eng
Выпуск #6/2018
А.Веселов
Оборудование компании Picosun для синтеза сверхтонких пленок по технологии атомно-слоевого осаждения
Оборудование компании Picosun для синтеза сверхтонких пленок по технологии атомно-слоевого осаждения
Просмотры: 6302
Рассматривается история разработки, принципы, преимущества и ограничения технологии атомно-слоевого осаждения (АСО), а также оборудование компании Picosun для исследовательских и промышленных задач.
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.434.444
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.434.444
Теги: atomic layer deposition flexible printed electronics uniform coatings атомно-слоевое осаждение гибкая печатная электроника однородные покрытия
Разработки в области технологии атомно-слоевого осаждения (АСО) имеют длительную историю, начиная с 1950-х годов, когда впервые концепция данного метода была предложена в работах проф. В.Б.Алесковского (СССР). В 1974 году технология АСО была запатентована в Финляндии доктором Туомо Сунтолой, который длительное время до этого занимался различными НИОКР в данном направлении. В настоящее время на рынке представлено множество марок оборудования, реализующего принципы АСО, но особое положение, безусловно, занимает Picosun (Финляндия) – компания, идейным вдохновителем и членом совета директоров которой является Т.Сунтола. Длительное время техническим директором Picosun был Свен Линдфорс, на протяжении 40 лет занимавшийся разработкой оборудования АСО для разных применений. Огромный опыт научного коллектива в области создания различного оборудования АСО и постоянные усовершенствования технологии также способствуют лидерству компании. Picosun – пример того, что научные изыскания могут и должны приводить к успеху, когда в практическом применении их результатов заинтересовано множество отраслей промышленности.
ТЕХНОЛОГИЯ
В основе АСО лежит принцип самонасыщения, согласно которому атомы или молекулы типа A реагируют на поверхности изделий только со свободными химическими связями атомов (молекул) предыдущего слоя (тип B), равномерно покрывая всю поверхность изделий однородным монослоем. Если свободной химической связи нет, реакции на поверхности изделий не происходит. Поскольку реакционная камера, в которой находится изделие, постоянно продувается азотом или аргоном, избыток частиц типа A и продукты реакции удаляются, что позволяет предотвратить возможные "паразитные" химические реакции на поверхности изделий. Молекулы следующего слоя (тип B) реагируют только с молекулами типа A и также адсорбируются на поверхности одним слоем, после чего камера снова продувается азотом (аргоном). Далее цикл повторяется до достижения требуемой толщины пленки. Именно последовательность импульсного напуска и удаления рабочих газов является главным отличием АСО от традиционного метода химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ), при котором реакционные газы находятся в рабочей камере одновременно в течение значительного периода (до десятков минут). Благодаря эффекту самонасыщения химических реакций на поверхности изделия выращивание тонких пленок методом АСО может управляться на уровне атомных слоев с высочайшими воспроизводимостью и однородностью. Еще одним преимуществом АСО над другими технологиями осаждения тонких пленок является уникальная возможность синтеза однородных пленок на ступеньках и в микроканавках со сверхвысокими аспектными отношениями. Эти обстоятельства крайне актуальны в связи с тенденцией миниатюризации изделий микроэлектроники и устройств на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Температура при проведении процессов АСО зависит от материалов осаждаемой пленки и изделия, на котором она синтезируется. Как правило, она находится в диапазоне от 100 до 400 °С. С использованием плазменной стимуляции во многих случаях удается достичь снижения рабочих температур до значений, близких к комнатным, что особенно важно для изделий, которые критически чувствительны к нагреву.
Таким образом, технология АСО обеспечивает следующие основные достоинства:
• прецизионный контроль толщины и роста пленок;
• превосходная конформность и однородность;
• отсутствие микропор и дефектов;
• высокая воспроизводимость роста пленок как от пластины к пластине, так и между кассетами с пластинами;
• относительно низкие температуры процессов.
Обратной стороной неоспоримых достоинств является низкая скорость осаждения. Как следствие, в прикладных задачах толщина синтезируемых пленок редко превышает 50–100 нм.
