Kattava katsaus ohutkalvopinnoitustekniikoihin: MOCVD, magnetronisputterointi ja PECVD

Puolijohdevalmistuksessa, vaikka fotolitografia ja etsaus ovat yleisimmin mainittuja prosesseja, epitaksiaaliset tai ohutkalvopinnoitustekniikat ovat yhtä tärkeitä. Tässä artikkelissa esitellään useita yleisiä ohutkalvopinnoitusmenetelmiä, joita käytetään sirujen valmistuksessa, mukaan lukienMOCVD, magnetronisputterointijaPECVD-arvo.

Miksi ohutkalvoprosessit ovat olennaisia sirujen valmistuksessa?

Kuvittele esimerkiksi tavallinen paistettu rieska. Yksinään se saattaa maistua mauttomalta. Voit kuitenkin muuttaa sen maun täysin sivelemällä pintaa erilaisilla kastikkeilla, kuten suolaisella paputahnalla tai makealla mallassiirapilla. Nämä makua parantavat pinnoitteet ovat kuinohuet kalvotpuolijohdeprosesseissa, kun taas itse flatbread edustaaalusta.

Sirujen valmistuksessa ohutkalvoilla on lukuisia toiminnallisia tehtäviä – eristys, johtavuus, passivointi, valon absorptio jne. – ja jokainen toiminto vaatii tietyn pinnoitustekniikan.

1. Metalli-orgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus (MOCVD)

MOCVD on erittäin kehittynyt ja tarkka tekniikka, jota käytetään korkealaatuisten puolijohdeohutkalvojen ja nanorakenteiden pinnoittamiseen. Sillä on ratkaiseva rooli LEDien, lasereiden ja tehoelektroniikan valmistuksessa.

MOCVD-järjestelmän tärkeimmät komponentit:

• Kaasunjakelujärjestelmä
  Vastaa reagenssien tarkasta syöttämisestä reaktiokammioon. Tähän sisältyy seuraavien virtauksen säätö:

• Kantokaasut

• Metalli-orgaaniset esiasteet

• Hydridikaasut
  Järjestelmässä on monitieventtiilit kasvu- ja puhdistustilojen välillä vaihtamiseen.

• Reaktiokammio
  Järjestelmän ydin, jossa varsinainen materiaalinen kasvu tapahtuu. Komponentteihin kuuluvat:

  • Grafiittisuskeptori (substraatin pidike)

  • Lämmitys- ja lämpötila-anturit

  • Optiset portit in-situ-valvontaan

  • Robottikädet kiekkojen automaattiseen lastaamiseen/purkuun

• Kasvun säätöjärjestelmä
  Koostuu ohjelmoitavista logiikkaohjaimista ja isäntätietokoneesta. Nämä varmistavat tarkan valvonnan ja toistettavuuden koko laskeutusprosessin ajan.

• Paikan päällä tapahtuva seuranta
  Työkalut, kuten pyrometrit ja reflektometrit, mittaavat:

  • Kalvon paksuus

  • Pintalämpötila

  • Alustan kaarevuus
    Nämä mahdollistavat reaaliaikaisen palautteen ja säätömahdollisuudet.

• Pakokaasujen käsittelyjärjestelmä
  Käsittelee myrkyllisiä sivutuotteita lämpöhajoamisen tai kemiallisen katalyysin avulla turvallisuuden ja ympäristövaatimustenmukaisuuden varmistamiseksi.

Suljetun suihkupään (CCS) kokoonpano:

Pystysuuntaisissa MOCVD-reaktoreissa CCS-rakenne mahdollistaa kaasujen tasaisen injektoinnin vuorottelevien suuttimien kautta suihkupäärakenteeseen. Tämä minimoi ennenaikaiset reaktiot ja parantaa tasaista sekoittumista.

• Thepyörivä grafiittisuskeptoriauttaa edelleen homogenisoimaan kaasujen rajakerrosta, mikä parantaa kalvon tasaisuutta kiekon poikki.

2. Magnetronin sputterointi

Magnetronisputterointi on fysikaalinen höyrypinnoitusmenetelmä (PVD), jota käytetään laajalti ohutkalvojen ja pinnoitteiden kerrostamiseen, erityisesti elektroniikassa, optiikassa ja keramiikassa.

