مروری جامع بر تکنیک‌های رسوب‌گذاری لایه نازک: MOCVD، مگنترون اسپاترینگ و PECVD

در تولید نیمه‌هادی‌ها، در حالی که فتولیتوگرافی و اچینگ فرآیندهایی هستند که اغلب به آنها اشاره می‌شود، تکنیک‌های رسوب اپیتاکسیال یا لایه نازک نیز به همان اندازه حیاتی هستند. این مقاله چندین روش رایج رسوب لایه نازک مورد استفاده در ساخت تراشه، از جملهموک وی دی, کندوپاش مگنترونی، وپی ای سی وی دی.

چرا فرآیندهای فیلم نازک در تولید تراشه ضروری هستند؟

برای روشن شدن موضوع، یک نان مسطح ساده را تصور کنید. به خودی خود، ممکن است طعم بی‌مزه‌ای داشته باشد. با این حال، با مالیدن سس‌های مختلف - مانند خمیر لوبیای خوش‌طعم یا شربت مالت شیرین - به سطح آن، می‌توانید طعم آن را کاملاً تغییر دهید. این پوشش‌های طعم‌دهنده شبیه به ... هستند.لایه‌های نازکدر فرآیندهای نیمه‌هادی، در حالی که خود نان مسطح نشان دهنده‌یبستر.

در ساخت تراشه، لایه‌های نازک نقش‌های عملکردی متعددی - عایق‌بندی، رسانایی، غیرفعال‌سازی، جذب نور و غیره - ایفا می‌کنند و هر عملکرد نیاز به یک تکنیک رسوب‌گذاری خاص دارد.

۱. رسوب شیمیایی بخار فلز-آلی (MOCVD)

MOCVD یک تکنیک بسیار پیشرفته و دقیق است که برای رسوب‌دهی لایه‌های نازک نیمه‌هادی و نانوساختارهای با کیفیت بالا استفاده می‌شود. این روش نقش مهمی در ساخت دستگاه‌هایی مانند LED، لیزر و الکترونیک قدرت ایفا می‌کند.

اجزای کلیدی یک سیستم MOCVD:

• سیستم تحویل گاز
  مسئول ورود دقیق واکنش‌دهنده‌ها به محفظه واکنش. این شامل کنترل جریان موارد زیر است:

• گازهای حامل

• پیش‌سازهای فلزی-آلی

• گازهای هیدرید
  این سیستم دارای شیرهای چند راهه برای تغییر بین حالت‌های رشد و پاکسازی است.

• محفظه واکنش
  قلب سیستم، جایی که رشد واقعی مواد رخ می‌دهد. اجزا شامل موارد زیر هستند:

  • گیرنده گرافیت (نگهدارنده بستر)

  • سنسورهای گرمایش و دما

  • پورت‌های نوری برای نظارت در محل

  • بازوهای رباتیک برای بارگیری/تخلیه خودکار ویفر

• سیستم کنترل رشد
  شامل کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی و یک کامپیوتر میزبان است. این موارد، نظارت دقیق و تکرارپذیری را در طول فرآیند رسوب‌گذاری تضمین می‌کنند.

• پایش درجا
  ابزارهایی مانند پیرومتر و بازتاب‌سنج موارد زیر را اندازه‌گیری می‌کنند:

  • ضخامت فیلم

  • دمای سطح

  • انحنای زیرلایه
    این موارد امکان بازخورد و تنظیم در زمان واقعی را فراهم می‌کنند.

• سیستم تصفیه اگزوز
  با استفاده از تجزیه حرارتی یا کاتالیز شیمیایی، محصولات جانبی سمی را تصفیه می‌کند تا ایمنی و انطباق با محیط زیست را تضمین کند.

پیکربندی دوش با کوپلینگ بسته (CCS):

در راکتورهای عمودی MOCVD، طراحی CCS اجازه می‌دهد تا گازها به طور یکنواخت از طریق نازل‌های متناوب در یک ساختار دوش تزریق شوند. این امر واکنش‌های زودرس را به حداقل می‌رساند و اختلاط یکنواخت را افزایش می‌دهد.

• سوسپکتور گرافیتی چرخانهمچنین به همگن‌سازی لایه مرزی گازها کمک می‌کند و یکنواختی فیلم را در سراسر ویفر بهبود می‌بخشد.

۲. کندوپاش مگنترون

کندوپاش مگنترونی یک روش رسوب فیزیکی بخار (PVD) است که به طور گسترده برای رسوب لایه‌ها و پوشش‌های نازک، به ویژه در الکترونیک، اپتیک و سرامیک استفاده می‌شود.

اصل کار:

1. ماده هدف
   ماده اولیه‌ای که باید رسوب داده شود - فلز، اکسید، نیترید و غیره - روی یک کاتد ثابت می‌شود.