Другие методы получения тонких пленок не обладают точностью контроля роста, свойственной АСО (табл.1). Кроме того, общим недостатком методов физического осаждения, будь то магнетронное напыление, электронно-лучевое или термического испарение, является трудность, а в ряде случаев – практическая невозможность получения однородного покрытия на структурах сложной формы. Дело в том, что поток частиц от источника к подложке в этих технологиях имеет линейную направленность, угол падения относительно поверхности меняется очень значительно, при этом некоторые участки оказываются затененными. Примерами сложных поверхностей являются МЭМС и структуры типа TSV (переходные отверстия в кремнии). Именно в их производстве 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 пленок, которые могут быть синтезированы с использованием технологии АСО, достаточно широк: диэлектрики (оксиды, оксонитриды и т.д.), полупроводники типов А2B6 и A3B5, тройные соединения (SrTiO3, BaTiO3 и пр.), металлизированные соединения (нитрид титана), металлы, включая алюминий, титан, рутений, медь, серебро, золото, палладий, иридий и платину.
Ниже приведен краткий перечень областей применения оборудования Picosun для АСО:
• выращивание различных слоев при производстве МЭМС-структур;
• синтез пленочных структур, используемых при производстве полупроводниковых приборов и ИС;
• проводящие и барьерные слои в TSV-структурах;
• пассивация различных материалов (солнечные элементы, защита от потускнения и прочее);
• слои для оптических устройств и декоративные слои;
• слои, препятствующие механическому износу и химическому воздействию, а также гидрофобные, гидрофильные и суперомнифобные покрытия;
• синтез катализаторов и осаждение пленок на наночастицы и нанотрубки;
• напыление биосовместимых и биодеградируемых покрытий;
• напыление покрытий для адресной доставки лекарственных препаратов;
• напыление диффузионных барьеров для влаги и кислорода (при изготовлении печатных плат, для коллекционных монет и др.).
ОБОРУДОВАНИЕ
Компания Picosun выпускает оборудование АСО как для проведения научных исследований и небольших пилотных производств (R-серия), так и для промышленных крупносерийных производств (P-серия). Необходимо отметить, что оборудование имеет модульную конструкцию и позволяет с легкостью переходить от НИОКР к промышленному производству.
R-серия (рис.3) позволяет напылять пленки АСО высочайшего качества с превосходной однородностью даже на поверхности сложнейших структур с глухими и сквозными порами, сверхвысоким аспектным отношением, а также на наночастицы и на гибкие материалы при рулонной подаче. Высокофункциональные и легкозаменяемые источники для жидкостных, газообразных и твердых прекурсоров (реагентов) обеспечивают напыление пленок различного состава без постпроцессных частиц на различные материалы, трехмерные объекты и пластины, имеющие наномасштабные особенности поверхностной геометрии. Оборудование позволяет подключать до 12 источников реагентов, оснащается генераторами озона и плазмы, дает возможность обрабатывать как одиночные пластины диаметром от 76 до 200 мм, так и кассеты с вертикально расположенными пластинами диаметром до 150 мм. Установки могут быть оснащены аналитическим оборудованием, включая квадрупольный масс-спектрометр и пьезокварцевый микровзвешиватель, эллипсометр для in situ измерений толщин пленок, а также приборами для in vacuo измерений, например, для проведения рентгено-спектрометрического анализа (рис.4). Возможна интеграция с вакуумированными загрузочными шлюзовыми камерами с ручной (рис.5) или автоматизированной подачей пластин в реакционную камеру, а также с роботизированными вакуумными модулями Brooks Automation MX400 (рис.3) и MX700 с загрузкой через SMIF-порты. Такие решения применяются для безатмосферной загрузки пластин в реакционную камеру, например, для выращивания пленок нитридов или металлов. Кроме того, возможно объединение модуля АСО с перчаточным боксом, один из вариантов которого показан на рис.6. Оборудование интегрируется также и в другие вакуумные технологические линии и процессы, например, с модулями плазменного травления, оборудованием молекулярно-лучевой эпитаксии и пр.
В табл.2 представлен краткий перечень стандартных материалов пленок и их характеристик, полученных с использованием Picosun R-200 Advanced.
Для промышленного производства предлагается оборудование Picosun P-серии для одиночной и кассетной обработки пластин размером до 450 мм, выращивания пленок на больших трехмерных изделиях, работы с большими объемами мелкодисперсных порошков, а также обработки широких гибких рулонных материалов.
Некоторые характеристики пленок, полученных на оборудовании Picosun P-300S, представлены в табл.3.
