Développement et application de la technologie des poudres sphériques pour le dépôt de couches minces

Résumé :

Le développement et l'application de la technologie des poudres sphériques dans le dépôt de couches minces offrent une avancée significative dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs. Cette recherche étudie l'impact de l'utilisation de cibles de poudre sphériques, produites par sphéroïdisation par refonte à haute température (HRS), par rapport aux cibles de plaques solides traditionnelles dans le processus de dépôt par pulvérisation cathodique. En optimisant la composition, la structure et les techniques de dépôt des couches minces avec des poudres sphériques, l'étude vise à améliorer l'uniformité et la qualité, ce qui se traduira par des améliorations notables du rendement des semi-conducteurs. L'expérience comprend une comparaison systématique des films minces déposés avec des poudres sphériques par rapport à des plaques solides, avec des paramètres contrôlés tels que la pression, la distance cible-substrat et le temps de dépôt. La qualité des films est évaluée par microscopie électronique à balayage (MEB) afin d'analyser la taille des grains, l'orientation et la densité des défauts. Les recherches universitaires suggèrent que les poudres sphériques offrent une meilleure interaction de surface et une meilleure densité d'empilement, ce qui se traduit par une qualité de film supérieure avec moins de défauts. Ces progrès pourraient permettre de répondre à la demande croissante de matériaux semi-conducteurs de haute performance et contribuer à l'avenir de la technologie des semi-conducteurs grâce à l'efficacité de la fabrication et à la performance des produits.

Contexte :

Le dépôt consiste à ajouter des couches extrêmement fines de matériau sur un substrat à partir d'une source métallique. Les matériaux en couches minces peuvent être déposés sur un substrat par de nombreuses méthodes, telles que le dépôt physique en phase vapeur (PVD), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt par couches atomiques (ALD) [1].

Figure 1 : (à gauche) Morphologies microscopiques des atomes de cuivre tout au long du processus de sphéroïdisation par refonte à haute température, (à droite) Schéma de la sphéroïdisation utilisant la technologie HRS [4].

La pulvérisation, un type de dépôt physique en phase vapeur, implique l'éjection d'ions à haute énergie sur un matériau cible, ce qui libère des atomes qui se déposent sur un substrat. Cette méthode est particulièrement bien adaptée à la fabrication de semi-conducteurs à grande échelle en raison de son coût abordable et de sa capacité à déposer sur de grandes surfaces [2].

Les propriétés de la cible de pulvérisation influencent fortement la qualité des couches minces. Traditionnellement, les cibles de pulvérisation prennent la forme d'une plaque ou d'un disque solide, mais des progrès récents ont permis d'utiliser la technologie des poudres sphériques dans ce processus [3]. Les cibles de poudre sphérique peuvent être préparées par sphéroïdisation par refonte à haute température (HRS), dans laquelle les particules de métal sont chauffées à des températures bien supérieures à leurs points de température, ce qui fait fondre et fusionner les particules. Ces particules chauffées subissent ensuite une sphéroïdisation, au cours de laquelle elles sont rapidement refroidies et se solidifient pour prendre une forme sphérique. La figure 1 illustre l'ensemble du processus HRS, y compris le processus de chauffage et de refroidissement rapide, ainsi que l'effet sur la forme des particules [4].

Le procédé HRS garantit que les cibles de poudre sont sphériques, ce qui permet d'améliorer l'uniformité et la densité des couches minces [2].

Méthodologie :

Cette expérience sera conçue pour déterminer la différence de qualité des couches minces entre les cibles sphériques en poudre et les cibles solides en plaques dans le processus de dépôt par pulvérisation cathodique. Des paramètres clés tels que la pression et la différence entre la cible et le substrat doivent être contrôlés pour déterminer la qualité du film mince entre les deux techniques de pulvérisation [5]. En outre, le prétraitement du substrat, tel que le nettoyage du substrat, doit être maintenu constant pour s'assurer que le dépôt entre les deux techniques est aussi cohérent que possible [6].

Pendant le processus de dépôt, le temps de dépôt sera maintenu constant pour les deux méthodes de pulvérisation, ce qui facilitera la comparaison de l'épaisseur et de l'uniformité des films. En outre, les taux de croissance entre les deux techniques seront cohérents et optimisés à l'aide de techniques de mesure de l'épaisseur, telles que l'ellipsométrie [6].

