eng
Выпуск #7/2015
А.Веселов
Оборудование для синтеза сверхтонких пленок по технологии атомно-слоевого осаждения
Оборудование для синтеза сверхтонких пленок по технологии атомно-слоевого осаждения
Просмотры: 4655
Технология атомно-слоевого осаждения (АСО) была запатентована в 1974 году в Финляндии доктором Туомо Сунтола. В настоящее время множество компаний производят оборудование, реализующее принципы АСО, но технологическое лидерство принадлежит компании Picosun, в которой Т.Сунтола является членом совета директоров.
10.22184/1993-8578.2015.61.7.72.80
10.22184/1993-8578.2015.61.7.72.80
Разработки в области АСО имеют длительную историю, начиная с 1950-х годов, когда впервые данный метод был упомянут в работах проф. В.Б.Алесковского (СССР). В 1974 году технология АСО была запатентована в Финляндии доктором Туомо Сунтолой, длительное время занимавшимся НИОКРами в данном направлении. На сегодняшний день среди множества производителей оборудования для АСО технологическое лидерство принадлежит компании Picosun, в которой Т.Сунтола является идейным вдохновителем и членом совета директоров. Свен Линдфорс, технический директор компании, на протяжении более 40 лет занимается разработками оборудования АСО для различных применений. Огромный опыт научного коллектива в этой области и постоянные усилия по усовершенствованию технологии позволяют Picosun удерживать ведущие позиции. Компания Picosun – пример того, что научные изыскания могут и должны приводить к успеху, когда в практическом применении их результатов заинтересовано множество отраслей промышленности по всему миру.
Технология
В основе АСО лежит принцип самонасыщения, согласно которому атомы или молекулы определенного типа (тип A) реагируют на поверхности изделий с атомами (молекулами) предыдущего слоя (тип B), равномерно покрывая всю поверхность однородным слоем толщиной порядка ангстрема. После этого избыток частиц типа A и продукты реакции удаляются продувкой азотом или аргоном из камеры, что позволяет предотвратить "паразитные" химические реакции. Молекулы следующего слоя (тип B) реагируют только с молекулами типа A, и также адсорбируются на поверхности одним слоем, после чего вновь производится продувка камеры. Далее цикл повторяется многократно до достижения требуемой толщины пленки. Именно цикличный импульсный напуск и удаление рабочих газов является главным отличием АСО от метода химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). В противоположность АСО, в ХОГФ реакционные газы находятся в рабочей камере одновременно в течение значительного времени (до десятков минут). Самоограничение поверхностных реакций в процессе АСО делает возможным выращивание тонких пленок с управлением осаждения на уровне атомных слоев.
Температура процесса АСО зависит от материала осаждаемой пленки, и для наиболее часто применяемых на практике процессов находится в диапазоне от 200 до 400°С. При использовании плазменной стимуляции во многих случаях удается достичь снижения рабочих температур до значений, близких к комнатным, что особенно важно для изделий, критически чувствительных к нагреву.
Таким образом, технология АСО характеризуется следующими основными достоинствами:
прецизионным контролем толщины и процесса роста пленок;
превосходной конформностью и однородностью;
отсутствием микропор и дефектов;
превосходной воспроизводимостью роста пленок как от пластины к пластине, так и между кассетами с пластинами;
относительно низкими температурами процессов.
Обратной стороной неоспоримых достоинств является низкая скорость осаждения. Как следствие, в прикладных задачах толщина получаемых пленок редко превышает 50–100 нм.
Другие методы осаждения тонких пленок, в частности, магнетронное распыление и ХОГФ, не обладают подобной точностью контроля роста (см. табл.1). Кроме того, общим недостатком методов физического осаждения, будь то магнетронное напыление, электронно-лучевое или термическое испарение, является сложность, а в ряде случаев – практическая невозможность получения однородного покрытия на структурах сложной формы. Поток частиц от источника к подложке в этих методах имеет линейную направленность, поэтому, если угол падения относительно нормали поверхности меняется очень значительно, то некоторые участки оказываются затененными. Примерами таких сложных поверхностей являются МЭМС, некоторые изделия микроэлектроники и 3D-структуры типа TSV (through-silicon via). Именно для их производства технология АСО стала одной из ключевых, поскольку позволяет наносить однородное покрытие на стенки микроканавок со сверхвысоким аспектным отношением (включая ступеньки), в сквозных отверстиях и т.д. (рис.1).
