A vékonyréteg-leválasztási technikák átfogó áttekintése: MOCVD, magnetronos porlasztás és PECVD

A félvezetőgyártásban, míg a fotolitográfia és a maratás a leggyakrabban említett eljárások, az epitaxiális vagy vékonyréteg-leválasztási technikák ugyanolyan fontosak. Ez a cikk számos, a chipgyártásban használt elterjedt vékonyréteg-leválasztási módszert mutat be, beleértve a következőket:MOCVD, magnetron porlasztás, ésPECVD.

Miért elengedhetetlenek a vékonyréteg-eljárások a chipgyártásban?

Szemléltetésképpen képzeljünk el egy sima, sült lepényt. Önmagában ízetlen lehet. Azonban, ha a felületét különböző szószokkal – például sós babpürével vagy édes malátasziruppal – kenjük meg, teljesen megváltoztathatjuk az ízét. Ezek az ízfokozó bevonatok hasonlóak a…vékony filmeka félvezető folyamatokban, míg maga a lepénykenyér aszubsztrát.

A chipgyártás során a vékonyrétegek számos funkcionális szerepet töltenek be – szigetelés, vezetőképesség, passziválás, fényelnyelés stb. –, és minden funkcióhoz speciális leválasztási technikát igényel.

1. Fémszerves kémiai gőzfázisú leválasztás (MOCVD)

Az MOCVD egy rendkívül fejlett és precíz technika, amelyet kiváló minőségű félvezető vékonyrétegek és nanoszerkezetek leválasztására használnak. Kulcsfontosságú szerepet játszik olyan eszközök gyártásában, mint a LED-ek, lézerek és teljesítményelektronika.

Az MOCVD rendszer főbb elemei:

• Gázszállító rendszer
  Felelős a reagensek pontos bejuttatásáért a reakciókamrába. Ez magában foglalja az áramlásszabályozást:

• Vivőgázok

• Fémorganikus prekurzorok

• Hidrid gázok
  A rendszer többutas szelepekkel rendelkezik a növekedési és az öblítési módok közötti váltáshoz.

• Reakciókamra
  A rendszer lelke, ahol a tényleges anyagnövekedés történik. Az összetevők a következők:

  • Grafit szuszceptor (szubsztrát tartó)

  • Fűtő- és hőmérséklet-érzékelők

  • Optikai portok helyszíni monitorozáshoz

  • Robotkarok az ostyák automatizált be- és kirakodásához

• Növekedésszabályozó rendszer
  Programozható logikai vezérlőkből és egy gazdaszámítógépből áll. Ezek biztosítják a precíz felügyeletet és az ismételhetőséget a leválasztási folyamat során.

• Helyi monitorozás
  Az olyan eszközök, mint a pirométerek és a reflektométerek, a következőket mérik:

  • Fólia vastagsága

  • Felületi hőmérséklet

  • Hordozó görbülete
    Ezek lehetővé teszik a valós idejű visszajelzést és beállítást.

• Kipufogógáz-kezelő rendszer
  A mérgező melléktermékeket termikus bomlással vagy kémiai katalízissel kezeli a biztonság és a környezetvédelmi előírások betartása érdekében.

Zárt kapcsolású zuhanyfej (CCS) konfiguráció:

A függőleges MOCVD reaktorokban a CCS kialakítás lehetővé teszi a gázok egyenletes befecskendezését váltakozó fúvókákon keresztül egy zuhanyfej-szerkezetben. Ez minimalizálja a korai reakciókat és javítja az egyenletes keveredést.

• Aforgó grafit szuszceptortovábbá segít homogenizálni a gázok határrétegét, javítva a film egyenletességét a lapkán.

2. Magnetron porlasztás

A magnetronos porlasztás egy fizikai gőzfázisú leválasztási (PVD) módszer, amelyet széles körben használnak vékonyrétegek és bevonatok lerakására, különösen az elektronikában, az optikában és a kerámiában.

