다. 선택적 산화 후 실리콘 웨이퍼의 표면은 아래 그림에 나와 있습니다.

산소와 물은 모두 기존 SiO2를 통해 확산되고 Si와 결합하여 추가 SiO2를 형성합니다. 물(증기)은 산소보다 쉽게 ​​확산되므로 증기를 사용하면 훨씬 빠르게 성장합니다. 산화물은 트랜지스터 게이트를 형성하기 위한 절연층과 패시베이션층을 제공하는 데 사용됩니다. 건조 산소는 게이트와 얇은 산화물 층을 형성하는 데 사용됩니다. 증기는 두꺼운 산화물 층을 형성하는 데 사용됩니다. 절연 산화물 층은 일반적으로 약 1500 nm이고, 게이트 층은 일반적으로 200 nm에서 500 nm 사이입니다.

iii). 질화규소

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

화학 기상 증착 CVD 장비

CVD 반응기에는 세 가지 기본 유형이 있습니다.

◈ APCVD: 대기압 CVD

◈ LPCVD:저압CVD,LPCVD

◈ UHVCVD: 초고진공 CVD

◈ LCVD: 레이저 CVD

◈ MOCVD: 금속-유기 CVD

◈ CVD(PECVD

저압 CVD 공정 장비의 개략도는 아래 그림과 같습니다.

아래 다이어그램은 탄소를 증착하고 다이아몬드 유사 코팅을 준비하는 데 사용되는 이온 강화 CVD 플랜트의 구조를 보여줍니다.

PVD (폴리프로필)프로세스

진공상태에서 물질원(고체 또는 액체) 표면의 물질이 물리적인 방법에 의해 기체상의 원자, 분자 또는 이온으로 이온화된 부분으로 기화되고, 특수한 기능을 갖는 박막이 매트릭스 표면에 증착된다. 저압 가스(또는 플라즈마) 공정을 통해 물리 기상 증착은 금속 필름과 합금 필름뿐만 아니라 화합물, 세라믹, 반도체, 폴리머 필름 등도 증착할 수 있습니다. 물리 기상 증착 기술의 기본 원리는 세 가지 공정 단계로 나눌 수 있습니다. 도금 재료: 도금 재료가 증발, 승화 또는 스퍼터링되는 경우에도, 즉 도금 재료의 기화 소스를 통해. (2) 도금 물질의 원자, 분자 또는 이온의 이동: 가스화 소스에서 공급되는 원자, 분자 또는 이온이 충돌한 후 다양한 반응이 발생합니다. (3) 기판에 원자, 분자 또는 이온을 도금하는 것입니다. 물리 기상 증착 기술의 공정은 무공해이며 소모품이 거의 없습니다. 필름이 균일하고 치밀하며 기재와의 결합력이 강합니다. 이 기술은 항공우주, 전자, 광학, 기계, 건설, 경공업, 야금, 재료 및 기타 분야에서 널리 사용되며 내마모성, 내식성, 장식성, 전도성, 절연성, 광 전도성, 압전성, 자성, 윤활, 초전도성 및 기타 특성. 물리기상증착에는 다양한 공정도 있습니다.

◈ 박막 진공 코팅

◈ PVD-스퍼터링

◈ 이온코팅

아래에서는 이러한 세 가지 유형의 방법 각각에 대한 프로세스 기술을 설명합니다.

◈ 박막 진공 코팅

원칙:박막 진공 코팅도금대상을 진공상태에서 가열, 증발시켜 다수의 원자 및 분자가 기화되어 액체 도금재료를 떠나거나 고체 도금표면을 떠나(또는 승화) 최종적으로 도금표면에 증착되는 기술이다. 기판. 전체 과정에서 기체 원자와 분자는 진공 상태에서 충돌이 거의 없이 매트릭스로 직접 이동하고 매트릭스 표면에 증착되어 얇은 필름을 형성합니다. 증발 방법에는 저항 가열, 고주파 유도 가열, 전자빔, 레이저 빔, 이온빔 고 에너지 충격 도금 재료 등이 포함됩니다.

박막 진공 코팅은 PVD의 가장 오래된 기술 중 하나입니다.

증발 소스:도금재료를 증발온도까지 가열하여 기화시키는데, 이 가열장치를 증발원이라 한다. 가장 일반적으로 사용되는 증발원은 저항 증발원과 전자빔 증발원이며 특수 목적의 증발원으로는 고주파 유도 가열, 아크 가열, 복사 가열, 레이저 가열 증발원 등이 있습니다. 공정 : 진공의 기본 공정 증발은 다음과 같습니다 :

도금 전 처리: 도금 부품의 세척 및 전처리를 포함합니다. 구체적인 세척 방법에는 세척제 세척, 화학 용제 세척, 초음파 세척 및 이온 충격 세척이 포함됩니다. 구체적인 전처리에는 정전기 제거, 프라이머 코팅 등이 포함됩니다.