Промышленное оборудование АСО Picosun Р-300S (рис.7) и Picosun P-300B (рис.8) предназначено для одиночной и кассетной обработки пластин диаметром до 300 мм, а также для обработки большого числа трехмерных объектов и мелкодисперсных порошков. Имеется возможность подключения от восьми (P-300B) до двенадцати (P-300S) источников реагентов. P-300B может комплектоваться механическим или автоматизированным устройством для загрузки и выгрузки тяжелых изделий в реакционную камеру. Для P-300S возможна интеграция с загрузочной камерой с ручным манипулятором для безатмосферной подачи одиночных пластин, а также оснащение вакуумным роботизированным модулем Brooks Automation Marathon 2 (рис.7), позволяющим осуществлять безатмосферную загрузку одиночных 300 мм пластин в реакционную камеру посредством FOUP-портов.
Промышленное оборудование АСО Picosun Р-300BV (рис.9), предназначенное для крупносерийных промышленных производств, позволяет подключать до восьми источников реагентов и может быть оснащено двумя автоматизированными вакуумированными загрузочными камерами для безатмосферной загрузки кассеты с пластинами диаметром до 200 мм в реакционную камеру АСО. Загрузочные камеры с опцией нагрева позволяют проводить загрузку/выгрузку чувствительных пластин и осаждение таких материалов как нитриды металлов с высокой производительностью.
Результаты, полученные пользователями Picosun P-300B для пленок АСО Al2O3 при загрузке двух кассет по 27 пластин размером 200 мм приведены в табл.4.
Флагманом промышленной серии оборудования Picosun является Picosun P-300F (рис.10). Основная особенность оборудования – автоматизированная загрузка с помощью вакуумной кластерной системы Brooks Automation MX400 или MX700 с функцией переворота кассеты с пластинами диаметром до 200 мм в реакционной камере. К оборудованию возможно подключение до двенадцати источников реагентов. P-300F сертифицировано по стандартам SEMI S2/S8 и может быть интегрировано в автоматизированное промышленное производство благодаря опции SECS/GEM. Производительность достигает 1 тыс. пластин в сутки при толщине осаждаемой пленки 15 нм (Al2O3). P-300F характеризуется наименьшей стоимостью эксплуатации в сравнении с конкурирующим оборудованием схожей производительности.
Для обработки больших трехмерных объектов, листов стекла размером до 400 Ч 600 мм или кассеты с кремниевыми пластинами диаметром до 450 мм в линейке оборудования Picosun имеется модуль АСО Picosun P-1000 (рис.11). Возможно подключения до десяти источников реагентов посредством шести отдельных вакуумных вводов. Основное назначение данного оборудования – нанесение пассивирующих и барьерных слоев для повышения производительности и увеличения срока службы изделий.
Помимо непосредственно производства оборудования, компания Picosun также предлагает услуги разработки процессов по техническим заданиям заказчиков, услуги фаундри и тестовых напылений, оказывает помощь в выборе необходимых реагентов, а также осуществляет их поставку пользователям. Picosun и ее заказчики создали обширную базу процессов АСО, которые доступны для всех клиентов компании. Кроме того, Picosun предлагает различные уровни технической поддержки пользователей и различные программы обучения работе на оборудовании АСО. ■
ТЕХНОЛОГИЯ
В основе АСО лежит принцип самонасыщения, согласно которому атомы или молекулы типа A реагируют на поверхности изделий только со свободными химическими связями атомов (молекул) предыдущего слоя (тип B), равномерно покрывая всю поверхность изделий однородным монослоем. Если свободной химической связи нет, реакции на поверхности изделий не происходит. Поскольку реакционная камера, в которой находится изделие, постоянно продувается азотом или аргоном, избыток частиц типа A и продукты реакции удаляются, что позволяет предотвратить возможные "паразитные" химические реакции на поверхности изделий. Молекулы следующего слоя (тип B) реагируют только с молекулами типа A и также адсорбируются на поверхности одним слоем, после чего камера снова продувается азотом (аргоном). Далее цикл повторяется до достижения требуемой толщины пленки. Именно последовательность импульсного напуска и удаления рабочих газов является главным отличием АСО от традиционного метода химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ), при котором реакционные газы находятся в рабочей камере одновременно в течение значительного периода (до десятков минут). Благодаря эффекту самонасыщения химических реакций на поверхности изделия выращивание тонких пленок методом АСО может управляться на уровне атомных слоев с высочайшими воспроизводимостью и однородностью. Еще одним преимуществом АСО над другими технологиями осаждения тонких пленок является уникальная возможность синтеза однородных пленок на ступеньках и в микроканавках со сверхвысокими аспектными отношениями. Эти обстоятельства крайне актуальны в связи с тенденцией миниатюризации изделий микроэлектроники и устройств на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Температура при проведении процессов АСО зависит от материалов осаждаемой пленки и изделия, на котором она синтезируется. Как правило, она находится в диапазоне от 100 до 400 °С. С использованием плазменной стимуляции во многих случаях удается достичь снижения рабочих температур до значений, близких к комнатным, что особенно важно для изделий, которые критически чувствительны к нагреву.
