Õhukeste kilede sadestamise tehnikate põhjalik ülevaade: MOCVD, magnetronpihustamine ja PECVD

Pooljuhtide tootmises on kõige sagedamini mainitud protsessideks fotolitograafia ja söövitamine, kuid epitaksiaalsed ehk õhukese kile sadestamise meetodid on sama olulised. See artikkel tutvustab mitmeid kiipide valmistamisel kasutatavaid levinud õhukese kile sadestamise meetodeid, sealhulgasMOCVD, magnetroni pihustaminejaPECVD.

Miks on õhukese kile protsessid kiibi tootmisel olulised?

Illustreerimiseks kujutage ette tavalist küpsetatud lameleiba. Üksinda võib see maitsetu olla. Pinda pintseldades aga erinevate kastmetega – näiteks soolase oapasta või magusa linnase siirupiga – saate selle maitset täielikult muuta. Need maitset parandavad katted on sarnasedõhukesed kiledpooljuhtide protsessides, samas kui lehttainas ise esindabsubstraat.

Kiibitootmises täidavad õhukesed kiled arvukalt funktsionaalseid rolle – isolatsioon, juhtivus, passiveerimine, valguse neeldumine jne – ja iga funktsioon nõuab spetsiifilist sadestamistehnikat.

1. Metall-orgaaniline keemiline aurustamine (MOCVD)

MOCVD on ülimalt arenenud ja täpne tehnika, mida kasutatakse kvaliteetsete pooljuhtkilede ja nanostruktuuride sadestamiseks. Sellel on oluline roll selliste seadmete nagu LED-ide, laserite ja jõuelektroonika valmistamisel.

MOCVD-süsteemi põhikomponendid:

• Gaasi kohaletoimetamise süsteem
  Vastutab reagentide täpse sisestamise eest reaktsioonikambrisse. See hõlmab voolu reguleerimist:

• Kandjagaasid

• Metallorgaanilised lähteained

• Hüdriidgaasid
  Süsteemil on mitmekäigulised ventiilid kasvu- ja puhastusrežiimide vahel vahetamiseks.

• Reaktsioonikamber
  Süsteemi süda, kus toimub tegelik materjali kasv. Komponendid hõlmavad järgmist:

  • Grafiidi sustseptor (substraadihoidja)

  • Küttekeha ja temperatuuriandurid

  • Optilised pordid kohapealseks jälgimiseks

  • Robotkäed kiipide automaatseks laadimiseks/mahalaadimiseks

• Kasvukontrolli süsteem
  Koosneb programmeeritavatest loogikakontrolleritest ja hostarvutist. Need tagavad täpse jälgimise ja korduvuse kogu sadestamisprotsessi vältel.

• Kohapealne seire
  Sellised tööriistad nagu püromeetrid ja reflektomeetrid mõõdavad:

  • Kile paksus

  • Pinna temperatuur

  • Aluspinna kõverus
    Need võimaldavad reaalajas tagasisidet ja kohandusi.

• Heitgaaside töötlussüsteem
  Töötleb mürgiseid kõrvalsaadusi termilise lagunemise või keemilise katalüüsi abil, et tagada ohutus ja keskkonnanõuetele vastavus.

Suletud ühendusega dušipea (CCS) konfiguratsioon:

Vertikaalsetes MOCVD reaktorites võimaldab CCS-konstruktsioon gaase ühtlaselt sissepritsida vahelduvate düüside kaudu dušipea struktuuris. See minimeerib enneaegseid reaktsioone ja parandab ühtlast segunemist.

• Seepöörlev grafiidist sustseptoraitab veelgi homogeniseerida gaaside piirkihti, parandades kile ühtlust kogu vahvli ulatuses.

2. Magnetroni pihustamine

Magnetronpihustamine on füüsikaline aurustamise-sadestamise (PVD) meetod, mida kasutatakse laialdaselt õhukeste kilede ja katete sadestamiseks, eriti elektroonikas, optikas ja keraamikas.

