อุปกรณ์สะสมฟิล์มบาง ๆ Smiconductor

อุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางซึ่งเป็นหนึ่งในสามอุปกรณ์หลักของสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

I. การสะสมฟิล์มบางคืออะไร

ii. การแนะนำรายละเอียดของ PVD, CVD และ ALD

iii. การแนะนำ PECVD ที่สำคัญสองครั้งในอุตสาหกรรม

iv. ตลาดอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก

I. การสะสมฟิล์มบางคืออะไร

ที่จะกล่าวอย่างง่าย ๆ : การสะสมของฟิล์มคือการ "วาง" ชิป

ยิ่งชิปมีความแม่นยำมากขึ้นและมีความต้องการ "ภาพยนตร์" มากขึ้นเท่านั้น

ยิ่งชิปดีเท่าไหร่สติกเกอร์ก็ยิ่งมีมากขึ้นเท่านั้น

อย่างมืออาชีพ:การจำแนกประเภทของการสะสมฟิล์มฟิล์มบาง ๆ การสะสมฟิล์มบางหมายถึงการสะสมของวัสดุฟิล์มบาง ๆ ที่จะได้รับการบำบัดบนเวเฟอร์ซิลิกอนและสารตั้งต้นอื่น ๆ

มันรวมถึง CVD (การสะสมไอสารเคมี), PVD (การสะสมไอทางกายภาพ) และ ALD (การสะสมชั้นอะตอม) ซึ่ง ALD เป็นสาขาของ CVD

ทำไมเราถึงบอกว่ายิ่งมีความแม่นยำมากขึ้นและยิ่งเลเยอร์ชิปมากเท่าไหร่ความต้องการ "ภาพยนตร์" ก็ยิ่งมากขึ้น?

การผลิตชิปเป็นเหมือนการวางภาพยนตร์บนโทรศัพท์มือถือ แต่ "ภาพยนตร์" นี้เป็นระดับนาโนและจำเป็นต้องวางด้วยหลายสิบหรือหลายร้อยชั้น! เมื่อกระบวนการชิปมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ และโครงสร้างมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ ความต้องการ "ฟิล์ม" ก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน

ยิ่งกระบวนการก้าวหน้ามากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีเลเยอร์ของภาพยนตร์มากขึ้นเท่านั้น

ในสายการผลิต CMOS ของกระบวนการ 90nm จำเป็นต้องมีกระบวนการสะสมฟิล์มบางประมาณ 40 กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ 6 ชนิด ในสายการผลิต FINFET ของกระบวนการ 3NM กระบวนการสะสมฟิล์มบางเพิ่มขึ้นเป็น 100 และประเภทของวัสดุที่ใกล้เคียงกับ 20 ชั้นของ "ฟิล์ม" แต่ละชั้นมีความสำคัญและไม่มีชั้นใด ๆ ชิปอาจทำงานไม่ถูกต้อง

ยิ่งโครงสร้างซับซ้อนมากเท่าไหร่ก็ยิ่งใช้ฟิล์มได้ยากขึ้น

นำชิปหน่วยความจำเป็นตัวอย่างจาก 2D NAND เป็น 3D NAND โครงสร้างเปลี่ยนจากแบนเป็นสามมิติและจำนวนเลเยอร์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเช่นบังกะโลชั้นเดียวเป็นตึกระฟ้า แต่ละชั้นต้องการ "การเคลือบ" ที่แม่นยำซึ่งเพิ่มความต้องการอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบาง ๆ

ดังนั้นอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางคือ "Film Master" ของการผลิตชิปและยิ่งมีความแม่นยำและชั้นชิปมากขึ้น

ii. PVD, CVD

PVD (การสะสมไอทางกายภาพ)

การสะสมไอทางกายภาพเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กลไกทางกายภาพเพื่อทำการสะสมฟิล์มบาง ๆ และกระบวนการไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมี

