Пълен преглед на техниките за отлагане на тънки филми: MOCVD, магнетронно разпрашване и PECVD

В производството на полупроводници, макар фотолитографията и ецването да са най-често споменаваните процеси, епитаксиалните или тънкослойните техники за отлагане са също толкова важни. Тази статия представя няколко често срещани метода за тънкослойно отлагане, използвани при производството на чипове, включителноMOCVD, магнетронно разпрашванеиPECVD.

Защо тънкослойните процеси са важни в производството на чипове?

За илюстрация, представете си обикновен изпечен плосък хляб. Сам по себе си може да има безвкусен вкус. Въпреки това, като намажете повърхността му с различни сосове – като солена паста от боб или сладък малцов сироп – можете напълно да промените вкуса му. Тези покрития, подобряващи вкуса, са подобни натънки филмив полупроводниковите процеси, докато самият плосък хляб представлявасубстрат.

При производството на чипове, тънките слоеве изпълняват множество функционални роли – изолация, проводимост, пасивация, абсорбция на светлина и др. – и всяка функция изисква специфична техника на отлагане.

1. Металоорганично химическо отлагане от газова фаза (MOCVD)

MOCVD е високотехнологична и прецизна техника, използвана за отлагане на висококачествени полупроводникови тънки филми и наноструктури. Тя играе ключова роля в производството на устройства като светодиоди, лазери и силова електроника.

Ключови компоненти на MOCVD система:

• Система за подаване на газ
  Отговаря за прецизното въвеждане на реагенти в реакционната камера. Това включва контрол на потока на:

• Газове-носители

• Металоорганични прекурсори

• Хидридни газове
  Системата разполага с многопътни клапани за превключване между режими на растеж и продухване.

• Реакционна камера
  Сърцето на системата, където се осъществява действителният растеж на материала. Компонентите включват:

  • Графитен приемник (държач на субстрата)

  • Нагревател и температурни сензори

  • Оптични портове за наблюдение на място

  • Роботизирани рамена за автоматизирано зареждане/разтоварване на пластини

• Система за контрол на растежа
  Състои се от програмируеми логически контролери и хост компютър. Те осигуряват прецизен мониторинг и повторяемост по време на целия процес на отлагане.

• Мониторинг на място
  Инструменти като пирометри и рефлектометри измерват:

  • Дебелина на филма

  • Температура на повърхността

  • Кривина на субстрата
    Те позволяват обратна връзка и корекции в реално време.

• Система за третиране на отработените газове
  Третира токсични странични продукти чрез термично разлагане или химическа катализа, за да гарантира безопасност и екологично съответствие.

Конфигурация на душ със затворена връзка (CCS):

Във вертикалните MOCVD реактори, CCS дизайнът позволява равномерно впръскване на газове през редуващи се дюзи в конструкция с душ. Това минимизира преждевременните реакции и подобрява равномерното смесване.

• Theвъртящ се графитен токусептордопълнително спомага за хомогенизиране на граничния слой от газове, подобрявайки еднородността на филма по цялата пластина.

2. Магнетронно разпрашване

Магнетронното разпрашване е метод за физическо отлагане от пари (PVD), широко използван за отлагане на тънки филми и покрития, особено в електрониката, оптиката и керамиката.

Принцип на работа:

1. Целеви материал
   Изходният материал, който ще се отлага – метал, оксид, нитрид и др. – се фиксира върху катод.

2. Вакуумна камера
   Процесът се извършва под висок вакуум, за да се избегне замърсяване.

3. Генериране на плазма
   Инертен газ, обикновено аргон, се йонизира, за да образува плазма.

4. Приложение на магнитно поле
   Магнитно поле ограничава електроните близо до целта, за да подобри ефективността на йонизацията.

5. Процес на разпрашване
   Йоните бомбардират мишената, отделяйки атоми, които преминават през камерата и се отлагат върху субстрата.

Предимства на магнетронното разпрашване:

• Равномерно отлагане на филмв големи площи.

• Възможност за отлагане на сложни съединения, включително сплави и керамика.

• Настройваеми параметри на процесаза прецизен контрол на дебелината, състава и микроструктурата.

• Високо качество на филмасъс силна адхезия и механична якост.

• Широка съвместимост с материалите, от метали до оксиди и нитриди.

• Работа при ниски температури, подходящ за температурно чувствителни основи.

3. Плазмено-усилено химическо отлагане от газова фаза (PECVD)

PECVD се използва широко за отлагане на тънки филми като силициев нитрид (SiNx), силициев диоксид (SiO₂) и аморфен силиций.

Принцип:

В PECVD система, прекурсорните газове се въвеждат във вакуумна камера, къдетоплазма от тлеещ разрядсе генерира с помощта на:

• RF възбуждане

• DC високо напрежение

• Микровълнови или импулсни източници

Плазмата активира реакциите в газова фаза, генерирайки реактивни частици, които се отлагат върху субстрата, образувайки тънък филм.

Стъпки на отлагане:

1. Образуване на плазма
   Възбудени от електромагнитни полета, прекурсорните газове йонизират, за да образуват реактивни радикали и йони.

2. Реакция и транспорт
   Тези видове претърпяват вторични реакции, докато се движат към субстрата.

3. Повърхностна реакция
   При достигане на субстрата, те адсорбират, реагират и образуват твърд филм. Някои странични продукти се отделят като газове.

Предимства на PECVD:

• Отлична еднородноств състава и дебелината на филма.

• Силна адхезиядори при относително ниски температури на отлагане.

• Високи скорости на отлагане, което го прави подходящ за производство в промишлен мащаб.

4. Техники за характеризиране на тънки филми

Разбирането на свойствата на тънките слоеве е от съществено значение за контрола на качеството. Често срещаните техники включват:

(1) Рентгенова дифракция (XRD)

• ЦелАнализирайте кристални структури, константи на решетката и ориентации.

• ПринципВъз основа на закона на Браг, измерва как рентгеновите лъчи преминават през кристален материал.

• ПриложенияКристалография, фазов анализ, измерване на деформация и оценка на тънки филми.

(2) Сканираща електронна микроскопия (SEM)

• ЦелНаблюдавайте морфологията и микроструктурата на повърхността.

• ПринципИзползва електронен лъч за сканиране на повърхността на пробата. Детектираните сигнали (напр. вторични и обратно разсеяни електрони) разкриват детайли на повърхността.

• ПриложенияМатериалознание, нанотехнологии, биология и анализ на повреди.

(3) Атомно-силова микроскопия (АСМ)

• ЦелИзображения на повърхности с атомна или нанометрова резолюция.

• ПринципОстра сонда сканира повърхността, като същевременно поддържа постоянна сила на взаимодействие; вертикалните премествания генерират 3D топография.

• ПриложенияИзследване на наноструктури, измерване на грапавост на повърхността, биомолекулни изследвания.