Aplicación del ozono en el proceso CVD de semiconductores

La deposición química de vapor es una de las técnicas más utilizadas en la industria de semiconductores para depositar diversos materiales.

Incluidos los materiales de aislamiento, la mayoría de los materiales metálicos y los materiales de aleación de metal.

En pocas palabras, es el proceso de introducir dos o más materias primas gaseosas en una cámara de reacción, donde se produce una reacción química para depositar un nuevo material en la superficie del cristal.

Pero, de hecho, las reacciones que ocurren en la cámara de reacción son muy complejas y están limitadas por diversas condiciones, como el caudal de gas, la relación de gases, la presión, la temperatura, la distancia entre el cátodo y el ánodo, o la existencia de fuentes de energía adicionales, como la energía del plasma y la tensión de polarización.

La tecnología CVD se clasifica por tipo de reacción o presión, incluyendo CVD de baja presión (LPCVD), CVD a presión atmosférica (APCVD), CVD a presión subatómica (SACVD), CVD de ultra alto vacío (UHCVD), CVD mejorado con plasma (PECVD), CVD de plasma de alta densidad (HDPCVD) y CVD térmico rápido (RTCVD), CVD de oportunidad de metal (MOCVD), etc.

El ozono, debido a su fuerte capacidad de oxidación, se utiliza a menudo para proporcionar oxígeno como uno de los reactivos, que se combina con diferentes materiales químicos para formar la deposición de vidrio.

TEOS+O3→SiO2  USG, vidrio de silicio sin dopar

TEPO+TEOS+O3 → Vidrio dopado con fósforo PSG

TEB+TEPO+TEOS+O3 → Vidrio de borofosfato BPSG

TEB y TEPO también pueden ser reemplazados por TMB TMP, ambos son lípidos orgánicos a base de silicio que contienen boro o fósforo.

Algunas fábricas también aprovechan sus propiedades oxidantes para lograr procesos de tratamiento húmedo a través de tanques ácidos (Wet Bench), pero este año se ha sustituido por peróxido de hidrógeno debido a su estabilidad y a la complejidad del sistema de control.

Tomando como ejemplo el sistema SACVD, la CVD a presión atmosférica (SACVD) se utiliza para reacciones químicas. La presión en la cámara de reacción suele alcanzar los 200 Torr o incluso superar los 600 Torr, por lo que se denomina CVD a presión subatmosférica (deposición química de vapor subatmosférica).

Formado por la reacción de tetraetil ortosilicato (TEOS) y ozono aplicado directamente a una determinada temperatura (comúnmente 400 °C o 480 °C) y presión (comúnmente 450 Torr o 200 Torr)

TEOS es líquido a temperatura ambiente y requiere que un portador, como gas helio, sea empujado hacia un dispositivo específico de conversión de líquido a gas (como una válvula de inyección o un tanque burbujeador) a baja presión y calentado a alrededor de 110 grados Celsius, para luego pasar a través de un medidor de flujo de líquido/controlador de flujo másico preciso hacia la cámara de reacción.

El oxígeno de alta pureza suministrado por el sistema de gestión de la fábrica se dosifica mediante MFC y luego se introduce en el generador de ozono. La proporción de adición de una pequeña cantidad de gas nitrógeno afectará directamente el proceso de reacción química en la cámara de reacción, por lo que la concentración de ozono es crucial. Debido a la inestabilidad del ozono (los átomos de oxígeno pueden separarse y recombinarse en moléculas de oxígeno en cualquier momento), el generador de ozono debe mantener un estado de funcionamiento estable para obtener una concentración estable de la mezcla de ozono. La presión en la entrada y salida del gas, así como la temperatura del generador, deben controlarse estrictamente. Por ejemplo, para aplicar un control preciso de la temperatura, se necesita un enfriador para controlar el proceso de intercambio de calor en la cámara del generador.

El ozono generado por el generador de ozono generalmente es de alrededor del 13 % en el mezclador de O₂/O₃. Para lograr la monitorización en línea, se han introducido detectores de ozono.

Utilizando un tubo de desviación a la salida de un generador de ozono y tomando muestras a través de un espectrómetro con ventana de cuarzo, se puede obtener un espectro específico transmitiendo luz ultravioleta de una determinada longitud de onda a través del gas, verificando así el contenido de masa de ozono en el gas.

En modo de espera, la mezcla de ozono ingresa continuamente a la válvula de derivación y luego se fusiona con el gas de derivación utilizado por el detector de ozono en línea. El flujo pasa por el destructor de O₃ del dispositivo de descomposición de gases de cola (un dispositivo de filtración en panal que contiene dióxido de manganeso) para promover la degradación del ozono en oxígeno, que se descarga en la tubería de escape del proceso general.

Cuando se requiere ozono para la reacción del proceso, la válvula de derivación (diver) se controla mediante una válvula electromagnética para conmutar hacia el lado que conduce a la cámara de reacción, guiando así el mezclador para que participe en la reacción. El gas restante de la reacción pasa por la bomba de vacío del proceso junto con otros subproductos de la reacción y luego se trata como gas de cola en la torre de depuración central.

Para garantizar la eficiencia del procesamiento del dispositivo de separación de gases de escape 03, se puede instalar un detector en línea de baja concentración de ozono residual. El método común de absorción ultravioleta (Ley de Bilombo) utiliza luz ultravioleta de longitud de onda característica para irradiar el gas detectado. La señal obtenida se convierte y compara para garantizar la seguridad de los gases de escape emitidos al sistema de escape general.

Debido a las diferentes condiciones de reacción, el equipo de hardware requerido también varía en consecuencia. El SACVD se puede dividir aproximadamente en

1. Mainframe (MAINFRAME)

2. Armario de control eléctrico (controlador)

3. Cámara de Proceso

4. Armario de control de gas (GASPANEL)

5. Equipos auxiliares: intercambiador de calor, generador de ozono, bomba de vacío, etc.