ส่วนใหญ่รวมถึงการระเหยการสปัตเตอร์การเคลือบพลาสมาอาร์คการเคลือบไอออนการเคลือบ epitaxial ลำแสงโมเลกุลและหมวดหมู่อื่น ๆ การระเหย: หมายถึงเทคโนโลยีการเคลือบที่วัสดุระเหยถูกทำให้ร้อนโดยแหล่งที่มาของการระเหยเช่นความต้านทานลำแสงอิเล็กตรอนการเหนี่ยวนำความถี่สูงอาร์คและเลเซอร์ในห้องสูญญากาศสูงถึงอุณหภูมิการหลอมรวมของการหลอมรวม ที่จะระเหยและควบแน่นเพื่อสร้างภาพยนตร์ที่แข็งแกร่งปัจจุบันการระเหยสูญญากาศเป็นกระบวนการหลักของแผง OLED

การสปัตเตอร์: มักจะหมายถึงการสปัตเตอร์แมกนีตรอนซึ่งหมายถึงการใช้อนุภาคที่มีประจุเพื่อเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้าด้วยพลังงานจลน์บางอย่างในสภาวะสูญญากาศของ 1.3 × 10-3pa เต็มไปด้วยก๊าซเฉื่อย ก๊าซเฉื่อยผลิตพลาสมาระเบิดอะตอมของเป้าหมายโลหะและฝากลงบนพื้นผิว

การเคลือบสปัตเตอร์เป็น PVD ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด

Molecular Beam Epitaxy (MBE): มันเป็นกระบวนการเคลือบสูญญากาศพิเศษที่ปลูกฟิล์มบาง ๆ โดยชั้นตามแนวแกนคริสตัลของวัสดุพื้นผิว MBE สามารถเตรียมฟิล์มคริสตัลเดี่ยวที่มีชั้นอะตอมหลายสิบชั้นรวมถึงฟิล์มบางสลับกับส่วนประกอบที่แตกต่างกันและยาสลบเพื่อสร้างวัสดุจุลภาคควอนตัมบางชั้น

การชุบไอออน: การรวมกันของการระเหยสูญญากาศและการเคลือบสปัตเตอร์วัสดุที่จะถูกชุบนั้นถูกทำให้เป็นไอออนบางส่วนในพื้นที่ปล่อยหลังจากการระเหยกลายเป็นไอและจากนั้นไอออนที่จะชุบจะถูกดึงดูดโดยอิเล็กโทรดไปยังพื้นผิวที่จะนำไปวางลงในภาพยนตร์

เนื่องจากความซับซ้อนของการชุบไอออนมีแอพพลิเคชั่นที่ จำกัด

โดยรวมในระหว่างกระบวนการ PVD มีเพียงรูปแบบของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงและไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้องซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่บริสุทธิ์ PVD เป็นกระบวนการสำคัญที่สำคัญสำหรับการสะสมฟิล์มโลหะไนไตรด์และโลหะทรานซิชันในกระบวนการทั้งหมดของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

2.CVD (การสะสมไอเคมี)

การสะสมของฟิล์มอิเล็กทริกและเซมิคอนดักเตอร์ CVD เป็นกระบวนการเคลือบที่สะสมฟิล์มแข็งบนพื้นผิวของสารตั้งต้นผ่านปฏิกิริยาเคมีของไอไอซึ่งเป็นปฏิกิริยาทางเคมี

สารตั้งต้นของปฏิกิริยา CVD โดยทั่วไปคือไซเลนฟอสฟอรัสโบราเรนแอมโมเนียออกซิเจนและวัตถุดิบก๊าซอื่น ๆ และผลิตภัณฑ์โดยทั่วไปจะเป็นไนไตรด์, ออกไซด์, ไนโตรเจนออกไซด์, คาร์ไบด์, โพลีซิลิคอนและฟิล์มแข็งอื่น ๆ

กระบวนการสร้างภาพยนตร์ CVD โดยทั่วไปมีแปดขั้นตอน:

การขนส่งก๊าซปฏิกิริยาไปยังพื้นที่ตะกอน

การก่อตัวของเมมเบรนสารตั้งต้น;