용광로 로딩: 진공 챔버 청소, 도금 행거 청소, 증발원 설치 및 디버깅, 가운 코팅 포함.

진공청소: 일반적으로 6.6Pa 이상의 첫 번째 거친 펌핑에서는 확산 펌프의 전단계 유지 진공 펌프가 더 일찍 열리고 확산 펌프가 가열됩니다. 예열이 충분해진 후 하이 밸브를 열고 확산 펌프를 사용하여 6×10-3Pa의 배경 진공으로 펌핑합니다.

베이킹: 도금된 부품을 원하는 온도로 굽습니다.

이온 충격: 진공도는 일반적으로 10Pa~10-1Pa이고 이온 충격 전압은 200V~1kV 음의 고전압이며 출발 시간은 5분~30분입니다.

사전 용융: 전류를 조정하여 도금 재료를 사전 용융시키고 1분~2분 동안 탈기합니다.

증발 증착: 원하는 증착 시간이 끝날 때까지 요구 사항에 따라 증발 전류를 조정합니다. 8. 냉각: 도금된 부품은 진공 챔버에서 특정 온도로 냉각됩니다.

9. 용광로: 피킹 후 진공 챔버를 닫고 1×10-1Pa로 진공을 진공화한 후 확산 펌프를 허용 온도까지 냉각시킨 후 유지보수 펌프와 냉각수를 끄십시오.

◈ PVD-스퍼터링

스퍼터링 코팅은 에너지를 얻은 입자(예: 아르곤 이온)를 사용하여 진공 조건에서 타겟 물질의 표면에 충격을 가하여 타겟 물질 표면의 원자가 탈출할 수 있는 충분한 에너지를 얻을 수 있도록 하는 것을 의미하며, 이 과정은 다음과 같습니다. 스퍼터링이라고 부른다. 스퍼터링된 타겟을 기판 표면에 증착하는 것을 스퍼터링 코팅이라고 합니다.

아르곤(Ar) 원자는 진공 환경에서 아르곤(Ar)을 채우고 고전압에서 아르곤을 방전시키면 아르곤 이온(Ar+)으로 이온화될 수 있습니다. 전계력의 작용으로 아르곤 이온은 도금 재료로 만들어진 음극 타겟의 충격을 가속화하고 타겟은 스퍼터링되어 공작물 표면에 증착됩니다.

스퍼터링 코팅은 DC 스퍼터링, 고주파 스퍼터링 및 마그네트론 스퍼터링으로 나눌 수 있으며 해당 글로우 방전 전압원 및 제어 필드는 각각 고전압 직류, 무선 주파수(RF) 교류 및 마그네트론(M) 필드입니다.

스퍼터링 코팅, 높은 증착 속도, 우수한 공정 반복성, 쉬운 자동화, 대규모 건축 장식 코팅 및 산업 자재의 기능성 코팅에 적합합니다. 스퍼터링 코팅은 또한 집적 회로 및 반도체 장치 제조에 중요한 역할을 합니다.

하이테크 및 신흥 산업의 발전으로 다중 아크 이온 도금 및 마그네트론 스퍼터링 호환성 기술, 대형 직사각형 장아크 타겟 및 스퍼터링 타겟, 비평형과 같은 물리 기상 증착 기술에 새롭고 진보된 하이라이트가 많이 있습니다. 마그네트론 스퍼터링 타겟, 트윈 타겟 기술, 리본 폼 다중 아크 증착 와인딩 코팅 기술, 스트립 섬유 직물 와인딩 코팅 기술 등 전체 코팅 장비 세트를 사용하여 컴퓨터 자동화, 대규모 화학 산업 규모 개발에 이릅니다.

◈ 이온코팅

이온 코팅의 기본 원리는 진공 조건에서 플라즈마 이온화 기술을 사용하여 도금 재료의 원자를 부분적으로 이온으로 이온화하는 동시에 고에너지 중성 원자를 많이 생성하는 것입니다. 도금할 기판에 음의 바이어스를 인가하여 깊은 음의 바이어스 작용에 따라 이온이 기판 표면에 증착되어 박막을 형성합니다.

이온 코팅은 불활성 가스 글로우 방전의 도움으로 도금 재료(금속 티타늄 등)를 가스화, 증발 및 이온화시키고, 이온은 전기장에 의해 가속되어 더 높은 에너지로 공작물의 표면에 충격을 가하게 됩니다. 시간이 지나면 이산화탄소, 질소 및 기타 반응 가스가 도입되면 공작물 표면에 TiC 및 TiN 피복층을 얻을 수 있으며 경도는 2000HV에 이릅니다.

이온 코팅은 물리 기상 증착법에서 가장 널리 사용되는 코팅 공정 중 하나입니다.

그 장점은 다음과 같습니다:

①필름층과 매트릭스 사이의 접착력이 강하고, 반응온도가 낮다.

