박막 증착 기술 소개---CVD(Chemical Vapor Deposition)

박막 증착 공정은 주로 물리적 기상 증착과 화학 기상 증착의 두 가지 범주로 나뉩니다. 

 

반도체 재료의 성장을 수행하는 실무자에게는 PVD 또는 CVD 공정이 자주 사용되며, 이 기사에서는 화학 기상 증착(CVD) 기술을 소개합니다.CVD(Chemical Vapor Deposition)는 광범위한 절연 재료, 대부분의 금속 재료 및 금속 합금 재료를 포함한 광범위한 재료를 증착하기 위해 반도체 산업에서 가장 널리 사용되는 기술입니다. 이론적으로, 그것은 매우 간단합니다 : 두 개 이상의 기체 원료가 반응 챔버에 도입 된 다음 화학적으로 서로 반응하여 새로운 물질을 형성하여 웨이퍼 표면에 증착됩니다.화학기상증착은 박막을 제조하는 전통적인 기술이며, 그 원리는 기체 전구체 반응물을 사용하여 원자와 분자 간의 화학 반응을 통해 기체 전구체의 특정 성분을 분해하고 매트릭스 상에 박막을 형성하는 것입니다. 화학 기상 증착에는 대기 화학 기상 증착, 플라즈마 보조 화학 증착, 레이저 보조 화학 증착, 금속-유기 화합물 증착 등이 포함됩니다. 그러나 기술의 발전과 함께 CVD 기술도 끊임없이 혁신하고 있으며 특정 용도를 위한 많은 전문 기술이 있습니다.

 

플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)

플라즈마 강화 화학 기상 증착은 화학 기상 증착에서 에피 택시 방법으로, 가스를 여기시켜 저온 플라즈마를 생성하고 반응성 물질의 화학적 활성을 향상시킵니다. 이 방법을 사용하면 더 낮은 온도에서 고체막을 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 반응 챔버에서 매트릭스 물질을 음극 위에 놓고 반응 가스를 더 낮은 기압(1~600Pa)으로 도입하고 매트릭스를 일정 온도로 유지하고 글로우 방전이 일정한 방식으로 생성되고 매트릭스 표면 근처의 가스가 이온화되고 반응 가스가 활성화되며 매트릭스 표면에 음극 스퍼터링이 생성되어 표면 활성을 향상시킵니다. 표면에는 일반적인 열화학 반응뿐만 아니라 복잡한 플라즈마 화학 반응도 있습니다. 증착막은 이 두 가지 화학 반응의 결합된 작용에 의해 형성됩니다. 여기 글로우 방전의 주요 방법은 무선 주파수 여기, DC 고전압 여기, 펄스 여기 및 마이크로파 여기입니다.    플라즈마 강화 화학 기상 증착의 주요 장점은 증착 온도가 낮고 매트릭스의 구조 및 물리적 특성에 거의 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 필름의 두께와 조성 균일 성이 좋습니다. 막 조직은 조밀하고 핀홀이 거의 없습니다. 필름층의 강한 접착력; 그것은 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며 다양한 금속, 무기 및 유기 필름을 준비할 수 있습니다.

 

고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(HDP CVD)

유도 결합 플라즈마(ICP) 소스를 사용하는 화학 기상 증착 장치인 HDP-CVD는 점점 더 대중화되고 있는 플라즈마 증착 장치입니다. HDP-CVD(ICP-CVD)는 기존 PECVD 장비보다 낮은 증착 온도에서 더 높은 플라즈마 밀도와 질량을 생성할 수 있습니다. 또한 HDP-CVD는 거의 독립적인 이온 플럭스 및 에너지 제어를 제공하여 트렌치 또는 홀 충진 기능을 향상시킵니다. 그러나 HDP-CVD 구성의 또 다른 중요한 장점은 플라즈마 에칭을 위해 ICP-RIE로 변환할 수 있다는 것입니다. 이점은 예산 또는 시스템 설치 공간이 제한될 때 분명합니다.이상하게 들릴 수 있습니다. 그러나 두 가지 유형의 프로세스 모두 동일한 시스템에서 작동합니다. 추가 가스 주입구와 같은 몇 가지 내부 차이점이 있지만 두 장치의 핵심 구조는 거의 동일합니다.HDP CVD 공정이 등장하기 전에는 대부분의 칩 공장에서 절연 유전체 충전재로 PECVD를 일반적으로 사용했습니다. 이 공정은 0.8미크론보다 큰 간격에 대한 구멍 채우기에 좋은 영향을 미치지만 0.8미크론보다 작은 간격의 경우 PECVD 공정은 한 번에 높은 종횡비로 간격을 채울 때 간격 중간에 끼임 및 보이딩을 생성합니다. HDP CVD 공정은 높은 종횡비로 갭을 메우고 비용을 제어하는 요구 사항을 동시에 충족하는 방법에 대한 탐구에서 탄생했으며, 획기적인 혁신은 동일한 반응기에서 동시 증착 및 에칭 공정입니다.    

