Visaptverošs plānslāņu kārtiņu uzklāšanas metožu pārskats: MOCVD, magnetrona izsmidzināšana un PECVD

Pusvadītāju ražošanā, lai gan fotolitogrāfija un kodināšana ir visbiežāk minētie procesi, epitaksiālās jeb plāno kārtiņu uzklāšanas metodes ir tikpat svarīgas. Šajā rakstā ir aprakstītas vairākas izplatītas plāno kārtiņu uzklāšanas metodes, ko izmanto mikroshēmu ražošanā, tostarpMOCVD, magnetrona izsmidzināšana, unPECVD.

Kāpēc plānplēves procesi ir svarīgi mikroshēmu ražošanā?

Lai ilustrētu, iedomājieties vienkāršu plāceni. Pats par sevi tas varētu garšot bezgaršīgi. Tomēr, apsmērējot virsmu ar dažādām mērcēm, piemēram, pikantu pupiņu pastu vai saldu iesala sīrupu, jūs varat pilnībā mainīt tā garšu. Šie garšu uzlabojošie pārklājumi ir līdzīgiplānas plēvespusvadītāju procesos, savukārt pati plācenīte pārstāvsubstrāts.

Mikroshēmu ražošanā plānās kārtiņas pilda daudzas funkcionālas lomas — izolāciju, vadītspēju, pasivāciju, gaismas absorbciju utt. —, un katrai funkcijai ir nepieciešama īpaša uzklāšanas tehnika.

1. Metālorganiskā ķīmiskā tvaiku pārklāšana (MOCVD)

MOCVD ir ļoti progresīva un precīza metode, ko izmanto augstas kvalitātes pusvadītāju plāno plēvju un nanostruktūru uzklāšanai. Tai ir izšķiroša nozīme tādu ierīču kā gaismas diožu, lāzeru un jaudas elektronikas ražošanā.

MOCVD sistēmas galvenās sastāvdaļas:

• Gāzes piegādes sistēma
  Atbildīgs par precīzu reaģentu ievadīšanu reakcijas kamerā. Tas ietver plūsmas kontroli:

• Nesējgāzes

• Metālorganiskie prekursori

• Hidrīda gāzes
  Sistēmai ir daudzceļu vārsti pārslēgšanai starp augšanas un attīrīšanas režīmiem.

• Reakcijas kamera
  Sistēmas sirds, kurā notiek faktiskā materiāla augšana. Sastāvdaļas ietver:

  • Grafīta susceptors (substrāta turētājs)

  • Sildītāja un temperatūras sensori

  • Optiskie porti uzraudzībai uz vietas

  • Robotizētas rokas automātiskai vafeļu iekraušanai/izkraušanai

• Augšanas kontroles sistēma
  Sastāv no programmējamiem loģiskiem kontrolleriem un resursdatora. Tie nodrošina precīzu uzraudzību un atkārtojamību visā uzklāšanas procesā.

• Uzraudzība uz vietas
  Tādi instrumenti kā pirometri un reflektometri mēra:

  • Plēves biezums

  • Virsmas temperatūra

  • Substrāta izliekums
    Tie nodrošina atgriezenisko saiti un pielāgošanu reāllaikā.

• Izplūdes gāzu attīrīšanas sistēma
  Apstrādā toksiskus blakusproduktus, izmantojot termisko sadalīšanos vai ķīmisko katalīzi, lai nodrošinātu drošību un atbilstību vides prasībām.

Slēgta tipa dušas galvas (CCS) konfigurācija:

Vertikālajos MOCVD reaktoros CCS konstrukcija ļauj vienmērīgi ievadīt gāzes caur mainīgām sprauslām dušas galvas konstrukcijā. Tas samazina priekšlaicīgas reakcijas un uzlabo vienmērīgu sajaukšanos.

• Therotējošs grafīta susceptorsvēl vairāk palīdz homogenizēt gāzu robežslāni, uzlabojot plēves vienmērīgumu visā vafelē.

2. Magnetrona izsmidzināšana

Magnetrona izsmidzināšana ir fizikāla tvaiku uzklāšanas (PVD) metode, ko plaši izmanto plānu plēvju un pārklājumu uzklāšanai, īpaši elektronikā, optikā un keramikā.

