סקירה מקיפה של טכניקות שיקוע שכבה דקה: MOCVD, התזה מגנטרונית ו-PECVD

בייצור מוליכים למחצה, בעוד שפוטוליתוגרפיה ותחריט הן התהליכים המוזכרים בתדירות הגבוהה ביותר, טכניקות אפיטקסיאליות או שיקוע שכבה דקה הן קריטיות באותה מידה. מאמר זה מציג מספר שיטות שיקוע שכבה דקה נפוצות המשמשות בייצור שבבים, כוללMOCVD, התזה מגנטרונית, וPECVD.

מדוע תהליכי שכבה דקה חיוניים בייצור שבבים?

לשם המחשה, דמיינו לחם שטוח אפוי רגיל. בפני עצמו, הוא עשוי להיות בעל טעם תפל. עם זאת, על ידי מריחת פני השטח ברטבים שונים - כמו משחת שעועית מלוחה או סירופ לתת מתוק - תוכלו לשנות לחלוטין את טעמו. ציפויים אלה, המשפרים את הטעם, דומים ל...סרטים דקיםבתהליכי מוליכים למחצה, בעוד שהלחם השטוח עצמו מייצג אתמצע.

בייצור שבבים, שכבות דקות ממלאות תפקידים פונקציונליים רבים - בידוד, מוליכות, פסיבציה, ספיגת אור וכו' - וכל פונקציה דורשת טכניקת שיקוע ספציפית.

1. שקיעת אדים כימית אורגנית-מתכתית (MOCVD)

MOCVD היא טכניקה מתקדמת ומדויקת ביותר המשמשת להטמעת שכבות דקות וננו-מבנים באיכות גבוהה של מוליכים למחצה. היא ממלאת תפקיד מכריע בייצור התקנים כמו נוריות LED, לייזרים ואלקטרוניקה להספק.

רכיבים מרכזיים של מערכת MOCVD:

• מערכת אספקת גז
  אחראי על החדרה מדויקת של מגיבים לתא התגובה. זה כולל בקרת זרימה של:

• גזי נשאים

• חומרים קודמים לאורגניים-מתכתיים

• גזים הידרידיים
  המערכת כוללת שסתומים רב-כיווניים למעבר בין מצבי גידול ומצב ניקוי.

• תא התגובה
  לב המערכת שבו מתרחשת גדילת החומר בפועל. הרכיבים כוללים:

  • קולט גרפיט (מחזיק מצע)

  • חיישני חימום וטמפרטורה

  • יציאות אופטיות לניטור במקום

  • זרועות רובוטיות לטעינה/פריקה אוטומטית של ופלים

• מערכת בקרת צמיחה
  מורכב מבקרי לוגיקה ניתנים לתכנות ומחשב מארח. אלה מבטיחים ניטור מדויק וחזרתיות לאורך כל תהליך ההפקדה.

• ניטור באתר
  כלים כגון פירומטרים ורפלקטומטרים מודדים:

  • עובי הסרט

  • טמפרטורת פני השטח

  • עקמומיות המצע
    אלה מאפשרים משוב והתאמות בזמן אמת.

• מערכת טיפול בפליטה
  מטפל בתוצרי לוואי רעילים באמצעות פירוק תרמי או קטליזה כימית כדי להבטיח בטיחות ועמידה בתקנות סביבתיות.

תצורת ראש מקלחת סגור (CCS):

בכורים אנכיים מסוג MOCVD, תכנון ה-CCS מאפשר הזרקת גזים באופן אחיד דרך פיות מתחלפות במבנה ראש מקלחת. זה ממזער תגובות מוקדמות ומשפר ערבוב אחיד.

• התופסן גרפיט מסתובבמסייע עוד יותר בהומוגניזציה של שכבת הגבול של גזים, ומשפר את אחידות הסרט על פני הוופל.

2. התזה מגנטרונית

התזה מגנטרונית היא שיטת שיקוע אדים פיזיקלי (PVD) הנמצאת בשימוש נרחב להנחת שכבות דקות וציפויים, במיוחד באלקטרוניקה, אופטיקה וקרמיקה.

עקרון עבודה:

1. חומר המטרה
   חומר המקור שיש להשקיע - מתכת, תחמוצת, ניטריד וכו' - מקובע על קתודה.

