Komplexný prehľad techník nanášania tenkých vrstiev: MOCVD, magnetrónové naprašovanie a PECVD

Pri výrobe polovodičov sú fotolitografia a leptanie najčastejšie spomínanými procesmi, ale rovnako dôležité sú aj epitaxné techniky alebo techniky nanášania tenkých vrstiev. Tento článok predstavuje niekoľko bežných metód nanášania tenkých vrstiev používaných pri výrobe čipov, vrátaneMOCVD, magnetrónovým naprašovanímaPECVD.

Prečo sú procesy výroby tenkých vrstiev nevyhnutné pri výrobe čipov?

Pre ilustráciu si predstavte obyčajný upečený placký chlieb. Samý o sebe môže chutiť nevýrazne. Potretím povrchu rôznymi omáčkami – ako je slaná fazuľová pasta alebo sladký sladový sirup – však môžete úplne zmeniť jeho chuť. Tieto povlaky na zvýšenie chuti sú podobnétenké filmyv polovodičových procesoch, zatiaľ čo samotný plochý chlieb predstavujesubstrát.

Pri výrobe čipov tenké vrstvy plnia množstvo funkčných úloh – izoláciu, vodivosť, pasiváciu, absorpciu svetla atď. – a každá funkcia si vyžaduje špecifickú techniku ​​nanášania.

1. Chemická depozícia z pár na báze kovov a organických zlúčenín (MOCVD)

MOCVD je vysoko pokročilá a presná technika používaná na nanášanie vysokokvalitných polovodičových tenkých vrstiev a nanostruktúr. Zohráva kľúčovú úlohu pri výrobe zariadení, ako sú LED diódy, lasery a výkonová elektronika.

Kľúčové komponenty systému MOCVD:

• Systém dodávky plynu
  Zodpovedný za presné zavádzanie reaktantov do reakčnej komory. Zahŕňa to riadenie prietoku:

• Nosné plyny

• Organokovové prekurzory

• Hydridové plyny
  Systém je vybavený viaccestnými ventilmi na prepínanie medzi režimami rastu a preplachovania.

• Reakčná komora
  Srdce systému, kde dochádza k skutočnému rastu materiálu. Medzi jeho súčasti patria:

  • Grafitový susceptor (držiak substrátu)

  • Snímače ohrievača a teploty

  • Optické porty pre monitorovanie na mieste

  • Robotické ramená pre automatizované nakladanie/vykladanie doštičiek

• Systém kontroly rastu
  Pozostáva z programovateľných logických ovládačov a hostiteľského počítača. Tieto zabezpečujú presné monitorovanie a opakovateľnosť počas celého procesu nanášania.

• Monitorovanie na mieste
  Nástroje ako pyrometre a reflektometre merajú:

  • Hrúbka filmu

  • Povrchová teplota

  • Zakrivenie substrátu
    Tieto umožňujú spätnú väzbu a úpravy v reálnom čase.

• Systém úpravy výfukových plynov
  Spracováva toxické vedľajšie produkty pomocou tepelného rozkladu alebo chemickej katalýzy, aby sa zabezpečila bezpečnosť a súlad s environmentálnymi normami.

Konfigurácia sprchovej hlavice s uzavretou spojkou (CCS):

Vo vertikálnych reaktoroch MOCVD umožňuje konštrukcia CCS rovnomerné vstrekovanie plynov cez striedavé trysky v sprchovej hlavici. To minimalizuje predčasné reakcie a zlepšuje rovnomerné miešanie.

• Ten/Tá/Torotujúci grafitový susceptorďalej pomáha homogenizovať hraničnú vrstvu plynov, čím sa zlepšuje rovnomernosť filmu na celom plátku.

2. Magnetrónové naprašovanie

Magnetrónové naprašovanie je metóda fyzikálneho nanášania z pár (PVD) široko používaná na nanášanie tenkých vrstiev a povlakov, najmä v elektronike, optike a keramike.