 

마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD)

마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD)은 넓은 면적, 우수한 균일성, 고순도 및 우수한 결정 형태를 가진 고품질 경질 박막 및 결정의 제조에 적합합니다. MPCVD는 대형 단결정 다이아몬드를 제조하는 효과적인 방법 중 하나입니다. 이 방법은 전자기파 에너지를 사용하여 반응 가스를 여기시킵니다. 무전극 방전이기 때문에 플라즈마가 순수하고 마이크로파의 방전 면적이 집중되어 팽창하지 않아 원자 수소 등과 같은 다양한 원자 그룹의 생성을 활성화 할 수 있으며 생성 된 이온의 최대 운동 에너지가 낮고 생성 된 다이아몬드를 부식시키지 않습니다.MPCVD 증착 반응 챔버 구조의 구조 조정을 통해 증착 챔버에서 넓은 면적과 안정적인 플라즈마 구를 생성할 수 있으며, 이는 화염 방법으로는 달성하기 어려운 다이아몬드 필름의 넓은 면적 및 균일한 증착에 도움이 되므로 다이아몬드 필름을 제조하는 마이크로파 플라즈마 방법의 우수성은 모든 제조 방법에서 매우 두드러집니다.

 

마이크로파 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 화학 기상 증착(ECR-MPCVD)

MPCVD의 플라즈마 밀도를 더욱 높이기 위해 전자 사이클로트론 공명 CVD(ECR-MPCVD)가 등장했습니다. 다이아몬드 필름의 제조에서 마이크로파 CVD의 독특한 장점으로 인해 연구원들은 일반적으로 다이아몬드 필름의 MPCVD 제조 메커니즘뿐만 아니라 산업 연구 및 도구, 방열판, 광학, 고온 전자 및 기타 분야의 응용 분야에 널리 사용되는 많은 연구를 통해 다이아몬드 필름을 제조하기 위해 이 방법을 사용합니다.

 

초고진공 화학 기상 증착(UHV/CVD)

초고진공 화학기상증착(UHV/CVD)은 고품질 서브미크론 결정 박막, 나노 구조 재료의 제조, 실리콘 기반 고속 및 고주파 장치 및 나노 전자 장치의 개발을 위한 핵심 첨단 박막 기술입니다.20 세기 후반 80 년대 후반에 개발 된 초고진공 화학 기상 증착 기술은 10-6 Pa (10-8 Torr) 미만의 초고진공 반응기에서 수행되는 화학 기상 증착 공정을 말하며, 특히 화학 반응성 기판 표면에 단결정 박막을 증착하는 데 적합합니다. 그래핀은 UHV/CVD로 생산할 수 있는 물질 중 하나입니다. 기존의 기체상 에피택시와 달리 UHV/CVD 기술은 저압 및 저온 성장을 사용하여 도핑 소스의 고체 확산을 효과적으로 줄이고 에피택셜 필름의 3차원 성장을 억제할 수 있습니다. UHV/CVD 시스템 반응기의 초고진공은 Si 기판 표면의 산화를 방지하고 반응 가스에 의해 생성된 불순물이 성장하는 필름에 혼입되는 것을 효과적으로 줄입니다. 초고진공 조건에서 반응 가스 분자는 기판 표면으로 직접 운반될 수 있으며 반응 가스의 확산이 없고 분자 간의 복잡한 상호 작용이 없으며 증착 공정은 주로 가스-고체 계면의 반응에 의존합니다. 전통적인 기체상 에피택시에서는 경계층을 통해 기판 표면으로의 기체상 전구체의 확산이 에피택셜 필름의 성장 속도를 결정합니다. 초고진공을 사용하면 기상 전구체 분자가 기판 표면에 직접 충격을 가할 수 있으며 필름의 성장은 주로 표면의 화학 반응에 의해 제어됩니다. 결과적으로, 기체상 전구체 실란 또는 게르마늄의 분자 유속은 지지 시트의 모든 기판(기판) 표면에서 동일하며, 이는 동시에 여러 기판에서 에피택셜 성장을 달성할 수 있도록 합니다.    