Перечень материалов, которые могут осаждаться с использованием технологии АСО, достаточно широк: диэлектрики (оксиды, нитриды и т.д.); полупроводники (типы А2B6, A3B5); тройные соединения (SrTiO3, BaTiO3 и пр.); металлы, включая рутений, медь, серебро, золото, палладий и иридий.
Основные области применения пленок АСО (рис.2):
различные слои для МЭМС-структур;
структуры, используемые в производстве полупроводниковых приборов и ИС;
проводящие слои в TSV-структурах;
слои для оптических устройств и декоративные покрытия;
слои, препятствующие механическому износу и химическому воздействию, гидрофобные и гидрофильные покрытия;
синтез катализаторов и осаждение пленок на наночастицы;
биосовместимые покрытия;
пассивация различных материалов (солнечные элементы, защита от потускнения и прочее).
Оборудование
Компания Picosun выпускает оборудование АСО как для научных исследований и небольших пилотных производств (R-серия), так и для промышленных применений (R-Pro и P-серия).
R-серия оборудования (рис.3) позволяет получать пленки АСО высочайшего качества с превосходной однородностью даже на поверхности сложнейших структур с порами и сверхвысоким аспектным отношением, а также на наночастицах и на гибких образцах при рулонной подаче. Высокофункциональные и легкозаменяемые источники реагентов для жидкостных, газообразных и твердых прекурсоров дают возможность напылять пленки различных материалов без постпроцессных частиц на разные подложки, трехмерные объекты и на пластины, имеющие наномасштабные особенности поверхностной геометрии. Оборудование имеет до 12 источников реагентов, комплектуется генераторами озона и плазмы, позволяет обрабатывать как одиночные пластины диаметром от 76 до 200 мм, так и кассеты с пластинами диаметром до 150 мм. Возможны оснащение аналитическим оборудованием, например квадрупольным масс-спектрометром, пьезокварцевым микровзвешивателем и эллипсометром для in situ измерений роста пленок, а также интеграция с перчаточными боксами (рис.4), вакуумированными загрузочными шлюзами (рис.5) и аналитическим оборудованием для in vacuo измерений, например, для проведения рентгено-спектрометрического анализа (рис.6).
В табл.2 представлен краткий перечень пленок и их характеристик, полученных пользователями на оборудовании PICOSUN R-200 Advanced.
Оборудование PICOSUN серии R-Pro (рис.7) может быть использовано как для проведения НИОКР, так и в производстве различных изделий. В зависимости от требований заказчика, оно может быть оснащено 12 источниками, включая плазменный генератор, и таким же набором аналитических опций, что и модели R-серии. Кроме того, возможна интеграция с другими технологическими линиями посредством роботизированных вакуумных манипуляторов и загрузки с помощью SMIF-портов.
Для промышленного производства с использованием технологии АСО предназначено оборудование PICOSUN P-серии, которое позволяет решать следующие задачи: выполнять одиночную и кассетную обработку пластин диаметром до 450 мм; формировать пленки на больших трехмерных объектах; работать с большими объемами мелкодисперсных порошков; обрабатывать широкие гибкие изделия в рулонах. Возможна интеграция оборудования в вакуумные кластеры PICOPLATFORM. Некоторые характеристики пленок, полученные на кластерном оборудовании PICOPLATFORM 300, представлены в табл.3.
Промышленное оборудование АСО PICOSUN Р-300 (рис.8) обеспечивает возможность подключения до 12 реагентов и предназначено как для одиночной, так и для кассетной обработки пластин диаметром до 300 мм. Возможны комплектация механическим или автоматизированным манипулятором для загрузки / выгрузки тяжелых деталей, системой полуавтоматической загрузки кассеты с пластинами через вакуумированные шлюзы (рис.9), автоматической системой одиночной загрузки пластин в кассету в вакууме роботизированным манипулятором с последующим ее поворотом и погрузкой в вакуумную камеру АСО (рис.10), а также подключение SMIF и FOUP портов. Оборудование интегрируется с другими вакуумными технологическими линиями и процессами.