สารตั้งต้นของเมมเบรนกระจายไปยังพื้นผิวของเมทริกซ์

การยึดเกาะของเยื่อหุ้มเซลล์

สารตั้งต้นของเมมเบรนกระจายไปยังพื้นที่การเจริญเติบโตของเมมเบรน

ปฏิกิริยาเคมีพื้นผิวฟิล์มตกตะกอนและค่อยๆเติบโตขึ้นและในที่สุดก็กลายเป็นฟิล์มต่อเนื่องและสร้างผลพลอยได้ในเวลาเดียวกัน

ผลพลอยได้จะถูกลบออกจากพื้นผิวของเมทริกซ์

ผลพลอยได้จะถูกลบออกจากห้องปฏิกิริยา ด้วยความคืบหน้าอย่างต่อเนื่องของกระบวนการความต้องการร่องและการเติมหลุมลึกทำให้เกิดเทคโนโลยี CVD ใหม่และเทคโนโลยีที่ใช้กระแสหลักในปัจจุบันคือ LPCVD, PECVD และทิศทางการพัฒนาในอนาคตคือ HDPCVD, SACVD

การแนะนำ PECVD ที่สำคัญสองครั้งในอุตสาหกรรม:

ตามความถี่ของการสร้างพลาสมาพลาสมาที่ใช้ใน PE CVD สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: พลาสมาความถี่คลื่นวิทยุและพลาสมาไมโครเวฟ

.

ในปัจจุบันความถี่ RF ที่ใช้ในอุตสาหกรรมโดยทั่วไปคือ 13.56MHz ในหมู่พวกเขาวิธีการเชื่อมต่อพลาสมา RF มักจะแบ่งออกเป็นสองประเภท: capacitive coupling (CCP) และการมีเพศสัมพันธ์แบบอุปนัย (ICP)

3.ALD (การสะสมชั้นอะตอม)

ALD มีความสามารถในการควบคุมความหนาของฟิล์มที่แม่นยำความหนาที่สม่ำเสมอและความสม่ำเสมอของฟิล์มที่สะสมและความสามารถในการครอบคลุมขั้นตอนนั้นแข็งแกร่งมากทำให้เหมาะสำหรับการเติบโตของฟิล์มในโครงสร้างร่องลึก ALD มีบทบาทสำคัญในหลาย ๆ กระบวนการเช่น SADP, HKMG และเลเยอร์โลหะทองแดงเชื่อมต่อกัน

หลักการ ALD:ผ่านพัลส์ของสารตั้งต้นเฟสแก๊สผ่านการสลับการเจาะเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์และสร้างชั้นฟิล์มโดยเลเยอร์บนพื้นผิวพื้นผิวในโหมดของชั้นอะตอมเดี่ยวขั้นตอนการตอบสนองรวมถึง:

สารตั้งต้น A เข้าสู่ห้องปฏิกิริยาและถูกดูดซับบนพื้นผิวของเมทริกซ์

ล้างห้องปฏิกิริยาด้วยก๊าซเฉื่อยและทำความสะอาดสารตั้งต้นที่เหลือ A;

สารตั้งต้น B เข้าสู่ห้องปฏิกิริยาและดูดซับบนพื้นผิวของเมทริกซ์ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสารตั้งต้น A เพื่อสร้างฟิล์มเป้าหมาย

ก๊าซเฉื่อยจะล้างห้องปฏิกิริยาเพื่อกำจัดผลพลอยได้ที่เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีจากห้องปฏิกิริยาและทำให้การสะสมของฟิล์มบางชั้นอะตอม รอบนี้ช่วยให้การสะสมของฟิล์มบางในระดับอะตอม

iii. อุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางคืออะไร?

การสะสมฟิล์มบางเป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ตามชื่อที่แนะนำมันเป็นส่วนใหญ่ที่รับผิดชอบในการสะสมของชั้นอิเล็กทริกและชั้นโลหะในแต่ละขั้นตอนกระบวนการ

องค์ประกอบของระบบควบคุมสูญญากาศและแรงดัน: ปั๊มกล, ปั๊มโมเลกุล, วาล์วสูญญากาศ, มาตรวัดสูญญากาศ ฯลฯ

