Свеобухватни преглед техника наношења танких филмова: MOCVD, магнетронског распршивања и PECVD

У производњи полупроводника, док су фотолитографија и нагризање најчешће помињани процеси, епитаксијалне или технике наношења танких филмова су подједнако важне. Овај чланак представља неколико уобичајених метода наношења танких филмова које се користе у изради чипова, укључујућиМОЦВД, магнетронског распршивањаиПЕЦВД.

Зашто су процеси танких филмова неопходни у производњи чипова?

Да бисмо то илустровали, замислите обичан печени лепињу. Сама по себи може бити бљутава. Међутим, премазивањем површине различитим сосовима - попут слане пасте од пасуља или слатког сладног сирупа - можете потпуно променити њен укус. Ови премази за побољшање укуса слични су...танки филмовиу полупроводничким процесима, док сам пљоснати хлеб представљаподлога.

У производњи чипова, танки филмови служе бројним функционалним улогама - изолацији, проводљивости, пасивацији, апсорпцији светлости итд. - и свака функција захтева специфичну технику наношења.

1. Метално-органско хемијско таложење из парне фазе (MOCVD)

MOCVD је веома напредна и прецизна техника која се користи за наношење висококвалитетних полупроводничких танких филмова и наноструктура. Игра кључну улогу у изради уређаја попут ЛЕД диода, ласера и енергетске електронике.

Кључне компоненте MOCVD система:

• Систем за испоруку гаса
  Одговоран за прецизно уношење реактаната у реакциону комору. Ово укључује контролу протока:

• Носећи гасови

• Металооргански прекурсори

• Хидридни гасови
  Систем има вишесмерне вентиле за пребацивање између режима раста и чишћења.

• Реакциона комора
  Срце система где се одвија стварни раст материјала. Компоненте укључују:

  • Графитни носач (држач супстрата)

  • Сензори грејача и температуре

  • Оптички портови за in-situ надзор

  • Роботске руке за аутоматизовано утоваривање/истоваривање плочица

• Систем за контролу раста
  Састоји се од програмабилних логичких контролера и главног рачунара. Ово обезбеђује прецизно праћење и поновљивост током целог процеса наношења.

• Праћење на лицу места
  Алати као што су пирометри и рефлектометри мере:

  • Дебљина филма

  • Температура површине

  • Закривљеност подлоге
    Ово омогућава повратне информације и прилагођавање у реалном времену.

• Систем за третман издувних гасова
  Третира токсичне нуспроизводе коришћењем термичког разлагања или хемијске катализе како би се осигурала безбедност и усклађеност са прописима о заштити животне средине.

Конфигурација туша са затвореним спојеним спојењем (CCS):

У вертикалним MOCVD реакторима, CCS дизајн омогућава равномерно убризгавање гасова кроз наизменичне млазнице у структури главе туша. Ово минимизира превремене реакције и побољшава равномерно мешање.

• Theротирајући графитни сусцептордодатно помаже у хомогенизацији граничног слоја гасова, побољшавајући једноликост филма преко плочице.

2. Магнетронског распршивања

Магнетронска распршивања су методе физичког таложења из паре (PVD) које се широко користе за наношење танких филмова и премаза, посебно у електроници, оптици и керамици.

Принцип рада:

1. Циљни материјал
   Изворни материјал који се таложи - метал, оксид, нитрид итд. - фиксира се на катоду.

2. Вакуумска комора
   Процес се изводи под високим вакуумом како би се избегла контаминација.

3. Генерација плазме
   Инертни гас, обично аргон, се јонизује и формира плазму.

4. Примена магнетног поља
   Магнетно поље ограничава електроне близу мете како би се побољшала ефикасност јонизације.

5. Процес распршивања
   Јони бомбардују мету, избацујући атоме који путују кроз комору и таложе се на подлогу.

Предности магнетронског распршивања:

• Равномерно наношење филмапреко великих подручја.

• Могућност таложења комплексних једињења, укључујући легуре и керамику.

• Подесивни параметри процесаза прецизну контролу дебљине, састава и микроструктуре.

• Висок квалитет филмаса јаком адхезијом и механичком чврстоћом.

• Широка компатибилност са материјалима, од метала до оксида и нитрида.

• Рад на ниској температури, погодно за подлоге осетљиве на температуру.

3. Хемијско таложење из парне фазе побољшано плазмом (PECVD)

PECVD се широко користи за таложење танких филмова попут силицијум нитрида (SiNx), силицијум диоксида (SiO₂) и аморфног силицијума.

Принцип:

У PECVD систему, прекурсорски гасови се уводе у вакуумску комору гдеплазма сијајућег пражњењагенерише се коришћењем:

• РФ побуђивање

• Једносмерна високи напон

• Микроталасни или импулсни извори

Плазма активира реакције у гасној фази, стварајући реактивне врсте које се таложе на подлози и формирају танак филм.

Кораци депоновања:

1. Формирање плазме
   Побуђени електромагнетним пољима, прекурсорски гасови јонизују и формирају реактивне радикале и јоне.

2. Реакција и транспорт
   Ове врсте пролазе кроз секундарне реакције док се крећу ка супстрату.

3. Површинска реакција
   Када доспеју до подлоге, они се адсорбују, реагују и формирају чврсти филм. Неки нуспроизводи се ослобађају као гасови.

Предности PECVD-а:

• Одлична уједначеносту саставу и дебљини филма.

• Јака адхезијачак и на релативно ниским температурама таложења.

• Високе стопе таложења, што га чини погодним за производњу у индустријским размерама.

4. Технике карактеризације танких филмова

Разумевање својстава танких филмова је неопходно за контролу квалитета. Уобичајене технике укључују:

(1) Рендгенска дифракција (XRD)

• СврхаАнализирајте кристалне структуре, константе решетке и оријентације.

• ПринципНа основу Браговог закона, мери како се X-зраци дифрактују кроз кристални материјал.

• АпликацијеКристалографија, фазна анализа, мерење напрезања и процена танких филмова.

(2) Скенирајућа електронска микроскопија (SEM)

• СврхаПосматрајте морфологију и микроструктуру површине.

• Принцип: Користи електронски сноп за скенирање површине узорка. Детектовани сигнали (нпр. секундарни и повратно расејани електрони) откривају детаље површине.

• АпликацијеНаука о материјалима, нанотехнологија, биологија и анализа отказа.

(3) Микроскопија атомских сила (АСМ)

• СврхаСлика површина атомске или нанометарске резолуције.

• ПринципОштра сонда скенира површину одржавајући константну силу интеракције; вертикална померања генеришу 3Д топографију.

• АпликацијеИстраживање наноструктуре, мерење храпавости површине, биомолекуларне студије.