2. محفظه خلاء
   این فرآیند تحت خلاء بالا انجام می‌شود تا از آلودگی جلوگیری شود.

3. تولید پلاسما
   یک گاز بی‌اثر، معمولاً آرگون، یونیزه می‌شود تا پلاسما تشکیل شود.

4. کاربرد میدان مغناطیسی
   یک میدان مغناطیسی الکترون‌ها را در نزدیکی هدف محدود می‌کند تا راندمان یونیزاسیون را افزایش دهد.

5. فرآیند پاشش
   یون‌ها هدف را بمباران می‌کنند و اتم‌هایی را که از طریق محفظه عبور کرده و روی زیرلایه رسوب می‌کنند، از خود جدا می‌کنند.

مزایای روش کندوپاش مگنترون:

• رسوب فیلم یکنواختدر سراسر مناطق بزرگ.

• قابلیت رسوب ترکیبات پیچیدهاز جمله آلیاژها و سرامیک‌ها.

• پارامترهای فرآیند قابل تنظیمبرای کنترل دقیق ضخامت، ترکیب و ریزساختار.

• کیفیت بالای فیلمبا چسبندگی قوی و مقاومت مکانیکی.

• سازگاری گسترده با مواداز فلزات گرفته تا اکسیدها و نیتریدها.

• عملکرد در دمای پایینمناسب برای زیرلایه‌های حساس به دما.

۳. رسوب شیمیایی بخار با پلاسما (PECVD)

PECVD به طور گسترده برای رسوب لایه‌های نازک مانند نیترید سیلیکون (SiNx)، دی اکسید سیلیکون (SiO₂) و سیلیکون آمورف استفاده می‌شود.

اصل:

در یک سیستم PECVD، گازهای پیش‌ساز به یک محفظه خلاء وارد می‌شوند که در آن ...پلاسمای تخلیه تابشیبا استفاده از موارد زیر تولید می‌شود:

• تحریک RF

• ولتاژ بالای دی سی

• منابع مایکروویو یا پالسی

پلاسما واکنش‌های فاز گازی را فعال می‌کند و گونه‌های واکنش‌پذیری تولید می‌کند که روی زیرلایه رسوب می‌کنند و یک لایه نازک تشکیل می‌دهند.

مراحل رسوب‌گذاری:

1. تشکیل پلاسما
   گازهای پیش‌ساز، تحت تأثیر میدان‌های الکترومغناطیسی، یونیزه شده و رادیکال‌ها و یون‌های واکنش‌پذیر تشکیل می‌دهند.

2. واکنش و انتقال
   این گونه‌ها هنگام حرکت به سمت زیرلایه، دچار واکنش‌های ثانویه می‌شوند.

3. واکنش سطحی
   پس از رسیدن به زیرلایه، آنها جذب می‌شوند، واکنش می‌دهند و یک لایه جامد تشکیل می‌دهند. برخی از محصولات جانبی به صورت گاز آزاد می‌شوند.

مزایای PECVD:

• یکنواختی عالیدر ترکیب و ضخامت فیلم.

• چسبندگی قویحتی در دماهای رسوب‌گذاری نسبتاً پایین.

• نرخ رسوب بالاو آن را برای تولید در مقیاس صنعتی مناسب می‌سازد.

۴. تکنیک‌های مشخصه‌یابی لایه نازک

درک خواص لایه‌های نازک برای کنترل کیفیت ضروری است. تکنیک‌های رایج عبارتند از:

(1) پراش اشعه ایکس (XRD)

• هدفتحلیل ساختارهای بلوری، ثابت‌های شبکه و جهت‌گیری‌ها.

• اصلبر اساس قانون براگ، نحوه پراش اشعه ایکس از طریق یک ماده بلوری را اندازه‌گیری می‌کند.

• کاربردهاکریستالوگرافی، آنالیز فازی، اندازه‌گیری کرنش و ارزیابی لایه نازک.

(2) میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

• هدف: مورفولوژی و ریزساختار سطح را مشاهده کنید.

• اصل: از پرتو الکترونی برای روبش سطح نمونه استفاده می‌کند. سیگنال‌های شناسایی شده (مثلاً الکترون‌های ثانویه و الکترون‌های پراکنده شده برگشتی) جزئیات سطح را آشکار می‌کنند.

• کاربردها: علم مواد، فناوری نانو، زیست‌شناسی، و تحلیل شکست.

(3) میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

• هدف: سطوح تصویر با وضوح اتمی یا نانومتری.

• اصلیک کاوشگر تیز سطح را اسکن می‌کند و در عین حال نیروی برهمکنش ثابتی را حفظ می‌کند؛ جابجایی‌های عمودی یک توپوگرافی سه‌بعدی ایجاد می‌کنند.

• کاربردها: تحقیقات نانوساختار، اندازه‌گیری زبری سطح، مطالعات زیست‌مولکولی.