Išsami plonasluoksnio nusodinimo metodų apžvalga: MOCVD, magnetroninis dulkinimas ir PECVD

Puslaidininkių gamyboje, nors fotolitografija ir ėsdinimas yra dažniausiai minimi procesai, epitaksinės arba plonasluoksnės nusodinimo technologijos yra lygiai tokios pat svarbios. Šiame straipsnyje pristatomi keli įprasti plonasluoksnės nusodinimo metodai, naudojami lustų gamyboje, įskaitantMOCVD, magnetroninis purškimasirPECVD.

Kodėl plonasluoksniai procesai yra būtini lustų gamyboje?

Iliustracijai įsivaizduokite paprastą keptą paplotėlį. Vienas jis gali būti blankaus skonio. Tačiau aptepę paviršių įvairiais padažais, pavyzdžiui, pikantiška pupelių tyre ar saldžiu salyklo sirupu, galite visiškai pakeisti jo skonį. Šie skonį sustiprinantys apvalkalai yra panašūs įplonos plėvelėspuslaidininkių procesuose, o pats paplotėlis yrasubstratas.

Lustų gamyboje plonos plėvelės atlieka daugybę funkcinių vaidmenų – izoliaciją, laidumą, pasyvavimą, šviesos absorbciją ir kt. – ir kiekvienai funkcijai reikalingas specifinis nusodinimo būdas.

1. Metalo-organinis cheminis garų nusodinimas (MOCVD)

MOCVD yra itin pažangi ir tiksli technika, naudojama aukštos kokybės puslaidininkinių plonų plėvelių ir nanostruktūrų nusodinimui. Ji atlieka lemiamą vaidmenį gaminant tokius prietaisus kaip šviesos diodai, lazeriai ir galios elektronika.

Pagrindiniai MOCVD sistemos komponentai:

• Dujų tiekimo sistema
  Atsakingas už tikslų reagentų įvedimą į reakcijos kamerą. Tai apima srauto valdymą:

• Nešiklio dujos

• Metalo-organinių medžiagų pirmtakai

• Hidrido dujos
  Sistemoje yra daugiakanaliai vožtuvai, skirti perjungti augimo ir prapūtimo režimus.

• Reakcijos kamera
  Sistemos širdis, kurioje vyksta tikrasis medžiagų augimas. Komponentai:

  • Grafito susceptorius (substrato laikiklis)

  • Šildytuvo ir temperatūros jutikliai

  • Optiniai prievadai stebėjimui vietoje

  • Robotinės rankos automatiniam plokštelių pakrovimui / iškrovimui

• Augimo kontrolės sistema
  Susideda iš programuojamų loginių valdiklių ir pagrindinio kompiuterio. Jie užtikrina tikslų stebėjimą ir pakartojamumą viso nusodinimo proceso metu.

• Stebėjimas vietoje
  Tokie įrankiai kaip pirometrai ir reflektometrai matuoja:

  • Plėvelės storis

  • Paviršiaus temperatūra

  • Pagrindo kreivumas
    Tai leidžia gauti grįžtamąjį ryšį ir atlikti korekcijas realiuoju laiku.

• Išmetamųjų dujų apdorojimo sistema
  Toksiški šalutiniai produktai apdorojami terminio skaidymo arba cheminės katalizės būdu, siekiant užtikrinti saugą ir atitiktį aplinkosaugos reikalavimams.

Uždaros dušo galvutės (CCS) konfigūracija:

Vertikaliuose MOCVD reaktoriuose CCS konstrukcija leidžia dujas tolygiai įpurkšti per pakaitomis išdėstytus purkštukus dušo galvutės struktūroje. Tai sumažina priešlaikines reakcijas ir pagerina vienodą maišymą.

• Thebesisukantis grafito susceptoriusdar labiau padeda homogenizuoti dujų ribinį sluoksnį, pagerindamas plėvelės vienodumą visoje plokštelėje.

2. Magnetroninis purškimas

Magnetroninis dulkinimas yra fizikinis garų nusodinimo (PVD) metodas, plačiai naudojamas plonoms plėvelėms ir dangoms nusodinti, ypač elektronikoje, optikoje ir keramikoje.