Darbības princips:

1. Mērķa materiāls
   Uz katoda tiek fiksēts nogulsnējamais izejmateriāls — metāls, oksīds, nitrīds utt.

2. Vakuuma kamera
   Process tiek veikts augstā vakuumā, lai izvairītos no piesārņojuma.

3. Plazmas ģenerēšana
   Inerta gāze, parasti argons, tiek jonizēta, veidojot plazmu.

4. Magnētiskā lauka pielietojums
   Magnētiskais lauks ierobežo elektronus mērķa tuvumā, lai uzlabotu jonizācijas efektivitāti.

5. Izsmidzināšanas process
   Joni bombardē mērķi, izspiežot atomus, kas pārvietojas caur kameru un nogulsnējas uz substrāta.

Magnetrona izsmidzināšanas priekšrocības:

• Vienveidīga plēves nogulsnēšanāsplašās teritorijās.

• Spēja nogulsnēt sarežģītus savienojumus, ieskaitot sakausējumus un keramiku.

• Regulējami procesa parametriprecīzai biezuma, sastāva un mikrostruktūras kontrolei.

• Augsta filmu kvalitātear spēcīgu saķeri un mehānisko izturību.

• Plaša materiālu saderība, no metāliem līdz oksīdiem un nitrīdiem.

• Darbība zemā temperatūrā, piemērots temperatūrai jutīgiem substrātiem.

3. Ar plazmu pastiprināta ķīmiskā tvaiku pārklāšana (PECVD)

PECVD plaši izmanto plānu kārtiņu, piemēram, silīcija nitrīda (SiNx), silīcija dioksīda (SiO₂) un amorfā silīcija, nogulsnēšanai.

Princips:

PECVD sistēmā prekursoru gāzes tiek ievadītas vakuuma kamerā, kurkvēlojošā izlādes plazmatiek ģenerēts, izmantojot:

• RF ierosme

• Līdzstrāvas augstspriegums

• Mikroviļņu vai impulsa avoti

Plazma aktivizē gāzes fāzes reakcijas, radot reaģējošas vielas, kas nogulsnējas uz substrāta, veidojot plānu plēvīti.

Nogulsnēšanas soļi:

1. Plazmas veidošanās
   Elektromagnētisko lauku ierosinātas prekursoru gāzes jonizējas, veidojot reaktīvus radikāļus un jonus.

2. Reakcija un transports
   Šīs sugas, virzoties uz substrātu, piedzīvo sekundāras reakcijas.

3. Virsmas reakcija
   Sasniedzot substrātu, tie adsorbējas, reaģē un veido cietu plēvi. Daži blakusprodukti izdalās gāzu veidā.

PECVD priekšrocības:

• Lieliska vienveidībaplēves sastāvā un biezumā.

• Spēcīga saķerepat relatīvi zemās nogulsnēšanās temperatūrās.

• Augsts nogulsnēšanās ātrums, padarot to piemērotu rūpnieciskai ražošanai.

4. Plānās plēves raksturošanas metodes

Izpratne par plāno plēvju īpašībām ir būtiska kvalitātes kontrolei. Izplatītākās metodes ietver:

(1) Rentgenstaru difrakcija (XRD)

• MērķisAnalizēt kristāla struktūras, režģa konstantes un orientācijas.

• PrincipsBalstoties uz Brega likumu, mēra, kā rentgenstari difraktē caur kristālisku materiālu.

• PieteikumiKristalogrāfija, fāžu analīze, deformācijas mērīšana un plāno kārtiņu novērtēšana.

(2) Skenējošā elektronmikroskopija (SEM)

• MērķisNovērot virsmas morfoloģiju un mikrostruktūru.

• PrincipsIzmanto elektronu staru kūli, lai skenētu parauga virsmu. Detektētie signāli (piemēram, sekundārie un atpakaļ izkliedētie elektroni) atklāj virsmas detaļas.

• PieteikumiMateriālzinātne, nanotehnoloģija, bioloģija un defektu analīze.

(3) Atomu spēka mikroskopija (AFM)

• MērķisAttēlu virsmas ar atomu vai nanometru izšķirtspēju.

• PrincipsAsa zonde skenē virsmu, vienlaikus saglabājot nemainīgu mijiedarbības spēku; vertikālās nobīdes ģenerē 3D topogrāfiju.

• PieteikumiNanostruktūras pētījumi, virsmas raupjuma mērīšana, biomolekulārie pētījumi.