②필름층이 균일하고 치밀하다.

③음의 바이어스 압력 하에서 좋은 권선 도금.

④ 오염이 없습니다.

⑤이온 플레이팅에는 다양한 기판 재료가 적합합니다.

이온 코팅 기술의 발전으로 반응성 이온 도금, 플라즈마 코팅, 다중 아크 이온 도금 등과 같은 다양한 이온 코팅 기술 방법이 등장했습니다. 여기서는 모두 다루지는 않겠습니다.

PVD (폴리프로필)장비

물리기상증착 장비에는 진공증착코터, 진공스퍼터코터, 진공이온코터 등이 있습니다. 아래 그림은 진공증착코터의 구조원리를 보여줍니다.

다음 그림은 스퍼터 코팅 장비 구조의 개략도를 보여줍니다.

다음 그림은 이온 코팅 장비의 구조적 개략도를 보여줍니다.

ALD (알드)프로세스

ALD:Atomic Layers Deposition은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 기반으로 한 고정밀 박막 증착 기술로, 물질을 기판 표면에 단일 원자막 형태로 층층이 증착하는 기술이다. ALD는 기존 CVD와 달리 반응전구체가 교대로 증착되는 증착 방식으로, 새로운 원자막의 화학반응이 이전 층과 직접적으로 연관되어 있어 각 반응마다 한 층의 원자만 증착된다.

각 반응에는 한 층의 원자만 증착되며, 이는 자기 제한적이므로 필름이 기판에 컨포멀하고 핀홀 없이 증착될 수 있습니다. 결과적으로 증착 사이클 수를 제어하여 필름의 두께를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

ALD 증착 가능한 재료로는 금속, 산화물, 탄소(질소, 황, 규소), 각종 반도체 재료, 초전도 재료 등이 있습니다. 집적 회로가 점점 더 집적화되고 작아짐에 따라 고유전율(high k) 게이트 유전체가 점차 전통적인 실리콘 산화물 게이트를 대체하고 있으며 종횡비가 점점 더 커지고 있으며 이는 스텝 커버리지 능력에 대한 요구 사항이 더 높아졌습니다. 따라서 ALD는 위의 요구 사항을 충족할 수 있는 새로운 증착 공정으로 점점 더 많이 채택되고 있습니다.

ALD 주기는 네 단계로 나눌 수 있습니다.

제1 전구체 가스가 기판 내부로 유입되어 기판 표면에 흡착 또는 화학반응이 일어나는 단계;

불활성 가스로 나머지 가스를 플러시합니다.

두 번째 전구체 가스를 도입하고; 매트릭스 표면에 흡착된 제1 전구체 가스와 화학 반응하여 코팅을 형성하거나, 제1 전구체와 매트릭스가 반응하는 생성물이 계속해서 반응하여 코팅을 형성하는 단계;

다시 불활성 가스로 여분의 가스를 씻어내세요.

ALD 기술의 특징 및 장점:

우수한 3차원적 등각성: ALD는 원래 기판의 모양과 일치하는 필름을 생성합니다. 즉, 필름은 오목한 표면에 균일하게 증착될 수 있습니다. 따라서 다양한 모양의 기판에 적합합니다. 균일한 3차원 필름, 일관된 모양 및 등각성은 ALD 기술의 고유한 장점입니다.

높은 평탄도: 표면에는 핀홀이 없으며 상향식 성장 메커니즘은 필름의 핀홀 없는 특성을 결정하며 이는 차단 및 패시베이션 응용 분야에 유용합니다.

우수한 접착력: 기판 표면에 대한 전구체의 화학적 흡착으로 탁월한 접착력 보장

낮은 열 예산(낮은 증착 온도): 저온(실온 ~ 400도)에서 박막 성장이 수행될 수 있으며 이는 온도 제약이 있는 폴리머 장치 및 생체 재료 코팅에 매우 매력적입니다.

높은 정확도: 반응주기를 제어하여 기재 필름의 두께를 간단하고 정밀하게 제어할 수 있으며, 필름의 두께 정확도는 원자 하나의 두께에 도달할 수 있습니다.

ALD 장비

ALD 장비의 공정온도는 50~500도로서 상압에서는 작동이 가능하지만, 저압(0.1~10Torr) 조건에서는 작동하는 경향이 있습니다. ALD는 서로 다른 에너지 공급 방식에 따라 열간 원자 증착(Hot Atomic Deposition)과 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD)으로 나눌 수 있습니다. 열 ALD는 열 에너지를 사용하여 두 개 이상의 전구체를 자극하여 화학적으로 반응합니다. 충분한 반응 활성화 에너지를 제공하기 위해 열원자층증착 장비는 일반적으로 200~500도 범위에서 작동한다.

아래 그림은 단일 웨이퍼 ALD 장치를 보여줍니다.

0020-24896 커버 링 6" SST 101 AL

 

--종료--