Результаты, полученные пользователями PICOSUN P-300B и R-200 для пленок АСО Al2O3 при одиночной загрузке двух кассет по 27 пластин диаметром 200 мм приведены в табл.4.
Кроме того, в линейке оборудования Picosun имеется установка АСО PICOSUN P-1000 (рис.11), предназначенная для нанесения пленок АСО на пластины диаметром до 450 мм в кассете и большие трехмерные объекты, а также листы стекла 400 Ч 600 мм. Имеется возможность подключения до 12 реагентов посредством восьми отдельных вакуумных вводов.
Технология
В основе АСО лежит принцип самонасыщения, согласно которому атомы или молекулы определенного типа (тип A) реагируют на поверхности изделий с атомами (молекулами) предыдущего слоя (тип B), равномерно покрывая всю поверхность однородным слоем толщиной порядка ангстрема. После этого избыток частиц типа A и продукты реакции удаляются продувкой азотом или аргоном из камеры, что позволяет предотвратить "паразитные" химические реакции. Молекулы следующего слоя (тип B) реагируют только с молекулами типа A, и также адсорбируются на поверхности одним слоем, после чего вновь производится продувка камеры. Далее цикл повторяется многократно до достижения требуемой толщины пленки. Именно цикличный импульсный напуск и удаление рабочих газов является главным отличием АСО от метода химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). В противоположность АСО, в ХОГФ реакционные газы находятся в рабочей камере одновременно в течение значительного времени (до десятков минут). Самоограничение поверхностных реакций в процессе АСО делает возможным выращивание тонких пленок с управлением осаждения на уровне атомных слоев.
Температура процесса АСО зависит от материала осаждаемой пленки, и для наиболее часто применяемых на практике процессов находится в диапазоне от 200 до 400°С. При использовании плазменной стимуляции во многих случаях удается достичь снижения рабочих температур до значений, близких к комнатным, что особенно важно для изделий, критически чувствительных к нагреву.
Таким образом, технология АСО характеризуется следующими основными достоинствами:
прецизионным контролем толщины и процесса роста пленок;
превосходной конформностью и однородностью;
отсутствием микропор и дефектов;
превосходной воспроизводимостью роста пленок как от пластины к пластине, так и между кассетами с пластинами;
относительно низкими температурами процессов.
Обратной стороной неоспоримых достоинств является низкая скорость осаждения. Как следствие, в прикладных задачах толщина получаемых пленок редко превышает 50–100 нм.
Другие методы осаждения тонких пленок, в частности, магнетронное распыление и ХОГФ, не обладают подобной точностью контроля роста (см. табл.1). Кроме того, общим недостатком методов физического осаждения, будь то магнетронное напыление, электронно-лучевое или термическое испарение, является сложность, а в ряде случаев – практическая невозможность получения однородного покрытия на структурах сложной формы. Поток частиц от источника к подложке в этих методах имеет линейную направленность, поэтому, если угол падения относительно нормали поверхности меняется очень значительно, то некоторые участки оказываются затененными. Примерами таких сложных поверхностей являются МЭМС, некоторые изделия микроэлектроники и 3D-структуры типа TSV (through-silicon via). Именно для их производства технология АСО стала одной из ключевых, поскольку позволяет наносить однородное покрытие на стенки микроканавок со сверхвысоким аспектным отношением (включая ступеньки), в сквозных отверстиях и т.д. (рис.1).
Перечень материалов, которые могут осаждаться с использованием технологии АСО, достаточно широк: диэлектрики (оксиды, нитриды и т.д.); полупроводники (типы А2B6, A3B5); тройные соединения (SrTiO3, BaTiO3 и пр.); металлы, включая рутений, медь, серебро, золото, палладий и иридий.
