半導体製造において、フォトリソグラフィーとエッチングは最も頻繁に言及されるプロセスですが、エピタキシャル成長や薄膜堆積技術も同様に重要です。この記事では、チップ製造に用いられる一般的な薄膜堆積方法をいくつか紹介します。MOCVD, マグネトロンスパッタリング、そしてPECVD.
チップ製造において薄膜プロセスが不可欠なのはなぜですか?
例えば、焼きたてのプレーンなフラットブレッドを想像してみてください。そのままでは味気ないかもしれません。しかし、風味豊かな豆ペーストや甘いモルトシロップなど、様々なソースを表面に塗ることで、その風味は一変します。これらの風味を高めるコーティングは、薄膜半導体プロセスではフラットブレッド自体が基板.
チップの製造において、薄膜は絶縁、導電性、不動態化、光吸収など、さまざまな機能的役割を果たし、それぞれの機能には特定の堆積技術が必要です。
1. 有機金属化学気相成長法（MOCVD）
MOCVDは、高品質の半導体薄膜やナノ構造の堆積に使用される高度かつ精密な技術です。LED、レーザー、パワーエレクトロニクスなどのデバイスの製造において重要な役割を果たしています。
MOCVDシステムの主要コンポーネント:
- ガス供給システム
反応室への反応物質の正確な導入を担います。これには以下の流量制御が含まれます。
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キャリアガス
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金属有機前駆体
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水素化物ガス
このシステムには、成長モードとパージ モードを切り替えるための多方向バルブが搭載されています。
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反応室
実際の物質成長が行われるシステムの中心部分。以下のコンポーネントが含まれます。-
グラファイトサセプター（基板ホルダー）
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ヒーターと温度センサー
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現場監視用の光ポート
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自動ウェーハローディング/アンローディング用ロボットアーム
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- 成長制御システム
プログラマブルロジックコントローラとホストコンピュータで構成され、堆積プロセス全体を通して正確な監視と再現性を保証します。 -
現場モニタリング
高温計や反射率計などのツールは、以下のものを測定します。-
フィルムの厚さ
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表面温度
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基板の曲率
これにより、リアルタイムのフィードバックと調整が可能になります。
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- 排気処理システム
安全性と環境への適合性を確保するために、熱分解または化学触媒を使用して有毒な副産物を処理します。
クローズドカップルドシャワーヘッド（CCS）構成：
垂直型MOCVDリアクターでは、CCS設計により、シャワーヘッド構造内の交互に配置されたノズルからガスを均一に注入することができます。これにより、早期反応が最小限に抑えられ、均一な混合が促進されます。
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その回転グラファイトサセプターさらにガスの境界層の均一化を助け、ウェーハ全体の膜の均一性を向上させます。
2. マグネトロンスパッタリング
マグネトロンスパッタリングは、特に電子機器、光学機器、セラミックスなどの分野で薄膜やコーティングを堆積するために広く使用されている物理蒸着 (PVD) 法です。
動作原理:
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ターゲット材料
堆積する原料（金属、酸化物、窒化物など）は陰極上に固定されます。 -
真空チャンバー
このプロセスは、汚染を避けるために高真空下で実行されます。 -
プラズマ生成
不活性ガス（通常はアルゴン）がイオン化されてプラズマを形成します。 -
磁場の応用
磁場は電子をターゲットの近くに閉じ込め、イオン化効率を高めます。 -
スパッタリングプロセス
イオンがターゲットに衝突し、原子が剥がれ落ちてチャンバー内を通過し、基板上に堆積します。
マグネトロンスパッタリングの利点：
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均一な膜堆積広大な地域にわたって。
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複雑な化合物を堆積する能力合金やセラミックなども含まれます。
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調整可能なプロセスパラメータ厚さ、組成、微細構造を正確に制御します。
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高品質のフィルム強力な接着力と機械的強度を備えています。
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幅広い材料との互換性金属から酸化物、窒化物まで。
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低温動作温度に敏感な基板に適しています。
3. プラズマ化学蒸着法（PECVD）
PECVD は、窒化シリコン (SiNx)、二酸化シリコン (SiO₂)、アモルファス シリコンなどの薄膜の堆積に広く使用されています。
原理：
PECVDシステムでは、前駆体ガスが真空チャンバーに導入され、グロー放電プラズマ以下を使用して生成されます:
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RF励起
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直流高電圧
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マイクロ波またはパルス波源
プラズマは気相反応を活性化し、基板上に堆積して薄膜を形成する反応性種を生成します。
証言録取手順:
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プラズマ形成
電磁場によって励起された前駆ガスはイオン化して反応性のラジカルとイオンを形成します。 -
反応と輸送
これらの種は基質に向かって移動する際に二次反応を起こします。 -
表面反応
基板に到達すると、吸着・反応し、固体膜を形成します。一部の副産物はガスとして放出されます。
PECVDの利点:
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優れた均一性フィルムの組成と厚さ。
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強力な接着力比較的低い堆積温度でも。
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高い沈着率工業規模の生産に適しています。
4. 薄膜特性評価技術
薄膜の特性を理解することは品質管理に不可欠です。一般的な手法には以下のようなものがあります。
（１）X線回折（XRD）
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目的: 結晶構造、格子定数、および方向を分析します。
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原理ブラッグの法則に基づいて、X 線が結晶材料をどのように回折するかを測定します。
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アプリケーション：結晶学、相分析、歪み測定、薄膜評価。
（２）走査型電子顕微鏡（SEM）
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目的表面形態と微細構造を観察します。
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原理電子ビームを用いて試料表面を走査します。検出された信号（二次電子や後方散乱電子など）から表面の詳細が明らかになります。
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アプリケーション: 材料科学、ナノテクノロジー、生物学、故障解析。
（３）原子間力顕微鏡（AFM）
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目的: 原子またはナノメートルの解像度で表面を画像化します。
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原理鋭いプローブが一定の相互作用力を維持しながら表面をスキャンし、垂直方向の変位によって 3D 地形を生成します。
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アプリケーション: ナノ構造研究、表面粗さ測定、生体分子研究。
投稿日時: 2025年6月25日