Sveobuhvatan pregled tehnika taloženja tankih filmova: MOCVD, magnetronsko raspršivanje i PECVD

U proizvodnji poluvodiča, iako su fotolitografija i jetkanje najčešće spominjani procesi, epitaksijalne ili tehnike taloženja tankih filmova jednako su važne. Ovaj članak predstavlja nekoliko uobičajenih metoda taloženja tankih filmova koje se koriste u izradi čipova, uključujućiMOCVD, magnetronsko raspršivanjeiPECVD.

Zašto su procesi tankih filmova bitni u proizvodnji čipova?

Za ilustraciju, zamislite običan pečeni somun. Sam po sebi može biti bljutav. Međutim, premazivanjem površine različitim umacima - poput slane paste od graha ili slatkog sladnog sirupa - možete potpuno promijeniti njegov okus. Ovi premazi za poboljšanje okusa slični sutanki filmoviu poluvodičkim procesima, dok sam kruh predstavljapodloga.

U izradi čipova, tanki filmovi imaju brojne funkcionalne uloge - izolaciju, vodljivost, pasivizaciju, apsorpciju svjetlosti itd. - i svaka funkcija zahtijeva specifičnu tehniku ​​nanošenja.

1. Metalno-organsko kemijsko taloženje iz parne faze (MOCVD)

MOCVD je vrlo napredna i precizna tehnika koja se koristi za nanošenje visokokvalitetnih poluvodičkih tankih filmova i nanostruktura. Igra ključnu ulogu u izradi uređaja poput LED dioda, lasera i energetske elektronike.

Ključne komponente MOCVD sustava:

• Sustav za dovod plina
  Odgovoran za precizno uvođenje reaktanata u reakcijsku komoru. To uključuje kontrolu protoka:

• Nosni plinovi

• Metalo-organski prekursori

• Hidridni plinovi
  Sustav ima višesmjerne ventile za prebacivanje između načina rasta i načina pročišćavanja.

• Reakcijska komora
  Srce sustava gdje se događa stvarni rast materijala. Komponente uključuju:

  • Grafitni suceptor (držač supstrata)

  • Grijač i senzori temperature

  • Optički portovi za in-situ nadzor

  • Robotske ruke za automatizirano utovar/istovar pločica

• Sustav za kontrolu rasta
  Sastoji se od programabilnih logičkih kontrolera i glavnog računala. To osigurava precizno praćenje i ponovljivost tijekom cijelog procesa nanošenja.

• Praćenje na licu mjesta
  Alati poput pirometara i reflektometara mjere:

  • Debljina filma

  • Temperatura površine

  • Zakrivljenost podloge
    To omogućuje povratne informacije i prilagodbe u stvarnom vremenu.

• Sustav za obradu ispušnih plinova
  Tretira otrovne nusproizvode termičkom razgradnjom ili kemijskom katalizom kako bi se osigurala sigurnost i usklađenost s propisima o zaštiti okoliša.

Konfiguracija tuša zatvorenog tipa (CCS):

U vertikalnim MOCVD reaktorima, CCS dizajn omogućuje ravnomjerno ubrizgavanje plinova kroz naizmjenične mlaznice u strukturi tuša. To minimizira preuranjene reakcije i poboljšava ravnomjerno miješanje.

• Therotirajući grafitni susceptordodatno pomaže homogenizirati granični sloj plinova, poboljšavajući ujednačenost filma po cijeloj pločici.

2. Magnetronsko raspršivanje

Magnetronsko raspršivanje je metoda fizičkog taloženja iz parne faze (PVD) koja se široko koristi za nanošenje tankih filmova i premaza, posebno u elektronici, optici i keramici.

Princip rada:

1. Ciljni materijal
   Izvorni materijal koji se taloži - metal, oksid, nitrid itd. - fiksira se na katodu.

2. Vakuumska komora
   Postupak se izvodi pod visokim vakuumom kako bi se izbjegla kontaminacija.

3. Generiranje plazme
   Inertni plin, obično argon, ionizira se i stvara plazmu.

4. Primjena magnetskog polja
   Magnetsko polje ograničava elektrone u blizini mete kako bi se povećala učinkovitost ionizacije.

5. Proces raspršivanja
   Ioni bombardiraju metu, istiskujući atome koji putuju kroz komoru i talože se na podlogu.

Prednosti magnetronskog raspršivanja:

• Jednoliko nanošenje filmapreko velikih područja.

• Mogućnost taloženja kompleksnih spojeva, uključujući legure i keramiku.

• Podesivi parametri procesaza preciznu kontrolu debljine, sastava i mikrostrukture.

• Visoka kvaliteta filmas jakom adhezijom i mehaničkom čvrstoćom.

• Široka kompatibilnost materijala, od metala do oksida i nitrida.

• Rad na niskim temperaturama, pogodno za temperaturno osjetljive podloge.

3. Plazma-pojačano kemijsko taloženje iz parne faze (PECVD)

PECVD se široko koristi za taloženje tankih filmova poput silicijevog nitrida (SiNx), silicijevog dioksida (SiO₂) i amorfnog silicija.

Načelo:

U PECVD sustavu, prekursorski plinovi se uvode u vakuumsku komoru gdje seplazma tlijevanog izbijanjagenerira se pomoću:

• RF pobuđivanje

• istosmjerni visoki napon

• Mikrovalni ili pulsni izvori

Plazma aktivira reakcije u plinskoj fazi, stvarajući reaktivne čestice koje se talože na podlozi i tvore tanki film.

Koraci taloženja:

1. Stvaranje plazme
   Pobuđeni elektromagnetskim poljima, prekursorski plinovi ioniziraju se i tvore reaktivne radikale i ione.

2. Reakcija i transport
   Ove vrste prolaze kroz sekundarne reakcije dok se kreću prema supstratu.

3. Površinska reakcija
   Nakon što dospiju na podlogu, adsorbiraju se, reagiraju i formiraju čvrsti film. Neki nusprodukti se oslobađaju kao plinovi.

Prednosti PECVD-a:

• Izvrsna ujednačenostu sastavu i debljini filma.

• Snažno prianjanječak i pri relativno niskim temperaturama taloženja.

• Visoke stope taloženja, što ga čini pogodnim za industrijsku proizvodnju.

4. Tehnike karakterizacije tankih filmova

Razumijevanje svojstava tankih filmova ključno je za kontrolu kvalitete. Uobičajene tehnike uključuju:

(1) Rendgenska difrakcija (XRD)

• SvrhaAnalizirati kristalne strukture, konstante rešetke i orijentacije.

• NačeloNa temelju Braggovog zakona, mjeri kako se rendgenske zrake difrakiraju kroz kristalni materijal.

• PrimjeneKristalografija, fazna analiza, mjerenje naprezanja i procjena tankih filmova.

(2) Skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM)

• SvrhaPromatrajte morfologiju i mikrostrukturu površine.

• Načelo: Koristi elektronski snop za skeniranje površine uzorka. Detektovani signali (npr. sekundarni i povratno raspršeni elektroni) otkrivaju detalje površine.

• PrimjeneZnanost o materijalima, nanotehnologija, biologija i analiza kvarova.

(3) Mikroskopija atomskih sila (AFM)

• SvrhaSnimanje površina u atomskoj ili nanometarskoj rezoluciji.

• NačeloOštra sonda skenira površinu održavajući konstantnu silu interakcije; vertikalni pomaci generiraju 3D topografiju.

• PrimjeneIstraživanje nanostruktura, mjerenje hrapavosti površine, biomolekularne studije.