Desarrollo y aplicación de la tecnología de polvos esféricos en la deposición de películas finas

Resumen:

El desarrollo y la aplicación de la tecnología de polvo esférico en la deposición de películas finas ofrece un avance significativo en el campo de la fabricación de semiconductores. Esta investigación estudia el impacto del uso de blancos de polvo esférico, producidos mediante esferoidización por refundición a alta temperatura (HRS), en comparación con los blancos de placa sólida tradicionales en el proceso de deposición por sputtering. Mediante la optimización de la composición, la estructura y las técnicas de deposición de películas delgadas con polvos esféricos, el estudio pretende mejorar la uniformidad y la calidad, dando lugar a notables mejoras en el rendimiento de los semiconductores. El experimento consiste en una comparación sistemática de películas finas depositadas con polvos esféricos frente a placas sólidas, con parámetros controlados como la presión, la distancia del blanco al sustrato y el tiempo de deposición. La calidad de las películas se evalúa mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) para analizar el tamaño de grano, la orientación y la densidad de defectos. Los estudios realizados sugieren que los polvos esféricos ofrecen una mejor interacción superficial y densidad de empaquetamiento, lo que se traduce en una película de mayor calidad con menos defectos. Estos avances tienen el potencial de satisfacer la creciente demanda de materiales semiconductores de alto rendimiento y contribuir al futuro de la tecnología de semiconductores a través de la eficiencia de fabricación y el rendimiento del producto.

Antecedentes:

La deposición implica la adición de capas extremadamente finas de material sobre un sustrato a partir de una fuente metálica. El material de capa fina puede depositarse sobre un sustrato mediante numerosos métodos, como la deposición física en fase vapor (PVD), la deposición química en fase vapor (CVD) y la deposición de capas atómicas (ALD) [1].

Figura 1: (izquierda) Morfologías microscópicas del átomo de cobre a lo largo del proceso de esferoidización por refundición a alta temperatura, (derecha) Esquema de la esferoidización mediante tecnología HRS [4].

La pulverización catódica, un tipo de deposición física de vapor, consiste en la eyección de iones de alta energía sobre un material diana, lo que provoca la liberación de átomos que se depositan sobre un sustrato. Este método es especialmente adecuado para la fabricación de semiconductores a gran escala debido a su asequibilidad y a su capacidad para depositar sobre grandes superficies [2].

Las propiedades del cátodo para sputtering influyen enormemente en la calidad de las películas finas. Tradicionalmente, los cátodos para sputtering adoptan la forma de una placa o disco sólido, pero los últimos avances han permitido el uso de la tecnología de polvo esférico en este proceso [3]. Los cátodos de polvo esférico pueden prepararse mediante esferoidización por refundición a alta temperatura (HRS), en la que las partículas metálicas se calientan a temperaturas muy superiores a sus puntos de temperatura, haciendo que las partículas se fundan y fusionen. A continuación, estas partículas calentadas se someten a un proceso de esferoidización, en el que se enfrían rápidamente y se solidifican adquiriendo formas esféricas. La figura 1 ilustra todo el proceso HRS, incluido el rápido calentamiento y enfriamiento, así como el efecto sobre la forma de las partículas [4].

El HRS garantiza que los objetivos de polvo sean esféricos, lo que mejora la uniformidad y la densidad de la película fina [2].

Metodología:

Este experimento se diseñará para determinar la diferencia en la calidad de la película delgada entre blancos de polvo esféricos y blancos de placa sólida en el proceso de deposición por sputtering. Para determinar la calidad de la película fina entre las dos técnicas de sputtering es necesario controlar parámetros clave como la presión y la diferencia entre blanco y sustrato [5]. Además, el pretratamiento del sustrato, como la limpieza del mismo, debe mantenerse constante para asegurar que la deposición entre las dos técnicas sea lo más consistente posible [6].

Durante el proceso de deposición, el tiempo de deposición se mantendrá constante para ambos métodos de sputtering, lo que permitirá comparar más fácilmente el espesor y la uniformidad de las películas. Además, las velocidades de crecimiento entre las dos técnicas serán coherentes y se optimizarán utilizando técnicas de medición del espesor, como la elipsometría [6].

Figura 2: Ensayo de calidad de películas finas que incluye: creación de blancos con polvos esféricos y discos finos, deposición de materiales mediante máquina de sputtering y caracterización de materiales mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) [7][8][9].

Para aumentar la fiabilidad de los resultados, se utilizarán múltiples polvos esféricos y discos sólidos en el experimento. Este enfoque aumenta la fiabilidad estadística proporcionando más puntos de datos, asegurando la reproducibilidad entre diferentes muestras y evaluando la consistencia y uniformidad en el proceso de sputtering.

Los resultados de los procesos de sputtering se analizarán mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Las técnicas de SEM caracterizarán la microestructura de los materiales y determinarán la calidad de las películas delgadas depositadas [4].

Resultados:

Para comprender los resultados de la caracterización de la microestructura es necesario analizar tanto el tamaño como la orientación del grano. Utilizando una máquina SEM, se puede analizar el tamaño de los granos individuales dentro de la película delgada y compararlos entre los polvos esféricos y las placas sólidas tradicionales. La figura 3 muestra una imagen SEM de la sección transversal de una película fina multicapa.

Figura 3: Imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una película fina multicapa de un panel solar obtenida con un aumento de 50k× utilizando el sistema Zeiss Auriga FIB-SEM [10].