Princíp fungovania:

1. Cieľový materiál
   Zdrojový materiál, ktorý sa má nanášať – kov, oxid, nitrid atď. – je fixovaný na katóde.

2. Vákuová komora
   Proces sa vykonáva za vysokého vákua, aby sa zabránilo kontaminácii.

3. Generovanie plazmy
   Inertný plyn, typicky argón, sa ionizuje za vzniku plazmy.

4. Aplikácia magnetického poľa
   Magnetické pole obmedzuje elektróny v blízkosti cieľa, aby sa zvýšila účinnosť ionizácie.

5. Proces naprašovania
   Ióny bombardujú cieľ, pričom uvoľňujú atómy, ktoré prechádzajú komorou a usadzujú sa na substráte.

Výhody magnetrónového naprašovania:

• Rovnomerné nanášanie filmunaprieč rozsiahlymi oblasťami.

• Schopnosť nanášať komplexné zlúčeniny, vrátane zliatin a keramiky.

• Laditeľné parametre procesupre presnú kontrolu hrúbky, zloženia a mikroštruktúry.

• Vysoká kvalita filmuso silnou priľnavosťou a mechanickou pevnosťou.

• Široká kompatibilita materiálov, od kovov až po oxidy a nitridy.

• Prevádzka pri nízkych teplotách, vhodné pre teplotne citlivé podklady.

3. Plazmou vylepšená chemická depozícia z pár (PECVD)

PECVD sa široko používa na nanášanie tenkých vrstiev, ako je nitrid kremíka (SiNx), oxid kremičitý (SiO₂) a amorfný kremík.

Princíp:

V systéme PECVD sa prekurzorové plyny zavádzajú do vákuovej komory, kdeplazma tlmivého výbojasa generuje pomocou:

• RF excitácia

• Vysoké jednosmerné napätie

• Mikrovlnné alebo pulzné zdroje

Plazma aktivuje reakcie v plynnej fáze, čím vytvára reaktívne látky, ktoré sa ukladajú na substráte a vytvárajú tenký film.

Kroky depozície:

1. Tvorba plazmy
   V dôsledku elektromagnetických polí sa prekurzorové plyny ionizujú a tvoria reaktívne radikály a ióny.

2. Reakcia a transport
   Tieto druhy prechádzajú sekundárnymi reakciami, keď sa pohybujú smerom k substrátu.

3. Povrchová reakcia
   Po dosiahnutí substrátu sa adsorbujú, reagujú a tvoria pevný film. Niektoré vedľajšie produkty sa uvoľňujú ako plyny.

Výhody PECVD:

• Vynikajúca uniformitav zložení a hrúbke filmu.

• Silná priľnavosťaj pri relatívne nízkych teplotách nanášania.

• Vysoké rýchlosti usadzovania, vďaka čomu je vhodný na výrobu v priemyselnom meradle.

4. Techniky charakterizácie tenkých vrstiev

Pochopenie vlastností tenkých vrstiev je nevyhnutné pre kontrolu kvality. Medzi bežné techniky patria:

(1) Röntgenová difrakcia (XRD)

• ÚčelAnalyzujte kryštálové štruktúry, mriežkové konštanty a orientácie.

• PrincípNa základe Braggovho zákona meria, ako sa röntgenové lúče difrakujú cez kryštalický materiál.

• AplikácieKryštalografia, fázová analýza, meranie deformácie a hodnotenie tenkých vrstiev.

(2) Skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM)

• ÚčelPozorujte morfológiu a mikroštruktúru povrchu.

• Princíp: Na skenovanie povrchu vzorky používa elektrónový lúč. Detekované signály (napr. sekundárne a spätne rozptýlené elektróny) odhaľujú detaily povrchu.

• AplikácieMateriálová veda, nanotechnológia, biológia a analýza porúch.

(3) Mikroskopia atómových síl (AFM)

• ÚčelZobrazenie povrchov s atómovým alebo nanometrovým rozlíšením.

• PrincípOstrá sonda skenuje povrch a zároveň udržiava konštantnú interakčnú silu; vertikálne posuny vytvárajú 3D topografiu.

• AplikácieVýskum nanostruktúr, meranie drsnosti povrchu, biomolekulárne štúdie.