 

저압 화학 기상 증착(LPCVD)

저압 화학기상증착법(LPCVD)은 반응기에서의 증착반응시 반응가스의 작동압력을 약 133Pa 이하로 낮추기 위해 고안된 CVD 반응이다. LPCVD의 압력은 약 133Pa 이하로 떨어지고 이에 따라 분자의 자유 경로와 가스 확산 계수가 증가하여 기체 반응물 및 부산물의 질량 전달 속도가 가속화되고 박막 형성 반응 속도가 증가하며 평행 및 수직 정제의 시트 간격이 5 ~ 10mm로 감소하더라도 시트 표면의 화학 반응 속도와 비교하여 질량 수송 한계를 여전히 무시할 수 있으며, 이는 직립 폐쇄 행 정제에 대한 조건을 만들고 정제의 각 배치의 양을 크게 향상시킵니다.LPCVD 방법으로 증착된 박막은 더 나은 계단식 커버리지 능력, 우수한 조성 및 구조 제어, 높은 증착 속도 및 출력을 갖습니다. 또한 LPCVD는 캐리어 가스를 필요로 하지 않아 입자 오염원을 크게 줄여 고부가가치 반도체 산업에서 박막 증착에 널리 사용되고 있습니다. LPCVD는 이산화규소(LTO TEOS), 질화규소(저응력)(Si3N4), 폴리실리콘(LP-POLY), 인산규산염 유리(BSG), 인산붕소 유리(BPSG), 도핑된 폴리실리콘, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 기타 박막에 널리 사용됩니다.   

 

열화학 기상 증착(TCVD)

TCVD(Thermochemical Vapor Deposition)는 고온을 사용하여 화학 반응을 활성화하는 증기상 성장 방법을 말합니다. 유기 금속 기상 증착, 염화물 화학 기상 증착, 수소화물 화학 기상 증착 등과 같이 널리 사용되는 TCVD 기술은 모두 열화학 기상 증착의 범위에 속합니다. 열화학 기상 증착은 화학 반응의 형태에 따라 여러 범주로 나눌 수 있습니다.(1) 화학 물질 수송 방법: 필름을 구성하는 물질은 소스 영역의 다른 고체 또는 액체 물질과 반응하여 가스를 형성합니다. 그런 다음 일정 온도에서 성장 영역으로 운반되고 반대 열 반응을 통해 필요한 물질이 생성되며 긍정적 반응은 수송 과정의 열 반응이고 역 반응은 결정 성장 과정의 열 반응입니다.(2) 열분해 방법: 필름을 구성하는 요소를 포함하는 특정 휘발성 물질을 성장 영역으로 운반하고 열분해 반응을 통해 필요한 물질을 생성하며 성장 온도는 섭씨 1000-1050도입니다.(3) 합성 반응 방법 : 성장 영역에서 여러 기체 물질이 반응하여 성장 물질을 형성하는 과정, 위의 세 가지 방법 중 화학 수송 방법은 일반적으로 벌크 결정의 성장에 사용되며 분해 반응 방법은 일반적으로 박막 재료의 성장에 사용되며 합성 반응 방법은 두 경우 모두에 사용됩니다. 열화학 기상 증착은 Si, GaAs, InP 및 기타 산화물 및 기타 재료와 같은 반도체 재료에 적용됩니다.

 

고온 화학 기상 증착(HTCVD)

고온 화학 기상 증착은 실리콘 카바이드 결정의 성장을 위한 중요한 방법입니다. HTCVD는 폐쇄형 반응기에서 탄화규소 결정을 성장시키고 외부 가열을 통해 반응 챔버를 필요한 반응 온도(2000°C~2300°C)로 유지합니다. 고온 화학 기상 증착은 기판 재료의 표면에서 발생하는 결합 반응으로 화학 반응입니다. 여기에는 열역학, 가스 수송 및 막 성장 등이 포함되며 반응 가스, 배기 가스 분석 및 스펙트럼 분석에 따라 프로세스는 일반적으로 다음 단계로 나뉩니다. 혼합 반응 가스는 기판 재료의 표면에 도달합니다. 반응 가스는 고온에서 분해되고 기판 재료의 표면에 화학 반응을 일으켜 고체 결정막을 형성합니다. 고체 생성물이 기판 표면에서 분리 및 제거되어 반응 가스를 지속적으로 도입하고 결정질 코팅 재료가 계속 성장합니다.    

 

매체 온도 화학 기상 증착 (MTCVD)

MTCVD 하드 코팅 기술, 20 세기의 80 년대 중반, 그러나 20 세기의 90 년대 중반까지 그 당시에는 사람들의 관심을 끌지 못했습니다, 세계 주요 초경합금 공구 생산 회사, HTCVD 및 MTCVD 기술의 사용, 고속, 고효율 절단, 합금강 중절삭, 건식 절단 및 기타 가공 분야에서 효과적으로 해결 된 새로운 유형의 초경합금 코팅 재료의 연구 개발, 짧은 공구 사용 수명으로 인한 어렵고 강도가 높은 문제는 광범위한 관심을 끌었습니다. 현재 코팅 초경합금 공구 산업의 생산 및 적용에 투입되었으며 그 효과는 매우 중요합니다.MTCVD 기술 증착 공정은 다음과 같습니다. 증착 온도 : 700 ~ 900 °C; 증착 반응 압력 : 2X103 ~ 2X104Pa; 주요 반응 가스 비율 : CH3CN : TiCl4 : H2 = 0.01 : 0.02 : 1, 증착 시간 : 1-4h.