Veikimo principas:

1. Tikslinė medžiaga
   Nusodinama pirminė medžiaga – metalas, oksidas, nitridas ir kt. – pritvirtinama ant katodo.

2. Vakuuminė kamera
   Procesas atliekamas aukšto vakuumo sąlygomis, siekiant išvengti užteršimo.

3. Plazmos generavimas
   Inertinės dujos, paprastai argonas, jonizuojamos, kad susidarytų plazma.

4. Magnetinio lauko taikymas
   Magnetinis laukas sulaiko elektronus šalia taikinio, kad padidintų jonizacijos efektyvumą.

5. Purškimo procesas
   Jonai bombarduoja taikinį, išstumdami atomus, kurie keliauja per kamerą ir nusėda ant pagrindo.

Magnetroninio purškimo privalumai:

• Vienodas plėvelės nusodinimasdideliuose plotuose.

• Gebėjimas nusodinti sudėtingus junginius, įskaitant lydinius ir keramiką.

• Derinami proceso parametraitiksliam storio, sudėties ir mikrostruktūros valdymui.

• Aukšta filmo kokybėpasižymi stipriu sukibimu ir mechaniniu stiprumu.

• Platus medžiagų suderinamumas, nuo metalų iki oksidų ir nitridų.

• Žemos temperatūros veikimas, tinka temperatūrai jautriems pagrindams.

3. Plazma sustiprintas cheminis garų nusodinimas (PECVD)

PECVD plačiai naudojamas plonų plėvelių, tokių kaip silicio nitridas (SiNx), silicio dioksidas (SiO₂) ir amorfinis silicis, nusodinimui.

Principas:

PECVD sistemoje pirmtakinės dujos įleidžiamos į vakuuminę kamerą, kurioješvytėjimo išlydžio plazmageneruojamas naudojant:

• RF sužadinimas

• Nuolatinė aukšta įtampa

• Mikrobangų arba impulsiniai šaltiniai

Plazma aktyvuoja dujų fazės reakcijas, sukurdama reaktyviąsias medžiagas, kurios nusėda ant substrato ir sudaro ploną plėvelę.

Nusodinimo etapai:

1. Plazmos susidarymas
   Elektromagnetinių laukų sužadintos pirmtakinės dujos jonizuojasi ir sudaro reaktyvius radikalus bei jonus.

2. Reakcija ir transportas
   Šios rūšys, judėdamos link substrato, patiria antrines reakcijas.

3. Paviršiaus reakcija
   Pasiekę substratą, jie adsorbuojasi, reaguoja ir sudaro kietą plėvelę. Kai kurie šalutiniai produktai išsiskiria dujų pavidalu.

PECVD privalumai:

• Puikus vienodumasplėvelės sudėtyje ir storyje.

• Stiprus sukibimasnet ir esant santykinai žemai nusodinimo temperatūrai.

• Didelis nusodinimo greitis, todėl tinka pramoninio masto gamybai.

4. Plonų sluoksnių charakterizavimo metodai

Plonų plėvelių savybių supratimas yra būtinas kokybės kontrolei. Įprasti metodai apima:

(1) Rentgeno spindulių difrakcija (XRD)

• Tikslas: Analizuokite kristalų struktūras, gardelių konstantas ir orientacijas.

• PrincipasRemiantis Brago dėsniu, matuoja, kaip rentgeno spinduliai difraktuoja per kristalinę medžiagą.

• ParaiškosKristalografija, fazinė analizė, deformacijos matavimas ir plonų sluoksnių vertinimas.

(2) Skenuojanti elektroninė mikroskopija (SEM)

• TikslasStebėkite paviršiaus morfologiją ir mikrostruktūrą.

• Principas: Mėginio paviršiui nuskaityti naudojamas elektronų pluoštas. Aptikti signalai (pvz., antriniai ir atgal išsklaidyti elektronai) atskleidžia paviršiaus detales.

• ParaiškosMedžiagų mokslas, nanotechnologijos, biologija ir gedimų analizė.

(3) Atominės jėgos mikroskopija (AFM)

• TikslasVaizdo paviršiai atomine arba nanometrine skiriamąja geba.

• PrincipasAštrus zondas skenuoja paviršių, palaikydamas pastovią sąveikos jėgą; vertikalūs poslinkiai sukuria 3D topografiją.

• ParaiškosNanostruktūros tyrimai, paviršiaus šiurkštumo matavimas, biomolekuliniai tyrimai.