Основные области применения пленок АСО (рис.2):
различные слои для МЭМС-структур;
структуры, используемые в производстве полупроводниковых приборов и ИС;
проводящие слои в TSV-структурах;
слои для оптических устройств и декоративные покрытия;
слои, препятствующие механическому износу и химическому воздействию, гидрофобные и гидрофильные покрытия;
синтез катализаторов и осаждение пленок на наночастицы;
биосовместимые покрытия;
пассивация различных материалов (солнечные элементы, защита от потускнения и прочее).
Оборудование
Компания Picosun выпускает оборудование АСО как для научных исследований и небольших пилотных производств (R-серия), так и для промышленных применений (R-Pro и P-серия).
R-серия оборудования (рис.3) позволяет получать пленки АСО высочайшего качества с превосходной однородностью даже на поверхности сложнейших структур с порами и сверхвысоким аспектным отношением, а также на наночастицах и на гибких образцах при рулонной подаче. Высокофункциональные и легкозаменяемые источники реагентов для жидкостных, газообразных и твердых прекурсоров дают возможность напылять пленки различных материалов без постпроцессных частиц на разные подложки, трехмерные объекты и на пластины, имеющие наномасштабные особенности поверхностной геометрии. Оборудование имеет до 12 источников реагентов, комплектуется генераторами озона и плазмы, позволяет обрабатывать как одиночные пластины диаметром от 76 до 200 мм, так и кассеты с пластинами диаметром до 150 мм. Возможны оснащение аналитическим оборудованием, например квадрупольным масс-спектрометром, пьезокварцевым микровзвешивателем и эллипсометром для in situ измерений роста пленок, а также интеграция с перчаточными боксами (рис.4), вакуумированными загрузочными шлюзами (рис.5) и аналитическим оборудованием для in vacuo измерений, например, для проведения рентгено-спектрометрического анализа (рис.6).
В табл.2 представлен краткий перечень пленок и их характеристик, полученных пользователями на оборудовании PICOSUN R-200 Advanced.
Оборудование PICOSUN серии R-Pro (рис.7) может быть использовано как для проведения НИОКР, так и в производстве различных изделий. В зависимости от требований заказчика, оно может быть оснащено 12 источниками, включая плазменный генератор, и таким же набором аналитических опций, что и модели R-серии. Кроме того, возможна интеграция с другими технологическими линиями посредством роботизированных вакуумных манипуляторов и загрузки с помощью SMIF-портов.
Для промышленного производства с использованием технологии АСО предназначено оборудование PICOSUN P-серии, которое позволяет решать следующие задачи: выполнять одиночную и кассетную обработку пластин диаметром до 450 мм; формировать пленки на больших трехмерных объектах; работать с большими объемами мелкодисперсных порошков; обрабатывать широкие гибкие изделия в рулонах. Возможна интеграция оборудования в вакуумные кластеры PICOPLATFORM. Некоторые характеристики пленок, полученные на кластерном оборудовании PICOPLATFORM 300, представлены в табл.3.
Промышленное оборудование АСО PICOSUN Р-300 (рис.8) обеспечивает возможность подключения до 12 реагентов и предназначено как для одиночной, так и для кассетной обработки пластин диаметром до 300 мм. Возможны комплектация механическим или автоматизированным манипулятором для загрузки / выгрузки тяжелых деталей, системой полуавтоматической загрузки кассеты с пластинами через вакуумированные шлюзы (рис.9), автоматической системой одиночной загрузки пластин в кассету в вакууме роботизированным манипулятором с последующим ее поворотом и погрузкой в вакуумную камеру АСО (рис.10), а также подключение SMIF и FOUP портов. Оборудование интегрируется с другими вакуумными технологическими линиями и процессами.
Результаты, полученные пользователями PICOSUN P-300B и R-200 для пленок АСО Al2O3 при одиночной загрузке двух кассет по 27 пластин диаметром 200 мм приведены в табл.4.
Кроме того, в линейке оборудования Picosun имеется установка АСО PICOSUN P-1000 (рис.11), предназначенная для нанесения пленок АСО на пластины диаметром до 450 мм в кассете и большие трехмерные объекты, а также листы стекла 400 Ч 600 мм. Имеется возможность подключения до 12 реагентов посредством восьми отдельных вакуумных вводов.
Отзывы читателей