Esta imagen se tomó con una alta tensión de electrones (EHT) de 2,00 kV, que indica la tensión de aceleración utilizada en el SEM, así como una distancia entre la muestra y el cañón de electrones de 5,0 mm a un aumento de 50.000x [10].

Con este aumento se puede obtener información sobre la microestructura de la muestra y los límites de grano, lo que ayuda a determinar la calidad de la película fina. En la figura 3, los límites de grano son perceptibles debido a las distintas interfaces entre los materiales. Una interfaz lisa indica que el material objetivo se adhirió fuertemente al sustrato durante el proceso de deposición.
Además, el análisis SEM del polvo esférico y de las películas finas de base sólida puede revelar información importante sobre posibles defectos en la película fina. Los puntos oscuros o las zonas menos densas que el resto de la película podrían ser indicativos de defectos surgidos durante el proceso de deposición.
Al analizar las películas finas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), se espera que las tecnologías de polvo esférico arrojen resultados positivos. Los bordes lisos observados en estas películas pueden atribuirse a la mejora de las propiedades de adherencia, que son inherentes a los objetivos de polvo esférico. Esto se debe probablemente a la mejor interacción superficial y a la deposición uniforme que ofrece la forma esférica de los polvos. Además, se espera que la mayor densidad de empaquetamiento de los polvos esféricos reduzca la aparición de defectos, contribuyendo a la calidad y consistencia generales de las películas finas. Esto convierte a los polvos esféricos en un material prometedor para aplicaciones que requieren una gran precisión y uniformidad en la deposición de películas finas [5].

Posibles implicaciones:

Las películas finas de alta calidad son cruciales para el rendimiento y la fiabilidad de los procesadores avanzados y los dispositivos de memoria [11]. Las innovaciones del polvo esférico contribuirán a garantizar que las películas finas de alta calidad satisfagan la demanda mundial y nacional de semiconductores.

La calidad de las películas finas tiene implicaciones en muchas industrias. Por ejemplo, se espera que la demanda del mercado de semiconductores en la industria de los vehículos eléctricos (VE) aumente de 2.330 millones a 8.300 millones de dólares entre 2024 y 2029.

Figura 4: Aumento de la demanda de semiconductores en el mercado de los vehículos eléctricos (VE) entre 2020 y 2029 [12].

La deposición esférica basada en polvo aumentará la calidad de los semiconductores, lo que facilitará satisfacer la creciente demanda. La uniformidad y precisión que ofrecen los polvos esféricos garantizan que las películas finas producidas sean de la máxima calidad, algo esencial para las aplicaciones de semiconductores avanzados [5].

Además, la tecnología del polvo esférico promete reforzar la resistencia y la seguridad de la cadena de suministro de semiconductores. Las interrupciones experimentadas durante la pandemia COVID-19, que afectaron significativamente a la producción de vehículos eléctricos de batería (BEV) debido a la escasez de semiconductores, subrayan la importancia de una cadena de suministro estable y eficiente [13]. Mejorar el rendimiento es fundamental para superar los problemas de la cadena de suministro: un estudio de caso de 2018 realizado por McKinsey & Company descubrió que un importante semiconductor estaba perdiendo casi 68 millones de dólares debido a pérdidas de rendimiento en los ocho pasos principales de su proceso de producción de semiconductores [14].

Al mejorar el rendimiento y la consistencia de los chips funcionales, la tecnología de polvo esférico no solo aborda los desafíos actuales de la cadena de suministro, sino que también respalda los futuros avances tecnológicos y el crecimiento de la industria. Como tal, esta tecnología representa un paso crucial para garantizar un suministro sólido y fiable de materiales electrónicos de alto rendimiento para el futuro [5].

Obras citadas

[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 de octubre de 2023. https://am-material.com/news/spherical-powders-a-complete-guide/

[3]F. M. Mwema, E. T. Akinlabi, O. P. Oladijo y 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 y 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 y 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, mar. 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, abr. 2018, doi: https://doi.org/10.14332/svc17.proc.42840.

[7]"Sputtering System CS-200 - ULVAC Vietnam Representative Office", ULVAC Vietnam Representative Office, 09 de septiembre de 2021. https://ulvac.com.vn/en/product/vacuum-equipments/sputtering-system/cs-200-series/ (consultado el 30 de agosto de 2024).

[8]"Microscopio electrónico de barrido (SEM ) | Productos | JEOL Ltd.," Microscopio electrónico de barrido (SEM) | Productos | JEOL Ltd. https://www.jeol.com/products/scientific/sem/

[9]Crisol de grafito pirolítico, "Crisol de grafito pirolítico | Stanford Advanced Materials," Proveedor global de cátodos para sputtering y materiales de evaporación | Stanford Advanced Materials, 20 de agosto de 2018. https://www.sputtertargets.net/pyrolytic-graphite-crucible.html (consultado el 30 de agosto de 2024).

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

Esta es una presentación para la Beca 2024 de SAM sobre polvo esférico, escrita por Tucker Erbeck.

Biografía:

Tucker Erbeck estudia Ingeniería Química con especialización en Ciencia de los Materiales en la Universidad del Sur de California. Recientemente ha realizado unas prácticas con California DREAMS en el Laboratorio de Nanofabricación John O'Brian, donde ha recibido una formación completa en fabricación microelectrónica, incluidas las tecnologías de película fina. Tucker aspira a convertirse en científico de materiales, centrándose en el desarrollo de novedades que mejoren el rendimiento y la eficiencia energética de la próxima generación de semiconductores.