Tööpõhimõte:

1. Sihtmaterjal
   Sadestatav lähtematerjal – metall, oksiid, nitriid jne – kinnitatakse katoodile.

2. Vaakumkamber
   Protsess viiakse läbi kõrgvaakumis, et vältida saastumist.

3. Plasma genereerimine
   Inertgaas, tavaliselt argoon, ioniseeritakse plasma moodustamiseks.

4. Magnetvälja rakendus
   Magnetväli piirab elektrone sihtmärgi lähedal, et suurendada ionisatsiooni efektiivsust.

5. Pihustamisprotsess
   Ioonid pommitavad sihtmärki, eemaldades aatomeid, mis liiguvad läbi kambri ja ladestuvad substraadile.

Magnetronpihustamise eelised:

• Ühtlane kile sadestaminesuurtel aladel.

• Võime sadestada keerulisi ühendeid, sealhulgas sulamid ja keraamika.

• Häälestatavad protsessiparameetridpaksuse, koostise ja mikrostruktuuri täpseks kontrollimiseks.

• Kõrge filmikvaliteettugeva haarduvuse ja mehaanilise tugevusega.

• Lai materjalide ühilduvus, metallidest oksiidide ja nitriidideni.

• Madala temperatuuriga töötamine, sobib temperatuurile tundlikele aluspindadele.

3. Plasma abil võimendatud keemiline aurustamine (PECVD)

PECVD-d kasutatakse laialdaselt õhukeste kilede, näiteks räninitriidi (SiNx), ränidioksiidi (SiO₂) ja amorfse räni sadestamiseks.

Põhimõte:

PECVD-süsteemis juhitakse lähteainegaasid vaakumkambrisse, kus ahõõglahendusplasmagenereeritakse kasutades:

• RF-ergastus

• Alalisvoolu kõrgepinge

• Mikrolaine- või impulssallikad

Plasma aktiveerib gaasifaasireaktsioone, tekitades reaktiivseid osakesi, mis ladestuvad substraadile õhukese kile moodustamiseks.

Sadestamise etapid:

1. Plasma moodustumine
   Elektromagnetväljade ergastamisel ioniseeruvad eelkäijagaasid, moodustades reaktiivseid radikaale ja ioone.

2. Reaktsioon ja transport
   Need liigid läbivad substraadi poole liikudes sekundaarseid reaktsioone.

3. Pinna reaktsioon
   Substraadile jõudes nad adsorbeeruvad, reageerivad ja moodustavad tahke kile. Mõned kõrvalsaadused eralduvad gaasidena.

PECVD eelised:

• Suurepärane ühtluskile koostises ja paksuses.

• Tugev nakkuvusisegi suhteliselt madalate sadestumistemperatuuride korral.

• Kõrge sadestumiskiirus, mis muudab selle sobivaks tööstuslikuks tootmiseks.

4. Õhukese kile iseloomustamise tehnikad

Õhukeste kilede omaduste mõistmine on kvaliteedikontrolli seisukohalt oluline. Levinud meetodid hõlmavad järgmist:

(1) Röntgendifraktsioon (XRD)

• EesmärkAnalüüsige kristallstruktuure, võrekonstante ja orientatsioone.

• PõhimõteBraggi seaduse põhjal mõõdab röntgenikiirguse difraktsioon läbi kristallilise materjali.

• RakendusedKristallograafia, faasianalüüs, deformatsiooni mõõtmine ja õhukese kile hindamine.

(2) Skaneeriv elektronmikroskoopia (SEM)

• EesmärkJälgige pinna morfoloogiat ja mikrostruktuuri.

• PõhimõteKasutab proovi pinna skaneerimiseks elektronkiirt. Tuvastatud signaalid (nt sekundaarsed ja tagasihajunud elektronid) paljastavad pinna detailid.

• RakendusedMaterjaliteadus, nanotehnoloogia, bioloogia ja rikete analüüs.

(3) Aatomjõumikroskoopia (AFM)

• EesmärkKujutise pinnad aatomi- või nanomeetriresolutsiooniga.

• PõhimõteTerav sond skaneerib pinda, säilitades samal ajal konstantse interaktsioonijõu; vertikaalsed nihked tekitavad 3D-topograafia.

• RakendusedNanostruktuuri uuringud, pinnakareduse mõõtmine, biomolekulaarsed uuringud.