2. תא ואקום
   התהליך מתבצע תחת ואקום גבוה כדי למנוע זיהום.

3. יצירת פלזמה
   גז אינרטי, בדרך כלל ארגון, מיונן ליצירת פלזמה.

4. יישום שדה מגנטי
   שדה מגנטי כלוא אלקטרונים ליד המטרה כדי לשפר את יעילות היינון.

5. תהליך התזה
   יונים מפציצים את המטרה, ומשחררים אטומים הנעים דרך התא ומשקיעים על המצע.

יתרונות של התזה מגנטרונית:

• הפקדת סרט אחידהעל פני שטחים גדולים.

• יכולת להפקיד תרכובות מורכבות, כולל סגסוגות וקרמיקה.

• פרמטרים של תהליך מתכוונןלשליטה מדויקת בעובי, בהרכב ובמיקרו-מבנה.

• איכות סרט גבוההעם הידבקות חזקה וחוזק מכני.

• תאימות חומרים רחבה, ממתכות ועד תחמוצות וניטרידים.

• פעולה בטמפרטורה נמוכה, מתאים למצעים רגישים לטמפרטורה.

3. שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה (PECVD)

PECVD נמצא בשימוש נרחב לשקיעת שכבות דקות כמו סיליקון ניטריד (SiNx), סיליקון דיאוקסיד (SiO₂) וסיליקון אמורפי.

עִקָרוֹן:

במערכת PECVD, גזים קודמנים מוכנסים לתא ואקום שבופלזמה פריקת זוהרנוצר באמצעות:

• עירור RF

• מתח גבוה DC

• מקורות מיקרוגל או פולסים

הפלזמה מפעילה את תגובות פאזה הגזית, ויוצרת מינים ריאקטיביים שמשקיעים על המצע ויוצרים שכבה דקה.

שלבי הפקדה:

1. היווצרות פלזמה
   גזים קודמנים, המעוררים על ידי שדות אלקטרומגנטיים, מייננים ויוצרים רדיקלים ויונים ריאקטיביים.

2. תגובה והובלה
   מינים אלה עוברים תגובות משניות כשהם נעים לעבר המצע.

3. תגובת פני השטח
   עם הגעתם למצע, הם סופחים, מגיבים ויוצרים שכבה מוצקה. חלק מתוצרי הלוואי משתחררים כגזים.

יתרונות PECVD:

• אחידות מעולהבהרכב הסרט ובעוביו.

• הידבקות חזקהאפילו בטמפרטורות שקיעת חום נמוכות יחסית.

• שיעורי פיקדונות גבוהיםמה שהופך אותו מתאים לייצור בקנה מידה תעשייתי.

4. טכניקות אפיון שכבה דקה

הבנת המאפיינים של שכבות דקות חיונית לבקרת איכות. טכניקות נפוצות כוללות:

(1) דיפרקציית קרני רנטגן (XRD)

• מַטָרָהניתוח מבני גביש, קבועי סריג ואוריינטציות.

• עִקָרוֹןבהתבסס על חוק בראג, מודד כיצד קרני רנטגן עוברות עקיפה דרך חומר גבישי.

• יישומיםקריסטלוגרפיה, אנליזת פאזות, מדידת מאמץ והערכת שכבה דקה.

(2) מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)

• מַטָרָההתבוננו במורפולוגיה ובמיקרו-מבנה של פני השטח.

• עִקָרוֹןמשתמש בקרן אלקטרונים כדי לסרוק את פני השטח של הדגימה. אותות שזוהו (למשל, אלקטרונים משניים ואלקטרונים מפוזרים לאחור) חושפים פרטים על פני השטח.

• יישומיםמדעי החומרים, ננוטכנולוגיה, ביולוגיה וניתוח כשל.

(3) מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM)

• מַטָרָהמשטחי תמונה ברזולוציה אטומית או ננומטרי.

• עִקָרוֹןגשש חד סורק את פני השטח תוך שמירה על כוח אינטראקציה קבוע; תזוזות אנכיות יוצרות טופוגרפיה תלת-ממדית.

• יישומיםמחקר ננו-מבנים, מדידת חספוס פני השטח, מחקרים ביו-מולקולריים.