Toimintaperiaate:

1. Kohdemateriaali
   Kerrostettava lähtöaine – metalli, oksidi, nitridi jne. – kiinnitetään katodiin.

2. Tyhjiökammio
   Prosessi suoritetaan korkeassa tyhjiössä kontaminaation välttämiseksi.

3. Plasman generointi
   Inertti kaasu, tyypillisesti argon, ionisoidaan plasman muodostamiseksi.

4. Magneettikentän sovellus
   Magneettikenttä pitää elektronit lähellä kohdetta parantaakseen ionisaatiotehokkuutta.

5. Sputterointiprosessi
   Ionit pommittavat kohdetta ja irrottavat atomeja, jotka kulkevat kammion läpi ja kerrostuvat substraatille.

Magnetronisputteroinnin edut:

• Yhtenäinen kalvon laskeutuminenlaajoilla alueilla.

• Kyky kerrostaa monimutkaisia yhdisteitä, mukaan lukien seokset ja keramiikka.

• Viritettävät prosessiparametritpaksuuden, koostumuksen ja mikrorakenteen tarkkaan hallintaan.

• Korkea elokuvanlaatujolla on vahva tarttuvuus ja mekaaninen lujuus.

• Laaja materiaalien yhteensopivuus, metalleista oksideihin ja nitrideihin.

• Matalan lämpötilan käyttö, sopii lämpötilaherkille alustoille.

3. Plasma-avusteinen kemiallinen höyrypinnoitus (PECVD)

PECVD-menetelmää käytetään laajalti ohuiden kalvojen, kuten piinitridin (SiNx), piidioksidin (SiO₂) ja amorfisen piin, laskeutukseen.

Periaate:

PECVD-järjestelmässä esiastekaasut johdetaan tyhjiökammioon, jossahehkupurkausplasmaluodaan käyttämällä:

• RF-heräte

• DC-korkeajännite

• Mikroaalto- tai pulssilähteet

Plasma aktivoi kaasufaasireaktiot, jolloin syntyy reaktiivisia lajeja, jotka kerrostuvat substraatille muodostaen ohuen kalvon.

Laskeutumisvaiheet:

1. Plasman muodostuminen
   Sähkömagneettisten kenttien vaikutuksesta esiastekaasut ionisoituvat muodostaen reaktiivisia radikaaleja ja ioneja.

2. Reaktio ja kuljetus
   Nämä lajit käyvät läpi toissijaisia reaktioita liikkuessaan kohti substraattia.

3. Pintareaktio
   Saavuttuaan substraattiin ne adsorboituvat, reagoivat ja muodostavat kiinteän kalvon. Jotkin sivutuotteet vapautuvat kaasuina.

PECVD-edut:

• Erinomainen tasaisuuskalvon koostumuksessa ja paksuudessa.

• Vahva tarttuvuusjopa suhteellisen alhaisissa laskeutumislämpötiloissa.

• Korkea laskeutumisnopeus, mikä tekee siitä sopivan teollisen mittakaavan tuotantoon.

4. Ohutkalvojen karakterisointitekniikat

Ohutkalvojen ominaisuuksien ymmärtäminen on olennaista laadunvalvonnan kannalta. Yleisiä tekniikoita ovat:

(1) Röntgendiffraktio (XRD)

• TarkoitusAnalysoi kiderakenteita, hilavakioita ja orientaatioita.

• PeriaateBraggin lain perusteella mittaa, kuinka röntgensäteet diffraktoivat kiteisen materiaalin läpi.

• SovelluksetKristallografia, faasianalyysi, venymän mittaus ja ohutkalvoanalyysi.

(2) Pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM)

• TarkoitusTarkkaile pinnan morfologiaa ja mikrorakennetta.

• PeriaateKäyttää elektronisuihkua näytteen pinnan skannaamiseen. Havaitut signaalit (esim. sekundääriset ja takaisin sironneet elektronit) paljastavat pinnan yksityiskohdat.

• SovelluksetMateriaalitiede, nanoteknologia, biologia ja vianmääritys.

(3) Atomivoimamikroskopia (AFM)

• TarkoitusKuvaa pintoja atomi- tai nanometriresoluutiolla.

• PeriaateTerävä anturi skannaa pintaa pitäen samalla yllä vakion vuorovaikutusvoiman; pystysuuntaiset siirtymät luovat 3D-topografian.

• SovelluksetNanostruktuuritutkimus, pinnan karheuden mittaus, biomolekyylitutkimukset.