Figure 2 : Test de qualité des films minces comprenant : la création de cibles avec des poudres sphériques et des disques minces, le dépôt de matériaux via une machine de pulvérisation et la caractérisation des matériaux via un microscope électronique à balayage (MEB) [7][8][9]

Pour améliorer la fiabilité des résultats, plusieurs poudres sphériques et disques solides seront utilisés dans l'expérience. Cette approche augmente la fiabilité statistique en fournissant davantage de points de données, en garantissant la reproductibilité entre différents échantillons et en évaluant la cohérence et l'uniformité du processus de pulvérisation.

Les résultats des processus de pulvérisation seront analysés à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB). Les techniques SEM permettront de caractériser la microstructure des matériaux et de déterminer la qualité des couches minces déposées [4].

Résultats :

Pour comprendre les résultats de la caractérisation de la microstructure, il faut analyser la taille et l'orientation des grains. À l'aide d'un MEB, la taille des grains individuels dans le film mince peut être analysée et comparée entre les poudres sphériques et les plaques solides traditionnelles. La figure 3 montre une image MEB de la section transversale d'un film mince multicouche.

Figure 3 : Image au microscope électronique à balayage (MEB) d'une couche mince multicouche d'un panneau solaire prise à un grossissement de 50k× à l'aide du système Zeiss Auriga FIB-SEM [10]

Cette image a été prise avec une haute tension électronique (EHT) de 2,00 kV, indiquant la tension d'accélération utilisée dans le MEB, ainsi qu'une distance entre l'échantillon et le canon à électrons de 5,0 mm à un grossissement de 50 000x [10].

Ce grossissement permet d'obtenir des informations sur la microstructure de l'échantillon et les joints de grains, ce qui aide à déterminer la qualité de la couche mince. Dans la figure 3, les joints de grains sont visibles en raison des interfaces distinctes entre les matériaux. Une interface lisse indique que le matériau cible a eu une forte adhérence au substrat pendant le processus de dépôt.
En outre, l'analyse MEB des poudres sphériques et des films minces à base de solides peut révéler des informations importantes sur les défauts potentiels du film mince. Les taches sombres ou les zones moins denses que le reste du film peuvent indiquer des défauts apparus au cours du processus de dépôt.
En analysant les films minces par microscopie électronique à balayage (MEB), les technologies des poudres sphériques devraient produire des résultats positifs. Les limites lisses observées dans ces films peuvent être attribuées à des propriétés d'adhésion améliorées, inhérentes aux cibles de poudre sphérique. Cela est probablement dû à l'amélioration de l'interaction de surface et au dépôt uniforme que permet la forme sphérique des poudres. En outre, la densité d'empilement accrue des poudres sphériques devrait réduire l'apparition de défauts, contribuant ainsi à la qualité et à la cohérence globales des films minces. Cela fait des poudres sphériques un matériau prometteur pour les applications nécessitant une précision et une uniformité élevées dans le dépôt de couches minces [5].

Implications potentielles :

Des couches minces de haute qualité sont cruciales pour la performance et la fiabilité des processeurs avancés et des dispositifs de mémoire [11]. Les innovations en matière de poudres sphériques contribueront à garantir que des couches minces de haute qualité répondent à la demande mondiale et nationale en matière de semi-conducteurs.

La qualité des couches minces a des implications dans de nombreuses industries. Par exemple, la demande de semi-conducteurs dans l'industrie des véhicules électriques devrait passer de 2,33 milliards à 8,3 milliards de dollars entre 2024 et 2029.

Figure 4 : Augmentation de la demande de semi-conducteurs sur le marché des véhicules électriques entre 2020 et 2029 [12].

Le dépôt par poudre sphérique augmentera la qualité des semi-conducteurs, ce qui permettra de répondre plus facilement à la demande croissante. L'uniformité et la précision offertes par les poudres sphériques garantissent que les couches minces produites sont de la plus haute qualité, ce qui est essentiel pour les applications de semi-conducteurs avancées [5].