ฟังก์ชั่น: ให้สภาพแวดล้อมสูญญากาศที่มั่นคงสำหรับกระบวนการสะสมลดผลกระทบของไนโตรเจนออกซิเจนและไอน้ำต่อคุณภาพของฟิล์ม สูญญากาศต่ำจะถูกสกัดโดยปั๊มแห้งเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของน้ำมันของสารตั้งต้น ปั๊มโมเลกุลใช้ในการสกัดสูญญากาศสูงซึ่งมีความสามารถที่แข็งแกร่งในการกำจัดไอน้ำและตรวจสอบความสะอาดของห้องปฏิกิริยา

ความสำคัญ: สภาพแวดล้อมสูญญากาศเป็นพื้นฐานของการสะสมภาพยนตร์ส่งผลโดยตรงต่อความบริสุทธิ์และความสม่ำเสมอของภาพยนตร์

องค์ประกอบของระบบฝาก: แหล่งจ่ายไฟ RF, ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ, เครื่องทำความร้อนพื้นผิว ฯลฯ

ฟังก์ชั่น: แหล่งจ่ายไฟ RF: ไอออนทำให้ก๊าซปฏิกิริยาสร้างพลาสมาและส่งเสริมปฏิกิริยาทางเคมี ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ: ให้ความเย็นสำหรับปั๊มและห้องปฏิกิริยาป้องกันอุปกรณ์จากความร้อนสูงเกินไปและการเตือนภัยในกรณีที่อุณหภูมิสูงเกินไป สายระบายความร้อนเป็นฉนวนเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนทางไฟฟ้า

เครื่องทำความร้อนพื้นผิว: ความร้อนพื้นผิวเพื่อกำจัดสิ่งสกปรกบนพื้นผิวและปรับปรุงการยึดเกาะของฟิล์มไปยังสารตั้งต้น ความสำคัญ: ระบบการตกตะกอนเป็นแกนหลักของการสะสมของฟิล์มและส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของภาพยนตร์

องค์ประกอบของระบบควบคุมก๊าซและการไหล: ถังก๊าซ, ตู้แก๊ส, มิเตอร์การไหลของมวล, ท่อส่งก๊าซเป็นต้น

การทำงาน:

แหล่งก๊าซ: ก๊าซปฏิกิริยา (เช่นไซเลนแอมโมเนียไนโตรเจน ฯลฯ ) จัดทำโดยถังก๊าซ

การส่งก๊าซ: ก๊าซถูกส่งไปยังห้องกระบวนการผ่านตู้แก๊ส

การควบคุมการไหล: เครื่องวัดการไหลของมวลใช้เพื่อควบคุมการไหลของก๊าซอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าสัดส่วนที่มั่นคงและอัตราการไหลของก๊าซปฏิกิริยา

ความสำคัญ:การควบคุมการไหลของก๊าซส่งผลโดยตรงต่อองค์ประกอบความหนาและความสม่ำเสมอของฟิล์ม

องค์ประกอบของระบบห้องปฏิกิริยา: ห้องปฏิกิริยา, ถาดพื้นผิว, ผู้จัดจำหน่ายก๊าซ, อิเล็กโทรด ฯลฯ

ฟังก์ชั่น:

(1) ห้องปฏิกิริยา:ให้พื้นที่ปฏิกิริยาสำหรับการสะสมของฟิล์มบางมักทำจากวัสดุที่มีอุณหภูมิสูงและทนต่อการกัดกร่อน

ถาดพื้นผิว: รักษาความปลอดภัยของสารตั้งต้นและตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีความร้อนเท่ากัน

ผู้จัดจำหน่ายก๊าซ: กระจายก๊าซปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสม่ำเสมอของการสะสมของฟิล์ม

(4) อิเล็กโทรด: ในกระบวนการต่าง ๆ เช่น PECVD ใช้ในการสร้างพลาสมา

ความสำคัญ: ห้องปฏิกิริยาเป็นพื้นที่หลักของการสะสมของฟิล์มและการออกแบบส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของภาพยนตร์

5. องค์ประกอบระบบควบคุม:PLC (คอนโทรลเลอร์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้), เซ็นเซอร์, อินเทอร์เฟซเครื่องจักรของมนุษย์ (HMI) ฯลฯ

ฟังก์ชั่น:

(1) การควบคุมอัตโนมัติ:ตระหนักถึงการทำงานอัตโนมัติของแต่ละระบบของอุปกรณ์ผ่าน PLC

(2) การตรวจสอบพารามิเตอร์:การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ของพารามิเตอร์สำคัญเช่นอุณหภูมิความดันและการไหลของก๊าซ

(3) สัญญาณเตือนข้อผิดพลาด:ทริกเกอร์การเตือนและหยุดเครื่องโดยอัตโนมัติภายใต้สถานการณ์ที่ผิดปกติ

ความสำคัญ:ระบบควบคุมช่วยให้มั่นใจได้ว่าการทำงานที่มั่นคงของอุปกรณ์ปรับปรุงความสอดคล้องและความน่าเชื่อถือของกระบวนการ

องค์ประกอบการทำความสะอาดและการบำรุงรักษา: การทำความสะอาดก๊าซ (เช่นNF₃, CF₄), การทำความสะอาดไปป์ไลน์, อุปกรณ์บำบัดก๊าซไอเสีย ฯลฯ

การทำงาน:

การทำความสะอาดห้อง:กำจัดตะกอนในห้องปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อน

การบำบัดก๊าซไอเสีย:รักษาก๊าซที่เป็นอันตรายที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการตอบสนองเพื่อให้แน่ใจว่าการปกป้องสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย

สิ่งสำคัญ: ระบบทำความสะอาดและบำรุงรักษายืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์และสร้างความมั่นใจในความมั่นคงและความสม่ำเสมอของการสะสมของฟิล์ม

IV. ตลาดระหว่างประเทศสำหรับอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบาง ๆ

จากข้อมูลการวัดกึ่ง, เครื่องหิน, เครื่องแกะสลักและอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางคิดเป็นประมาณ 24%, 20%และ 20%ของตลาดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ตามลำดับ

อุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางเป็นหนึ่งในสามอุปกรณ์หลักของสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และขนาดของตลาดจะยังคงเติบโตต่อไปตามความคืบหน้าของกระบวนการ

ขนาดตลาดอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางระดับโลกอยู่ที่ประมาณ 20 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2565 ตลาดคาดว่าจะเติบโตเป็น 30 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2569 โดยมีอัตราการเติบโตต่อปี (CAGR) ประมาณ 8-10%

ไดรเวอร์การเจริญเติบโต:

ข้อกำหนดของกระบวนการขั้นสูง: เมื่อกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์พัฒนาไปสู่ 3NM, 2NM และต่ำกว่าโหนดจำนวนและความซับซ้อนของกระบวนการสะสมฟิล์มบางเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่นกระบวนการสะสมฟิล์มบางของกระบวนการ 3nm นั้นสูงกว่ากระบวนการ 90nm 2.5 เท่า

การอัพเกรดชิปหน่วยความจำ: จาก 2D NAND เป็น 3D NAND จำนวนชั้นการสะสมฟิล์มบางเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ จำนวนชั้นที่ซ้อนกันของ 3D NAND เพิ่มขึ้นจาก 32 เป็นมากกว่า 200 และความต้องการอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางได้พุ่งสูงขึ้น

3. แอพพลิเคชั่นที่เกิดขึ้นใหม่: ความต้องการชิปที่มีประสิทธิภาพสูงในเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่เช่น 5G, ปัญญาประดิษฐ์, อินเทอร์เน็ตของสิ่งต่าง ๆ และการขับขี่แบบอิสระยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่องผลักดันการขยายตัวของตลาดอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบาง

4. ส่วนแบ่งส่วนตลาด: อุปกรณ์ CVD: คิดเป็นประมาณ 60% ของตลาดอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบางซึ่งเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุด อุปกรณ์ PVD: คิดเป็นประมาณ 25% ของตลาดอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบาง อุปกรณ์ ALD: คิดเป็นประมาณ 15% ของตลาดอุปกรณ์การสะสมฟิล์มบาง ๆ แต่มันเติบโตเร็วที่สุดโดยมี CAGR มากกว่า 15% ในอีกห้าปีข้างหน้า