Таким образом, технология АСО обеспечивает следующие основные достоинства:
• прецизионный контроль толщины и роста пленок;
• превосходная конформность и однородность;
• отсутствие микропор и дефектов;
• высокая воспроизводимость роста пленок как от пластины к пластине, так и между кассетами с пластинами;
• относительно низкие температуры процессов.
Обратной стороной неоспоримых достоинств является низкая скорость осаждения. Как следствие, в прикладных задачах толщина синтезируемых пленок редко превышает 50–100 нм.
Другие методы получения тонких пленок не обладают точностью контроля роста, свойственной АСО (табл.1). Кроме того, общим недостатком методов физического осаждения, будь то магнетронное напыление, электронно-лучевое или термического испарение, является трудность, а в ряде случаев – практическая невозможность получения однородного покрытия на структурах сложной формы. Дело в том, что поток частиц от источника к подложке в этих технологиях имеет линейную направленность, угол падения относительно поверхности меняется очень значительно, при этом некоторые участки оказываются затененными. Примерами сложных поверхностей являются МЭМС и структуры типа TSV (переходные отверстия в кремнии). Именно в их производстве 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 пленок, которые могут быть синтезированы с использованием технологии АСО, достаточно широк: диэлектрики (оксиды, оксонитриды и т.д.), полупроводники типов А2B6 и A3B5, тройные соединения (SrTiO3, BaTiO3 и пр.), металлизированные соединения (нитрид титана), металлы, включая алюминий, титан, рутений, медь, серебро, золото, палладий, иридий и платину.
Ниже приведен краткий перечень областей применения оборудования Picosun для АСО:
• выращивание различных слоев при производстве МЭМС-структур;
• синтез пленочных структур, используемых при производстве полупроводниковых приборов и ИС;
• проводящие и барьерные слои в TSV-структурах;
• пассивация различных материалов (солнечные элементы, защита от потускнения и прочее);
• слои для оптических устройств и декоративные слои;
• слои, препятствующие механическому износу и химическому воздействию, а также гидрофобные, гидрофильные и суперомнифобные покрытия;
• синтез катализаторов и осаждение пленок на наночастицы и нанотрубки;
• напыление биосовместимых и биодеградируемых покрытий;
• напыление покрытий для адресной доставки лекарственных препаратов;
• напыление диффузионных барьеров для влаги и кислорода (при изготовлении печатных плат, для коллекционных монет и др.).
ОБОРУДОВАНИЕ
Компания Picosun выпускает оборудование АСО как для проведения научных исследований и небольших пилотных производств (R-серия), так и для промышленных крупносерийных производств (P-серия). Необходимо отметить, что оборудование имеет модульную конструкцию и позволяет с легкостью переходить от НИОКР к промышленному производству.
R-серия (рис.3) позволяет напылять пленки АСО высочайшего качества с превосходной однородностью даже на поверхности сложнейших структур с глухими и сквозными порами, сверхвысоким аспектным отношением, а также на наночастицы и на гибкие материалы при рулонной подаче. Высокофункциональные и легкозаменяемые источники для жидкостных, газообразных и твердых прекурсоров (реагентов) обеспечивают напыление пленок различного состава без постпроцессных частиц на различные материалы, трехмерные объекты и пластины, имеющие наномасштабные особенности поверхностной геометрии. Оборудование позволяет подключать до 12 источников реагентов, оснащается генераторами озона и плазмы, дает возможность обрабатывать как одиночные пластины диаметром от 76 до 200 мм, так и кассеты с вертикально расположенными пластинами диаметром до 150 мм. Установки могут быть оснащены аналитическим оборудованием, включая квадрупольный масс-спектрометр и пьезокварцевый микровзвешиватель, эллипсометр для in situ измерений толщин пленок, а также приборами для in vacuo измерений, например, для проведения рентгено-спектрометрического анализа (рис.4). Возможна интеграция с вакуумированными загрузочными шлюзовыми камерами с ручной (рис.5) или автоматизированной подачей пластин в реакционную камеру, а также с роботизированными вакуумными модулями Brooks Automation MX400 (рис.3) и MX700 с загрузкой через SMIF-порты. Такие решения применяются для безатмосферной загрузки пластин в реакционную камеру, например, для выращивания пленок нитридов или металлов. Кроме того, возможно объединение модуля АСО с перчаточным боксом, один из вариантов которого показан на рис.6. Оборудование интегрируется также и в другие вакуумные технологические линии и процессы, например, с модулями плазменного травления, оборудованием молекулярно-лучевой эпитаксии и пр.