En outre, la technologie des poudres sphériques promet de renforcer la résilience et la sécurité de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs. Les perturbations survenues lors de la pandémie COVID-19, qui ont eu un impact significatif sur la production de véhicules électriques à batterie (BEV) en raison de pénuries de semi-conducteurs, soulignent l'importance d'une chaîne d'approvisionnement stable et efficace [13]. L'amélioration du rendement est essentielle pour surmonter les problèmes liés à la chaîne d'approvisionnement : une étude de cas réalisée en 2018 par McKinsey & Company a révélé qu'un grand fabricant de semi-conducteurs perdait près de 68 millions de dollars en raison de pertes de rendement au cours des huit principales étapes de son processus de production de semi-conducteurs [14].

En améliorant le rendement et la cohérence des puces fonctionnelles, la technologie des poudres sphériques permet non seulement de relever les défis actuels de la chaîne d'approvisionnement, mais aussi de soutenir les avancées technologiques futures et la croissance de l'industrie. En tant que telle, cette technologie représente une étape cruciale pour garantir un approvisionnement robuste et fiable en matériaux électroniques de haute performance pour l'avenir [5].

Ouvrages cités

[1]E. Chen, https://www.mrsec.harvard.edu/education/ap298r2004/Erli%20chenFabrication%20II%20-%20Deposition-1.pdf

[2] "Overview of Spherical Powders | Additive Manufacturing Material", am-material.com, 27 octobre 2023. https://am-material.com/news/spherical-powders-a-complete-guide/

[3]F. M. Mwema, E. T. Akinlabi, O. P. Oladijo et A. D. Baruwa, "Advances in Powder-based Technologies for Production of High-Performance Sputtering Targets", Materials Performance and Characterization, vol. 9, no. 4, pp. 528-542, Sep. 2020, doi: https://doi.org/10.1520/mpc20190160.

[4]Q. Bao, Y. Yang, X. Wen, L. Guo et Z. Guo, "The preparation of spherical metal powders using the high-temperature remelting spheroidization technology," Materials & Design, vol. 199, p. 109382, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109382.

[5]S. Yu, Y. Zhao, G. Zhao, Q. Liu, B. Yao, et H. Liu, "Review on preparation technology and properties of spherical powders," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 132, no. 3-4, pp. 1053-1069, mars 2024, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-024-13442-w.

[6]C. Linke, "Linking Target Microstructure with its Sputter Performance," Annual Technical Conference Proceedings, vol. 60, Apr. 2018, doi : https://doi.org/10.14332/svc17.proc.42840.

[7]"Sputtering System CS-200 - ULVAC Vietnam Representative Office", ULVAC Vietnam Representative Office, 09 septembre 2021. https://ulvac.com.vn/en/product/vacuum-equipments/sputtering-system/cs-200-series/ (consulté le 30 août 2024).

[8]"Scanning Electron Microscope (SEM) | Products | JEOL Ltd", Scanning Electron Microscope (SEM) | Products | JEOL Ltd. https://www.jeol.com/products/scientific/sem/

[9]Pyrolytic Graphite Crucible, "Pyrolytic Graphite Crucible | Stanford Advanced Materials," Global Supplier of Sputtering Targets and Evaporation Materials | Stanford Advanced Materials, 20 août 2018. https://www.sputtertargets.net/pyrolytic-graphite-crucible.html (consulté le 30 août 2024).

[10]W. Sun, F. Duan, J. Zhu, M. Yang, et Y. Wang, "An Edge Detection Algorithm for SEM Images of Multilayer Thin Films," Coatings, vol. 14, no. 3, p. 313, mars 2024, doi: https://doi.org/10.3390/coatings14030313.

Ceci est une soumission pour la bourse 2024 de SAM sur la poudre sphérique, écrite par Tucker Erbeck.

Biographie :

Tucker Erbeck est un étudiant junior en génie chimique avec un accent sur la science des matériaux à l'Université de Californie du Sud. Il a récemment effectué un stage avec California DREAMS au John O'Brian Nanofabrication Laboratory, où il a reçu une formation complète en fabrication microélectronique, y compris les technologies des couches minces. Tucker aspire à devenir un scientifique des matériaux, en mettant l'accent sur le développement de nouveaux produits qui améliorent les performances et l'efficacité énergétique de la prochaine génération de semi-conducteurs.