Kompleksowy przegląd technik osadzania cienkich warstw: MOCVD, rozpylanie magnetronowe i PECVD

W produkcji półprzewodników, choć fotolitografia i trawienie są najczęściej wymienianymi procesami, równie istotne są epitaksjalne i cienkowarstwowe metody osadzania. W niniejszym artykule przedstawiono kilka popularnych metod osadzania cienkowarstwowego stosowanych w produkcji układów scalonych, w tym:MOCVD, rozpylanie magnetronowe, IPECVD.

Dlaczego procesy cienkowarstwowe są niezbędne w produkcji układów scalonych?

Dla przykładu, wyobraź sobie zwykły, upieczony chlebek pita. Sam w sobie może smakować mdło. Jednak smarując powierzchnię różnymi sosami – na przykład pikantną pastą z fasoli lub słodkim syropem słodowym – możesz całkowicie zmienić jego smak. Te wzbogacające smak polewki są podobne do…cienkie warstwyw procesach półprzewodnikowych, podczas gdy sam płaski chleb reprezentujepodłoże.

W produkcji układów scalonych cienkie warstwy pełnią wiele funkcji — izolują, przewodzą, pasywują, pochłaniają światło itd. — a każda funkcja wymaga specyficznej techniki osadzania.

1. Osadzanie chemiczne związków metaloorganicznych z fazy gazowej (MOCVD)

MOCVD to wysoce zaawansowana i precyzyjna technika osadzania wysokiej jakości cienkich warstw półprzewodnikowych i nanostruktur. Odgrywa ona kluczową rolę w produkcji urządzeń takich jak diody LED, lasery i elektronika mocy.

Kluczowe elementy systemu MOCVD:

• System dostarczania gazu
  Odpowiada za precyzyjne wprowadzanie reagentów do komory reakcyjnej. Obejmuje to kontrolę przepływu:

• Gazy nośne

• Prekursory metaloorganiczne

• Gazy wodorowe
  System wyposażony jest w zawory wielodrogowe umożliwiające przełączanie między trybem wzrostu i oczyszczania.

• Komora reakcyjna
  Serce systemu, w którym zachodzi rzeczywisty wzrost materiału. Elementy składowe obejmują:

  • Susceptor grafitowy (uchwyt podłoża)

  • Czujniki grzałki i temperatury

  • Porty optyczne do monitorowania na miejscu

  • Ramiona robotyczne do automatycznego załadunku/rozładunku płytek

• System kontroli wzrostu
  Składa się z programowalnych sterowników logicznych i komputera hosta. Zapewniają one precyzyjne monitorowanie i powtarzalność w całym procesie osadzania.

• Monitorowanie in-situ
  Urządzenia takie jak pirometry i reflektometry mierzą:

  • Grubość filmu

  • Temperatura powierzchni

  • Krzywizna podłoża
    Umożliwiają one przekazywanie informacji zwrotnych i wprowadzanie zmian w czasie rzeczywistym.

• Układ oczyszczania spalin
  Usuwa toksyczne produkty uboczne za pomocą rozkładu termicznego lub katalizy chemicznej, zapewniając bezpieczeństwo i zgodność z przepisami ochrony środowiska.

Konfiguracja głowicy prysznicowej sprzężonej w układzie zamkniętym (CCS):

W pionowych reaktorach MOCVD, konstrukcja CCS umożliwia równomierne wtryskiwanie gazów przez naprzemienne dysze w strukturze głowicy natryskowej. Minimalizuje to przedwczesne reakcje i poprawia równomierne mieszanie.

• Tenobrotowy susceptor grafitowypomaga także ujednorodnić warstwę graniczną gazów, co poprawia jednorodność filmu na całej powierzchni wafla.

2. Rozpylanie magnetronowe

Rozpylanie magnetronowe to metoda fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD), szeroko stosowana do osadzania cienkich warstw i powłok, w szczególności w elektronice, optyce i ceramice.

Zasada działania:

1. Materiał docelowy
   Materiał źródłowy, który ma zostać osadzony — metal, tlenek, azotek itp. — jest mocowany na katodzie.