Működési elv:

1. Célanyag
   A lerakandó alapanyagot – fémet, oxidot, nitridet stb. – egy katódon rögzítik.

2. Vákuumkamra
   A folyamatot nagy vákuum alatt végzik a szennyeződés elkerülése érdekében.

3. Plazmageneráció
   Egy inert gázt, jellemzően argont, ionizálnak plazma előállítására.

4. Mágneses mező alkalmazása
   A mágneses mező az elektronokat a céltárgy közelében tartja, hogy fokozza az ionizáció hatékonyságát.

5. Porlasztási folyamat
   Az ionok bombázzák a célpontot, kimozdítva az atomokat, amelyek áthaladnak a kamrán és lerakódnak a hordozóra.

A magnetronos porlasztás előnyei:

• Egyenletes filmlerakódásnagy területeken át.

• Komplex vegyületek lerakódásának képessége, beleértve az ötvözeteket és a kerámiákat is.

• Hangolható folyamatparamétereka vastagság, az összetétel és a mikroszerkezet pontos szabályozásához.

• Kiváló filmminőségerős tapadású és mechanikai szilárdságú.

• Széleskörű anyagkompatibilitás, a fémektől az oxidokig és nitridekig.

• Alacsony hőmérsékletű működés, hőmérsékletre érzékeny aljzatokhoz alkalmas.

3. Plazma-erősítésű kémiai gőzfázisú leválasztás (PECVD)

A PECVD-t széles körben használják vékony filmek, például szilícium-nitrid (SiNx), szilícium-dioxid (SiO₂) és amorf szilícium leválasztására.

Alapelv:

Egy PECVD rendszerben a prekurzor gázokat egy vákuumkamrába vezetik, ahol egyfénykisüléses plazmaa következő használatával generálódik:

• RF gerjesztés

• nagyfeszültségű egyenáramú

• Mikrohullámú vagy impulzusos források

A plazma aktiválja a gázfázisú reakciókat, reaktív anyagokat hozva létre, amelyek vékony filmet képezve lerakódnak a hordozón.

Lerakódási lépések:

1. Plazmaképződés
   Elektromágneses mezők gerjesztésére a prekurzor gázok ionizálódnak, reaktív gyököket és ionokat képezve.

2. Reakció és szállítás
   Ezek a fajok másodlagos reakciókon mennek keresztül, amikor a szubsztrát felé haladnak.

3. Felületi reakció
   Az aljzathoz érve adszorbeálódnak, reakcióba lépnek és szilárd filmet képeznek. Egyes melléktermékek gáz formájában szabadulnak fel.

PECVD előnyei:

• Kiváló egyenletességa film összetételében és vastagságában.

• Erős tapadásmég viszonylag alacsony lerakódási hőmérsékleten is.

• Magas lerakódási sebesség, így alkalmassá téve ipari méretű termelésre.

4. Vékonyréteg-jellemzési technikák

A vékonyrétegek tulajdonságainak megértése elengedhetetlen a minőségellenőrzéshez. A gyakori technikák a következők:

(1) Röntgendiffrakció (XRD)

• CélKristályszerkezetek, rácsállandók és orientációk elemzése.

• AlapelvBragg törvényén alapulva, azt méri, hogy a röntgensugarak hogyan diffraktálódnak egy kristályos anyagon keresztül.

• AlkalmazásokKristálytani vizsgálatok, fázisanalízis, feszültségmérés és vékonyréteg-vizsgálat.

(2) Pásztázó elektronmikroszkópia (SEM)

• CélFigyeljük meg a felület morfológiáját és mikroszerkezetét.

• AlapelvElektronsugarat használ a minta felületének pásztázására. A detektált jelek (pl. másodlagos és visszaszórt elektronok) feltárják a felület részleteit.

• AlkalmazásokAnyagtudomány, nanotechnológia, biológia és hibaanalízis.

(3) Atomi erőmikroszkópia (AFM)

• Cél: Felületek képalkotása atomi vagy nanométeres felbontásban.

• AlapelvEgy éles szonda állandó kölcsönhatási erő fenntartása mellett pásztázza a felületet; a függőleges elmozdulások 3D-s topográfiát hoznak létre.

• AlkalmazásokNanoszerkezet-kutatás, felületi érdességmérés, biomolekuláris vizsgálatok.