В табл.2 представлен краткий перечень стандартных материалов пленок и их характеристик, полученных с использованием Picosun R-200 Advanced.
Для промышленного производства предлагается оборудование Picosun P-серии для одиночной и кассетной обработки пластин размером до 450 мм, выращивания пленок на больших трехмерных изделиях, работы с большими объемами мелкодисперсных порошков, а также обработки широких гибких рулонных материалов.
Некоторые характеристики пленок, полученных на оборудовании Picosun P-300S, представлены в табл.3.
Промышленное оборудование АСО Picosun Р-300S (рис.7) и Picosun P-300B (рис.8) предназначено для одиночной и кассетной обработки пластин диаметром до 300 мм, а также для обработки большого числа трехмерных объектов и мелкодисперсных порошков. Имеется возможность подключения от восьми (P-300B) до двенадцати (P-300S) источников реагентов. P-300B может комплектоваться механическим или автоматизированным устройством для загрузки и выгрузки тяжелых изделий в реакционную камеру. Для P-300S возможна интеграция с загрузочной камерой с ручным манипулятором для безатмосферной подачи одиночных пластин, а также оснащение вакуумным роботизированным модулем Brooks Automation Marathon 2 (рис.7), позволяющим осуществлять безатмосферную загрузку одиночных 300 мм пластин в реакционную камеру посредством FOUP-портов.
Промышленное оборудование АСО Picosun Р-300BV (рис.9), предназначенное для крупносерийных промышленных производств, позволяет подключать до восьми источников реагентов и может быть оснащено двумя автоматизированными вакуумированными загрузочными камерами для безатмосферной загрузки кассеты с пластинами диаметром до 200 мм в реакционную камеру АСО. Загрузочные камеры с опцией нагрева позволяют проводить загрузку/выгрузку чувствительных пластин и осаждение таких материалов как нитриды металлов с высокой производительностью.
Результаты, полученные пользователями Picosun P-300B для пленок АСО Al2O3 при загрузке двух кассет по 27 пластин размером 200 мм приведены в табл.4.
Флагманом промышленной серии оборудования Picosun является Picosun P-300F (рис.10). Основная особенность оборудования – автоматизированная загрузка с помощью вакуумной кластерной системы Brooks Automation MX400 или MX700 с функцией переворота кассеты с пластинами диаметром до 200 мм в реакционной камере. К оборудованию возможно подключение до двенадцати источников реагентов. P-300F сертифицировано по стандартам SEMI S2/S8 и может быть интегрировано в автоматизированное промышленное производство благодаря опции SECS/GEM. Производительность достигает 1 тыс. пластин в сутки при толщине осаждаемой пленки 15 нм (Al2O3). P-300F характеризуется наименьшей стоимостью эксплуатации в сравнении с конкурирующим оборудованием схожей производительности.
Для обработки больших трехмерных объектов, листов стекла размером до 400 Ч 600 мм или кассеты с кремниевыми пластинами диаметром до 450 мм в линейке оборудования Picosun имеется модуль АСО Picosun P-1000 (рис.11). Возможно подключения до десяти источников реагентов посредством шести отдельных вакуумных вводов. Основное назначение данного оборудования – нанесение пассивирующих и барьерных слоев для повышения производительности и увеличения срока службы изделий.
Помимо непосредственно производства оборудования, компания Picosun также предлагает услуги разработки процессов по техническим заданиям заказчиков, услуги фаундри и тестовых напылений, оказывает помощь в выборе необходимых реагентов, а также осуществляет их поставку пользователям. Picosun и ее заказчики создали обширную базу процессов АСО, которые доступны для всех клиентов компании. Кроме того, Picosun предлагает различные уровни технической поддержки пользователей и различные программы обучения работе на оборудовании АСО. ■
Отзывы читателей
