En la fabricación de semiconductores, si bien la fotolitografía y el grabado son los procesos más mencionados, las técnicas de deposición epitaxial o de película delgada son igualmente cruciales. Este artículo presenta varios métodos comunes de deposición de película delgada utilizados en la fabricación de chips, incluyendoMOCVD, pulverización catódica con magnetrón, yPECVD.
¿Por qué son esenciales los procesos de película delgada en la fabricación de chips?
Para ilustrarlo, imagine un pan plano horneado. Por sí solo, podría tener un sabor insípido. Sin embargo, al untar la superficie con diferentes salsas, como una sabrosa pasta de frijoles o jarabe de malta dulce, puede transformar por completo su sabor. Estos recubrimientos que realzan el sabor son similares a...películas delgadasen los procesos de semiconductores, mientras que el pan plano en sí mismo representa lasustrato.
En la fabricación de chips, las películas delgadas cumplen numerosas funciones (aislamiento, conductividad, pasivación, absorción de luz, etc.) y cada función requiere una técnica de deposición específica.
1. Deposición química en fase de vapor metalorgánico (MOCVD)
La MOCVD es una técnica altamente avanzada y precisa que se utiliza para la deposición de películas delgadas y nanoestructuras semiconductoras de alta calidad. Desempeña un papel crucial en la fabricación de dispositivos como LED, láseres y electrónica de potencia.
Componentes clave de un sistema MOCVD:
- Sistema de suministro de gas
Responsable de la introducción precisa de reactivos en la cámara de reacción. Esto incluye el control de flujo de:
-
gases portadores
-
Precursores metalorgánicos
-
gases hidruros
El sistema cuenta con válvulas multivía para cambiar entre los modos de crecimiento y purga.
-
Cámara de reacción
El corazón del sistema donde se produce el verdadero crecimiento material. Sus componentes incluyen:-
Susceptor de grafito (soporte de sustrato)
-
Sensores de temperatura y calentador
-
Puertos ópticos para monitoreo in situ
-
Brazos robóticos para la carga y descarga automatizada de obleas
-
- Sistema de control del crecimiento
Consta de controladores lógicos programables y una computadora central. Estos garantizan una monitorización precisa y repetibilidad durante todo el proceso de deposición. -
Monitoreo in situ
Herramientas como pirómetros y reflectómetros miden:-
Espesor de la película
-
Temperatura de la superficie
-
Curvatura del sustrato
Estos permiten retroalimentación y ajuste en tiempo real.
-
- Sistema de tratamiento de gases de escape
Trata subproductos tóxicos mediante descomposición térmica o catálisis química para garantizar la seguridad y el cumplimiento ambiental.
Configuración del cabezal de ducha de acoplamiento cerrado (CCS):
En los reactores verticales de MOCVD, el diseño de CCS permite la inyección uniforme de gases mediante boquillas alternas en una estructura de cabezal de ducha. Esto minimiza las reacciones prematuras y mejora la uniformidad de la mezcla.
-
Elsusceptor de grafito giratorioAdemás, ayuda a homogeneizar la capa límite de gases, mejorando la uniformidad de la película en toda la oblea.
2. Pulverización catódica con magnetrón
La pulverización catódica por magnetrón es un método de deposición física de vapor (PVD) ampliamente utilizado para depositar películas delgadas y revestimientos, particularmente en electrónica, óptica y cerámica.
Principio de funcionamiento:
-
Material objetivo
El material fuente que se va a depositar (metal, óxido, nitruro, etc.) se fija en un cátodo. -
Cámara de vacío
El proceso se realiza al vacío para evitar contaminación. -
Generación de plasma
Un gas inerte, normalmente argón, se ioniza para formar plasma. -
Aplicación del campo magnético
Un campo magnético confina los electrones cerca del objetivo para mejorar la eficiencia de ionización. -
Proceso de pulverización catódica
Los iones bombardean el objetivo, desprendiendo átomos que viajan a través de la cámara y se depositan en el sustrato.
Ventajas de la pulverización catódica por magnetrón:
-
Deposición uniforme de películaen grandes áreas.
-
Capacidad para depositar compuestos complejos, incluidas aleaciones y cerámicas.
-
Parámetros de proceso ajustablespara un control preciso del espesor, la composición y la microestructura.
-
Película de alta calidadcon fuerte adherencia y resistencia mecánica.
-
Amplia compatibilidad de materiales, desde metales hasta óxidos y nitruros.
-
Operación a baja temperatura, adecuado para sustratos sensibles a la temperatura.
3. Deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD)
La PECVD se utiliza ampliamente para la deposición de películas delgadas como nitruro de silicio (SiNx), dióxido de silicio (SiO₂) y silicio amorfo.
Principio:
En un sistema PECVD, los gases precursores se introducen en una cámara de vacío donde seplasma de descarga luminiscentese genera utilizando:
-
Excitación de RF
-
Alto voltaje de CC
-
Fuentes de microondas o pulsadas
El plasma activa las reacciones en fase gaseosa, generando especies reactivas que se depositan sobre el sustrato para formar una película delgada.
Pasos de deposición:
-
Formación de plasma
Excitados por los campos electromagnéticos, los gases precursores se ionizan para formar radicales e iones reactivos. -
Reacción y transporte
Estas especies experimentan reacciones secundarias a medida que se desplazan hacia el sustrato. -
Reacción superficial
Al llegar al sustrato, se adsorben, reaccionan y forman una película sólida. Algunos subproductos se liberan en forma de gases.
Beneficios del PECVD:
-
Excelente uniformidaden la composición y el espesor de la película.
-
Fuerte adhesiónIncluso a temperaturas de deposición relativamente bajas.
-
Altas tasas de deposición, lo que lo hace adecuado para la producción a escala industrial.
4. Técnicas de caracterización de películas delgadas
Comprender las propiedades de las películas delgadas es esencial para el control de calidad. Las técnicas comunes incluyen:
(1) Difracción de rayos X (DRX)
-
Objetivo:Analizar estructuras cristalinas, constantes reticulares y orientaciones.
-
Principio:Basado en la Ley de Bragg, mide cómo los rayos X se difractan a través de un material cristalino.
-
Aplicaciones:Cristalografía, análisis de fases, medición de deformaciones y evaluación de películas delgadas.
(2) Microscopía electrónica de barrido (MEB)
-
Objetivo:Observar la morfología y microestructura de la superficie.
-
PrincipioUtiliza un haz de electrones para escanear la superficie de la muestra. Las señales detectadas (p. ej., electrones secundarios y retrodispersados) revelan detalles de la superficie.
-
Aplicaciones:Ciencia de materiales, nanotecnología, biología y análisis de fallos.
(3) Microscopía de fuerza atómica (AFM)
-
Objetivo:Superficies de imágenes con resolución atómica o nanométrica.
-
Principio:Una sonda afilada escanea la superficie mientras mantiene una fuerza de interacción constante; los desplazamientos verticales generan una topografía 3D.
-
Aplicaciones:Investigación de nanoestructuras, medición de rugosidad superficial, estudios biomoleculares.
Hora de publicación: 25 de junio de 2025