Komplexní přehled technik nanášení tenkých vrstev: MOCVD, magnetronové naprašování a PECVD

Ve výrobě polovodičů jsou fotolitografie a leptání nejčastěji zmiňovanými procesy, ale stejně důležité jsou i epitaxní techniky nebo techniky nanášení tenkých vrstev. Tento článek představuje několik běžných metod nanášení tenkých vrstev používaných při výrobě čipů, včetněMOCVD, magnetronové naprašováníaPECVD.

Proč jsou procesy výroby tenkých vrstev nezbytné při výrobě čipů?

Pro ilustraci si představte obyčejně upečený placký chléb. Sam o sobě může chutnat nevýrazně. Potřením povrchu různými omáčkami – jako je slaná fazolová pasta nebo sladký sladový sirup – však můžete jeho chuť zcela změnit. Tyto povlaky zvýrazňující chuť jsou podobné…tenké filmyv polovodičových procesech, zatímco samotný placký chléb představujesubstrát.

Při výrobě čipů plní tenké vrstvy řadu funkčních rolí – izolaci, vodivost, pasivaci, absorpci světla atd. – a každá funkce vyžaduje specifickou techniku ​​nanášení.

1. Chemická depozice z plynné fáze na bázi organokovových sloučenin (MOCVD)

MOCVD je vysoce pokročilá a přesná technika používaná pro depozici vysoce kvalitních polovodičových tenkých vrstev a nanostruktur. Hraje klíčovou roli při výrobě zařízení, jako jsou LED diody, lasery a výkonová elektronika.

Klíčové komponenty systému MOCVD:

• Systém dodávky plynu
  Zodpovídá za přesné zavádění reaktantů do reakční komory. To zahrnuje regulaci průtoku:

• Nosné plyny

• Organokovové prekurzory

• Hydridové plyny
  Systém je vybaven vícecestnými ventily pro přepínání mezi režimy růstu a proplachování.

• Reakční komora
  Srdce systému, kde dochází ke skutečnému růstu materiálu. Mezi jeho součásti patří:

  • Grafitový susceptor (držák substrátu)

  • Topení a teplotní senzory

  • Optické porty pro monitorování na místě

  • Robotická ramena pro automatizované vkládání/vykládání destiček

• Systém kontroly růstu
  Skládá se z programovatelných logických automatů a hostitelského počítače. Ty zajišťují přesné sledování a opakovatelnost v průběhu celého procesu nanášení.

• Monitorování na místě
  Přístroje jako pyrometry a reflektometry měří:

  • Tloušťka filmu

  • Povrchová teplota

  • Zakřivení substrátu
    Ty umožňují zpětnou vazbu a úpravy v reálném čase.

• Systém čištění výfukových plynů
  Zpracovává toxické vedlejší produkty pomocí tepelného rozkladu nebo chemické katalýzy, aby byla zajištěna bezpečnost a shoda s environmentálními předpisy.

Konfigurace sprchové hlavice s uzavřenou spojkou (CCS):

Ve vertikálních reaktorech MOCVD umožňuje konstrukce CCS rovnoměrné vstřikování plynů střídavými tryskami ve sprchové hlavici. To minimalizuje předčasné reakce a zlepšuje rovnoměrné míchání.

• Ten/Ta/Torotující grafitový susceptordále pomáhá homogenizovat mezní vrstvu plynů a zlepšuje tak rovnoměrnost filmu napříč destičkou.

2. Magnetronové naprašování

Magnetronové naprašování je metoda fyzikální depozice z plynné fáze (PVD) široce používaná pro nanášení tenkých vrstev a povlaků, zejména v elektronice, optice a keramice.

Princip fungování:

1. Cílový materiál
   Zdrojový materiál, který má být nanesen – kov, oxid, nitrid atd. – je fixován na katodě.

2. Vakuová komora
   Proces se provádí za vysokého vakua, aby se zabránilo kontaminaci.

3. Generování plazmatu
   Inertní plyn, obvykle argon, je ionizován za vzniku plazmatu.

4. Aplikace magnetického pole
   Magnetické pole omezuje elektrony v blízkosti cíle, aby se zvýšila účinnost ionizace.

5. Proces naprašování
   Ionty bombardují terč a uvolňují atomy, které procházejí komorou a usazují se na substrátu.

Výhody magnetronového naprašování:

• Rovnoměrné nanášení filmunapříč velkými oblastmi.

• Schopnost nanášet komplexní sloučeniny, včetně slitin a keramiky.

• Laditelné parametry procesupro přesnou kontrolu tloušťky, složení a mikrostruktury.

• Vysoká kvalita filmuse silnou přilnavostí a mechanickou pevností.

• Široká kompatibilita materiálů, od kovů po oxidy a nitridy.

• Provoz při nízkých teplotách, vhodné pro teplotně citlivé podklady.

3. Plazmou vylepšená chemická depozice z plynné fáze (PECVD)

PECVD se široce používá pro depozici tenkých vrstev, jako je nitrid křemíku (SiNx), oxid křemičitý (SiO₂) a amorfní křemík.

Princip:

V systému PECVD se prekurzorové plyny zavádějí do vakuové komory, kdeplazma doutnavého výbojese generuje pomocí:

• VF buzení

• Stejnosměrné vysoké napětí

• Mikrovlnné nebo pulzní zdroje

Plazma aktivuje reakce v plynné fázi a vytváří reaktivní částice, které se ukládají na substrátu a vytvářejí tenký film.

Kroky depozice:

1. Tvorba plazmatu
   V důsledku buzení elektromagnetickými poli se prekurzorové plyny ionizují za vzniku reaktivních radikálů a iontů.

2. Reakce a transport
   Tyto druhy procházejí sekundárními reakcemi, když se pohybují směrem k substrátu.

3. Povrchová reakce
   Po dosažení substrátu se adsorbují, reagují a tvoří pevný film. Některé vedlejší produkty se uvolňují ve formě plynů.

Výhody PECVD:

• Vynikající uniformitave složení a tloušťce filmu.

• Silná přilnavosti při relativně nízkých teplotách nanášení.

• Vysoké rychlosti depozice, což ho činí vhodným pro výrobu v průmyslovém měřítku.

4. Techniky charakterizace tenkých vrstev

Pochopení vlastností tenkých vrstev je nezbytné pro kontrolu kvality. Mezi běžné techniky patří:

(1) Rentgenová difrakce (XRD)

• ÚčelAnalyzujte krystalové struktury, mřížkové konstanty a orientace.

• PrincipNa základě Braggova zákona měří, jak se rentgenové záření ohýbá krystalickým materiálem.

• AplikaceKrystalografie, fázová analýza, měření deformace a hodnocení tenkých vrstev.

(2) Skenovací elektronová mikroskopie (SEM)

• ÚčelPozorujte morfologii a mikrostrukturu povrchu.

• Princip: Používá elektronový paprsek ke skenování povrchu vzorku. Detekované signály (např. sekundární a zpětně rozptýlené elektrony) odhalují detaily povrchu.

• AplikaceMateriálové vědy, nanotechnologie, biologie a analýza poruch.

(3) Mikroskopie atomárních sil (AFM)

• ÚčelZobrazení povrchů s atomovým nebo nanometrovým rozlišením.

• PrincipOstrá sonda skenuje povrch a zároveň udržuje konstantní interakční sílu; vertikální posuny generují 3D topografii.

• AplikaceVýzkum nanostruktur, měření drsnosti povrchu, biomolekulární studie.