Celovit pregled tehnik nanašanja tankih filmov: MOCVD, magnetronsko razprševanje in PECVD

V proizvodnji polprevodnikov sta fotolitografija in jedkanje najpogosteje omenjena postopka, vendar so epitaksialne tehnike nanašanja tankih filmov enako pomembne. Ta članek predstavlja več pogostih metod nanašanja tankih filmov, ki se uporabljajo pri izdelavi čipov, vključno zMOCVD, magnetronsko naprševanjeinPECVD.

Zakaj so postopki tankih filmov bistveni pri proizvodnji čipov?

Za ponazoritev si predstavljajte navaden pečen ploščat kruh. Sam po sebi je morda blagega okusa. Če pa površino premažete z različnimi omakami – kot je slana fižolova pasta ali sladki sladni sirup –, lahko njegov okus popolnoma spremenite. Ti premazi za izboljšanje okusa so podobnitanke plastiv polprevodniških procesih, medtem ko ploščati kruh sam predstavljasubstrat.

Pri izdelavi čipov tanke plasti opravljajo številne funkcionalne vloge – izolacijo, prevodnost, pasivizacijo, absorpcijo svetlobe itd. – in vsaka funkcija zahteva posebno tehniko nanašanja.

1. Kovinsko-organsko kemično nanašanje iz parne faze (MOCVD)

MOCVD je zelo napredna in natančna tehnika, ki se uporablja za nanašanje visokokakovostnih polprevodniških tankih filmov in nanostruktur. Igra ključno vlogo pri izdelavi naprav, kot so LED diode, laserji in močnostna elektronika.

Ključne komponente sistema MOCVD:

• Sistem za dovod plina
  Odgovoren za natančno vnašanje reaktantov v reakcijsko komoro. To vključuje nadzor pretoka:

• Nosilni plini

• Kovinsko-organski predhodniki

• Hidridni plini
  Sistem ima večpotne ventile za preklapljanje med načinoma rasti in prepihovanja.

• Reakcijska komora
  Srce sistema, kjer se dejansko dogaja rast materiala. Komponente vključujejo:

  • Grafitni suceptor (nosilec podlage)

  • Grelec in temperaturni senzorji

  • Optična vrata za spremljanje na terenu

  • Robotske roke za avtomatizirano nalaganje/razlaganje rezin

• Sistem za nadzor rasti
  Sestavljen je iz programabilnih logičnih krmilnikov in gostiteljskega računalnika. Ti zagotavljajo natančno spremljanje in ponovljivost skozi celoten postopek nanašanja.

• Spremljanje na terenu
  Orodja, kot so pirometri in reflektometri, merijo:

  • Debelina filma

  • Temperatura površine

  • Ukrivljenost podlage
    To omogoča povratne informacije in prilagajanje v realnem času.

• Sistem za čiščenje izpušnih plinov
  Obdeluje strupene stranske produkte s termično razgradnjo ali kemično katalizo, da zagotovi varnost in okoljsko skladnost.

Konfiguracija tuša z zaprto sklopko (CCS):

V vertikalnih reaktorjih MOCVD zasnova CCS omogoča enakomerno vbrizgavanje plinov skozi izmenične šobe v strukturi pršne glave. To zmanjšuje prezgodnje reakcije in izboljšuje enakomerno mešanje.

• Thevrteči se grafitni susceptordodatno pomaga homogenizirati mejno plast plinov, kar izboljša enakomernost filma po celotni rezini.

2. Magnetronsko razprševanje

Magnetronsko naprševanje je metoda fizikalnega nanašanja s paro (PVD), ki se pogosto uporablja za nanašanje tankih filmov in premazov, zlasti v elektroniki, optiki in keramiki.

Načelo delovanja:

1. Ciljni material
   Izvorni material, ki ga je treba nanesti – kovina, oksid, nitrid itd. – je fiksiran na katodi.

2. Vakuumska komora
   Postopek se izvaja pod visokim vakuumom, da se prepreči kontaminacija.

3. Generiranje plazme
   Inertni plin, običajno argon, se ionizira in tvori plazmo.

4. Uporaba magnetnega polja
   Magnetno polje omejuje elektrone v bližini tarče, da poveča učinkovitost ionizacije.

5. Postopek brizganja
   Ioni bombardirajo tarčo in pri tem izrivajo atome, ki potujejo skozi komoro in se odlagajo na substrat.

Prednosti magnetronskega razprševanja:

• Enakomerno nanašanje filmapo velikih območjih.

• Zmožnost nanašanja kompleksnih spojin, vključno z zlitinami in keramiko.

• Nastavljivi procesni parametriza natančen nadzor debeline, sestave in mikrostrukture.

• Visoka kakovost filmaz močno adhezijo in mehansko trdnostjo.

• Široka združljivost materialov, od kovin do oksidov in nitridov.

• Delovanje pri nizkih temperaturah, primerno za temperaturno občutljive podlage.

3. Plazemsko izboljšano kemično nanašanje iz pare (PECVD)

PECVD se pogosto uporablja za nanašanje tankih filmov, kot so silicijev nitrid (SiNx), silicijev dioksid (SiO₂) in amorfni silicij.

Načelo:

V sistemu PECVD se predhodni plini vnesejo v vakuumsko komoro, kjerplazma s tlečim razelektritvijose generira z uporabo:

• RF vzbujanje

• Visoka enosmerna napetost

• Mikrovalovni ali impulzni viri

Plazma aktivira plinskofazne reakcije, pri čemer nastanejo reaktivne snovi, ki se odlagajo na substrat in tvorijo tanek film.

Koraki nanašanja:

1. Nastanek plazme
   Vzbujeni z elektromagnetnimi polji, prekurzorski plini ionizirajo in tvorijo reaktivne radikale in ione.

2. Reakcija in transport
   Te vrste se med premikanjem proti substratu podvržejo sekundarnim reakcijam.

3. Površinska reakcija
   Ko dosežejo substrat, se adsorbirajo, reagirajo in tvorijo trdno plast. Nekateri stranski produkti se sproščajo kot plini.

Prednosti PECVD:

• Odlična enakomernostv sestavi in ​​debelini filma.

• Močna adhezijatudi pri relativno nizkih temperaturah nanašanja.

• Visoke stopnje nanašanja, zaradi česar je primeren za industrijsko proizvodnjo.

4. Tehnike karakterizacije tankih filmov

Razumevanje lastnosti tankih filmov je bistvenega pomena za nadzor kakovosti. Med običajne tehnike spadajo:

(1) Rentgenska difrakcija (XRD)

• NamenAnalizirajte kristalne strukture, konstante mreže in orientacije.

• NačeloNa podlagi Braggsovega zakona meri, kako se rentgenski žarki uklonijo skozi kristalni material.

• AplikacijeKristalografija, fazna analiza, merjenje deformacij in vrednotenje tankih filmov.

(2) Vrstična elektronska mikroskopija (SEM)

• NamenOpazujte morfologijo in mikrostrukturo površine.

• Načelo: Za skeniranje površine vzorca uporablja elektronski žarek. Zaznani signali (npr. sekundarni in nazaj sipani elektroni) razkrivajo podrobnosti površine.

• AplikacijeZnanost o materialih, nanotehnologija, biologija in analiza odpovedi.

(3) Mikroskopija atomskih sil (AFM)

• NamenSlikovne površine z atomsko ali nanometrsko ločljivostjo.

• NačeloOstra sonda skenira površino, hkrati pa ohranja konstantno silo interakcije; navpični premiki ustvarjajo 3D topografijo.

• AplikacijeRaziskave nanostruktur, merjenje hrapavosti površin, biomolekularne študije.