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

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

Zašto su procesi tankih filmova neophodni 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 poluprovodničkim procesima, dok sam ravni kruh predstavljapodloga.

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

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

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

Ključne komponente MOCVD sistema:

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

• Nosivi plinovi

• Metalo-organski prekursori

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

• Reakcijska komora
  Srce sistema gdje se odvija stvarni rast materijala. Komponente uključuju:

  • Grafitni susceptor (držač supstrata)

  • Senzori grijača i temperature

  • Optički portovi za in-situ monitoring

  • Robotske ruke za automatizirano utovar/istovar pločica

• Sistem za kontrolu rasta
  Sastoji se od programabilnih logičkih kontrolera i glavnog računara. Ovo osigurava precizno praćenje i ponovljivost tokom cijelog procesa nanošenja.

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

  • Debljina filma

  • Temperatura površine

  • Zakrivljenost podloge
    Ovo omogućava povratne informacije i prilagođavanje u realnom vremenu.

• Sistem za tretman ispušnih plinova
  Tretira toksične nusproizvode korištenjem termičke razgradnje ili hemijske katalize kako bi se osigurala sigurnost i usklađenost sa ekološkim propisima.

Konfiguracija tuša zatvorenog tipa (CCS):

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

• Therotirajući grafitni susceptordodatno pomaže u homogenizaciji graničnog sloja plinova, poboljšavajući ujednačenost filma preko pločice.

2. Magnetronsko raspršivanje

Magnetronsko raspršivanje je metoda fizičkog nanošenja 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
   Proces se izvodi pod visokim vakuumom kako bi se izbjegla kontaminacija.

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

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

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

Prednosti magnetronskog raspršivanja:

• Ujednačeno nanošenje filmapreko velikih područja.

• Mogućnost taloženja kompleksnih jedinjenja, uključujući legure i keramiku.

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

• Visok kvalitet filmasa jakom adhezijom i mehaničkom čvrstoćom.

• Široka kompatibilnost s materijalima, od metala do oksida i nitrida.

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

3. Hemijsko taloženje iz pare pojačano plazmom (PECVD)

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

Princip:

U PECVD sistemu, prekursorski gasovi se uvode u vakuumsku komoru gdje...plazma tlijevanog pražnjenjagenerira se korištenjem:

• RF pobuđivanje

• DC visoki napon

• Mikrovalni ili pulsni izvori

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

Koraci taloženja:

1. Formiranje plazme
   Pobuđeni elektromagnetnim poljima, prekursorski plinovi ioniziraju i formiraju reaktivne radikale i ione.

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

3. Površinska reakcija
   Kada dođu do podloge, oni se adsorbiraju, reaguju i formiraju čvrsti film. Neki nusproizvodi se oslobađaju kao gasovi.

Prednosti PECVD-a:

• Odlična ujednačenostu sastavu i debljini filma.

• Snažno prianjanječak i pri relativno niskim temperaturama taloženja.

• Visoke stope taloženja, što ga čini pogodnim za proizvodnju u industrijskim razmjerima.

4. Tehnike karakterizacije tankih filmova

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

(1) Rendgenska difrakcija (XRD)

• SvrhaAnalizirati kristalne strukture, konstante rešetke i orijentacije.

• PrincipNa osnovu Braggsovog zakona, mjeri kako se rendgenski zraci difraktuju kroz kristalni materijal.

• AplikacijeKristalografija, fazna analiza, mjerenje naprezanja i evaluacija tankih filmova.

(2) Skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM)

• SvrhaPosmatrajte morfologiju i mikrostrukturu površine.

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

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

(3) Mikroskopija atomskih sila (AFM)

• SvrhaSlika površina u atomskoj ili nanometarskoj rezoluciji.

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

• AplikacijeIstraživanje nanostruktura, mjerenje hrapavosti površine, biomolekularne studije.