Descripción general de las técnicas de deposición de películas delgadas: MOCVD, pulverización catódica magnetrónica y PECVD

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 importantes. Este artículo presenta varios métodos comunes de deposición de película delgada utilizados en la fabricación de chips, incluyendoMOCVD, pulverización magnetrónica, yPECVD.

¿Por qué son esenciales los procesos de película delgada en la fabricación de chips?

Para ilustrarlo, imagine un pan plano horneado sin más. Por sí solo, puede que tenga un sabor insípido. Sin embargo, al untar la superficie con diferentes salsas, como una pasta de frijoles salada o un jarabe de malta dulce, puede transformar por completo su sabor. Estos recubrimientos que realzan el sabor son similares apelículas delgadasen los procesos de semiconductores, mientras que el pan plano en sí representa elsustrato.

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 de vapor metalorgánica (MOCVD)

La MOCVD es una técnica muy avanzada y precisa que se utiliza para la deposición de películas delgadas semiconductoras y nanoestructuras 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 los reactivos en la cámara de reacción. Esto incluye el control del flujo de:

• Gases portadores

• Precursores organometálicos

• gases hidruro
  El sistema incorpora válvulas multidireccionales para alternar entre los modos de crecimiento y purga.

• Cámara de reacción
  El núcleo del sistema donde se produce el crecimiento material real. Sus componentes incluyen:

  • Susceptor de grafito (soporte de sustrato)

  • Sensores de calefacción y temperatura

  • Puertos ópticos para monitorización in situ

  • Brazos robóticos para la carga/descarga automatizada de obleas

• Sistema de control del crecimiento
  Consta de controladores lógicos programables y un ordenador central. Estos garantizan una monitorización precisa y la repetibilidad durante todo el proceso de deposición.

• Monitoreo in situ
  Herramientas como los pirómetros y los reflectómetros miden:

  • Espesor de la película

  • Temperatura superficial

  • curvatura del sustrato
    Esto permite obtener retroalimentación y realizar ajustes en tiempo real.

• Sistema de tratamiento de gases de escape
  Trata los subproductos tóxicos mediante descomposición térmica o catálisis química para garantizar la seguridad y el cumplimiento de las normas medioambientales.

Configuración de cabezal de ducha de acoplamiento cerrado (CCS):

En los reactores MOCVD verticales, el diseño CCS permite la inyección uniforme de gases a través de boquillas alternas en una estructura de cabezal de ducha. Esto minimiza las reacciones prematuras y mejora la homogeneidad de la mezcla.

• Elsusceptor de grafito giratorioAdemás, contribuye a homogeneizar la capa límite de gases, mejorando la uniformidad de la película en toda la oblea.

2. Pulverización magnetrónica

La pulverización magnetrónica es un método de deposición física de vapor (PVD) ampliamente utilizado para depositar películas delgadas y recubrimientos, particularmente en electrónica, óptica y cerámica.

Principio de funcionamiento:

1. Material objetivo
   El material de origen que se va a depositar —metal, óxido, nitruro, etc.— se fija en un cátodo.

2. Cámara de vacío
   El proceso se realiza al vacío para evitar la contaminación.

3. Generación de plasma
   Un gas inerte, normalmente argón, se ioniza para formar plasma.

4. Aplicación de campo magnético
   Un campo magnético confina los electrones cerca del objetivo para mejorar la eficiencia de ionización.

5. Proceso de pulverización catódica
   Los iones bombardean el objetivo, desprendiendo átomos que viajan a través de la cámara y se depositan sobre el sustrato.

Ventajas de la pulverización magnetrónica:

• Deposición uniforme de películaen amplias zonas.

• Capacidad para depositar compuestos complejos, incluidas las aleaciones y las cerámicas.

• Parámetros de proceso ajustablespara un control preciso del espesor, la composición y la microestructura.

• Alta calidad cinematográficacon fuerte adhesión y resistencia mecánica.

• Amplia compatibilidad de materiales, desde metales hasta óxidos y nitruros.

• Funcionamiento a baja temperatura, adecuado para sustratos sensibles a la temperatura.

3. Deposición química de vapor mejorada por 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 dondeplasma de descarga luminiscentese genera utilizando:

• excitación de RF

• Alta tensión 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 para la deposición:

1. Formación de plasma
   Al ser excitados por campos electromagnéticos, los gases precursores se ionizan para formar radicales e iones reactivos.

2. Reacción y transporte
   Estas especies experimentan reacciones secundarias a medida que se desplazan hacia el sustrato.

3. Reacción superficial
   Al llegar al sustrato, se adsorben, reaccionan y forman una película sólida. Algunos subproductos se liberan en forma de gases.

Beneficios de PECVD:

• Excelente uniformidaden la composición y el espesor de la película.

• Adhesión fuerteincluso 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)

• ObjetivoAnalizar estructuras cristalinas, constantes de red y orientaciones.

• PrincipioBasándose en la ley de Bragg, mide cómo se difractan los rayos X a través de un material cristalino.

• AplicacionesCristalografía, análisis de fases, medición de deformaciones y evaluación de películas delgadas.

(2) Microscopía electrónica de barrido (MEB)

• ObjetivoObservar la morfología superficial y la microestructura.

• PrincipioUtiliza un haz de electrones para escanear la superficie de la muestra. Las señales detectadas (por ejemplo, electrones secundarios y retrodispersados) revelan detalles de la superficie.

• AplicacionesCiencia de los materiales, nanotecnología, biología y análisis de fallos.

(3) Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)

• Objetivo: Visualización de superficies con resolución atómica o nanométrica.

• PrincipioUna sonda afilada escanea la superficie manteniendo una fuerza de interacción constante; los desplazamientos verticales generan una topografía 3D.

• AplicacionesInvestigación en nanoestructuras, medición de la rugosidad superficial, estudios biomoleculares.