 

유기 금속 화학 기상 증착 (MOCVD)

MOCVD는 증기상 에피택셜 성장(VPE)을 기반으로 개발된 새로운 유형의 기체상 에피택셜 성장 기술입니다. MOCVD는 III.족 및 II족 원소의 유기 화합물과 V족 및 VI. 원소의 수소화물을 결정 성장 원료 물질로 사용하고 열분해 반응에 의해 기판에 기체 상 에피택시를 수행하여 다양한 III.-V 주기, II.-VI. 2차 화합물 반도체 및 이들의 다층 고체 용액을 성장시키는 박층 단결정 재료입니다. 일반적으로 MOCVD 시스템의 결정 성장은 500-1200°C의 기판 온도에서 대기 또는 저압(10-100Torr)에서 H2를 가진 냉벽 석영(스테인리스강) 반응 챔버에서 수행되며, 흑연 베이스(기판 기판은 흑연 베이스 위에 있음)에서 DC로 가열되고, H2는 온도 제어 액체 소스를 통해 버블링하여 금속-유기물을 성장 영역으로 운반합니다.    MOCVD는 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며 거의 모든 화합물 및 합금 반도체를 성장시킬 수 있으며 다양한 이종 구조 재료의 성장에 매우 적합하고 초박형 에피택셜 층을 성장시킬 수 있으며 매우 가파른 계면 전이를 얻을 수 있으며 성장을 제어하기 쉽고 고순도로 재료를 성장시킬 수 있으며 에피택셜 층은 넓은 영역에서 우수한 균일성을 가지며 대규모로 생산할 수 있습니다.

 

레이저 유도 화학 기상 증착(LCVD)

LCD vd는 레이저 빔의 광자 에너지를 사용하여 화학 기상 반응을 자극하고 촉진하는 박막을 증착하는 방법입니다. 광자의 작용으로 기체 상태의 분자가 분해되고 원자가 활성화되어 기판에 박막을 형성합니다. 기존의 화학기상증착법(CVD)과 비교했을 때, 이 방법은 기판의 온도를 크게 낮추고, 기판 내의 불순물 분포 부분의 파괴를 방지하며, 고온을 견딜 수 없는 기판에 박막을 합성할 수 있습니다. 플라즈마 화학 기상 증착 방법과 비교하여 박막에 고에너지 입자의 조사로 인한 손상을 피할 수 있습니다.화학기상증착 공정에서 레이저의 다양한 역할에 따라 LCVD는 광학 LCVD와 열식 LCVD로 나눌 수 있으며 반응 메커니즘도 다릅니다. 광학 LCD는 반응성 가스 분자 또는 촉매 분자를 사용하여 특정 파장에서 레이저 공진을 흡수하는 화학 반응이며, 반응성 분자 가스는 레이저 가열에 의해 해리되도록 유도되어 레이저 출력, 반응 챔버 압력 대 대기의 비율, 가스 유량 및 반응 영역 온도와 같은 적절한 제조 매개변수 하에서 박막을 형성합니다. 광학 LCD vd와 기존 CVD의 원리의 주요 차이점은 레이저가 소스 분자의 화학적 분해 반응에 참여하고 반응 영역 근처의 매우 가파른 온도 구배를 정밀하게 제어할 수 있어 제어 가능한 조성 및 입자 크기를 가진 초미세 입자를 제조할 수 있다는 것입니다.열 LCVD는 주로 기판을 사용하여 레이저의 에너지를 흡수하여 표면에 특정 온도 필드를 형성하고 반응 가스는 기판 표면을 통해 흐르며 화학 반응을 거쳐 기판 표면에 박막을 형성합니다. 열 LCVD 공정은 일종의 급속 가열 및 담금질 필름 형성 공정으로, 기판이 고체 상태의 위상 변형을 겪을 때 급속 가열로 인해 많은 수의 핵 형성이 발생하고 레이저 조사 후 필름 형성 영역이 빠르게 냉각되고 과냉각 정도가 급격히 증가하며 핵 형성 밀도가 증가합니다. 동시에 급속 냉각은 입자 경계의 이동성을 줄이고 반응 시간을 단축하여 미세한 나노 결정을 형성할 수 있습니다.