2. Komora próżniowa
   Proces ten przeprowadzany jest w warunkach wysokiej próżni, aby uniknąć zanieczyszczeń.

3. Generowanie plazmy
   Gaz obojętny, zazwyczaj argon, jest jonizowany w celu utworzenia plazmy.

4. Zastosowanie pola magnetycznego
   Pole magnetyczne ogranicza elektrony do obszaru docelowego, zwiększając w ten sposób wydajność jonizacji.

5. Proces rozpylania
   Jony bombardują cel, wytrącając atomy, które przemieszczają się przez komorę i osadzają się na podłożu.

Zalety rozpylania magnetronowego:

• Jednolita depozycja filmuna dużych obszarach.

• Zdolność do osadzania złożonych związków, w tym stopy i ceramika.

• Strojone parametry procesudo precyzyjnej kontroli grubości, składu i mikrostruktury.

• Wysoka jakość filmuo dużej przyczepności i wytrzymałości mechanicznej.

• Szeroka kompatybilność materiałowaod metali do tlenków i azotków.

• Praca w niskiej temperaturze, nadaje się do podłoży wrażliwych na temperaturę.

3. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej wspomagane plazmą (PECVD)

PECVD jest powszechnie stosowany do osadzania cienkich warstw, takich jak azotek krzemu (SiNx), dwutlenek krzemu (SiO₂) i krzem amorficzny.

Zasada:

W systemie PECVD gazy prekursorowe wprowadzane są do komory próżniowej, w którejplazma jarzeniowajest generowany przy użyciu:

• Wzbudzenie RF

• Wysokie napięcie prądu stałego

• Źródła mikrofalowe lub impulsowe

Plazma aktywuje reakcje fazy gazowej, wytwarzając reaktywne gatunki, które osadzają się na podłożu i tworzą cienką warstwę.

Etapy składania zeznań:

1. Tworzenie plazmy
   Pod wpływem pola elektromagnetycznego gazy prekursorowe ulegają jonizacji, tworząc reaktywne rodniki i jony.

2. Reakcja i transport
   Gatunki te podlegają reakcjom wtórnym w miarę przemieszczania się w kierunku podłoża.

3. Reakcja powierzchniowa
   Po dotarciu do podłoża adsorbują się, reagują i tworzą stałą warstwę. Niektóre produkty uboczne uwalniają się w postaci gazów.

Korzyści PECVD:

• Doskonała jednorodnośćw składzie i grubości folii.

• Silna przyczepnośćnawet przy stosunkowo niskich temperaturach osadzania.

• Wysokie wskaźniki depozytów, co czyni go odpowiednim do produkcji na skalę przemysłową.

4. Techniki charakteryzacji cienkich warstw

Zrozumienie właściwości cienkich warstw jest kluczowe dla kontroli jakości. Typowe techniki obejmują:

(1) Dyfrakcja rentgenowska (XRD)

• Zamiar:Analiza struktur krystalicznych, stałych sieci i orientacji.

• Zasada:Opierając się na prawie Bragga, mierzy, w jaki sposób promienie rentgenowskie ulegają dyfrakcji w materiale krystalicznym.

• Aplikacje: Krystalografia, analiza fazowa, pomiary odkształceń i ocena cienkich warstw.

(2) Mikroskopia elektronowa skaningowa (SEM)

• Zamiar:Obserwuj morfologię i mikrostrukturę powierzchni.

• Zasada: Wykorzystuje wiązkę elektronów do skanowania powierzchni próbki. Wykryte sygnały (np. elektrony wtórne i wstecznie rozproszone) ujawniają szczegóły powierzchni.

• Aplikacje:Nauka o materiałach, nanotechnologia, biologia i analiza awarii.

(3) Mikroskopia sił atomowych (AFM)

• Zamiar:Powierzchnie obrazu mają rozdzielczość atomową lub nanometryczną.

• Zasada:Ostra sonda skanuje powierzchnię, utrzymując stałą siłę oddziaływania; przemieszczenia pionowe generują trójwymiarową topografię.

• Aplikacje:Badania nanostrukturalne, pomiary chropowatości powierzchni, badania biomolekularne.