Zrozumienie technologii przygotowywania filmów (MOCVD, napylanie magnetronowe, PECVD)
Ten artykuł przedstawi kilka metod wytwarzania cienkich warstw. W procesach półprzewodnikowych najczęściej wymieniane techniki to litografia i wytrawianie, a następnie proces epitaksji (warstwy).
Dlaczego technologia cienkich warstw jest niezbędna w produkcji chipów?
Na przykład, w życiu codziennym wiele osób lubi jeść naleśniki. Jeśli kwadratowy naleśnik nie jest doprawiony i upieczony, nie będzie miał żadnego smaku, a jego konsystencja nie będzie dobra. Niektórzy wolą smak słony, więc smarują powierzchnię naleśnika warstwą pasty fasolowej. Inni wolą smak słodki, więc smarują powierzchnię warstwą cukru słodowego.
Po posmarowaniu sosem, warstwa słonego lub słodkiego sosu na powierzchni naleśnika jest jak film. Jego obecność zmienia smak całego naleśnika, a sam naleśnik nazywany jest bazą.
Oczywiście, podczas przetwarzania chipów istnieje wiele rodzajów funkcji dla warstw, a odpowiednie metody przygotowywania warstw również się różnią. W tym artykule krótko przedstawimy kilka typowych metod przygotowywania warstw, w tym MOCVD, napylanie magnetronowe, PECVD itp.
I.Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)
System wzrostu epitaksjalnego MOCVD to wysoce złożone i wyrafinowane urządzenie, które odgrywa kluczową rolę w przygotowywaniu wysokiej jakości warstw półprzewodnikowych i nanostruktur.
System MOCVD składa się z pięciu podstawowych komponentów, z których każdy pełni odrębne, ale powiązane funkcje, wspólnie zapewniając wydajność i bezpieczeństwo procesu wzrostu materiału.
1.1 System transportu gazu:Głównym zadaniem tego podsystemu jest precyzyjna kontrola dostarczania różnych reagentów do komory reakcyjnej, w tym pomiar reagentów, czas i kolejność ich dostarczania, a także regulacja całkowitego natężenia przepływu gazu.
Składa się z kilku podsystemów, w tym podsystemu zasilania gazem do przenoszenia reagentów, podsystemu zasilania źródłami metaloorganicznymi (MO), podsystemu zasilania wodorkami oraz zaworu multipleksowego wzrostu/odpowietrzania do kontrolowania kierunku przepływu gazu. Jak pokazano na poniższym rysunku, jest to schemat ścieżki gazowej systemu wzrostu MOCVD.
System MOCVD do badań AIXTRON CCS 3 x 2" z azotkiem
Schemat ścieżki gazowej systemu MOCVD
1.2 System komory reakcyjnej:To kluczowy element systemu MOCVD, odpowiedzialny za rzeczywisty proces wzrostu materiału.
Ta sekcja obejmuje grafitową podstawę do podtrzymywania podłoża, grzałkę do podgrzewania podłoża, czujnik temperatury do monitorowania temperatury środowiska wzrostu, okno detekcji optycznej oraz automatycznego robota załadunku i rozładunku do obsługi podłoża. Ten ostatni służy do automatyzacji procesu załadunku i rozładunku, poprawiając w ten sposób wydajność produkcji. Poniższy rysunek przedstawia schemat stanu ogrzewania komory reaktora MOCVD.
Schemat zasady wzrostu w komorze MOCVD
1.3 System kontroli wzrostu:Składa się z programowalnego kontrolera i komputera sterującego, jest odpowiedzialny za precyzyjną kontrolę i monitorowanie całego procesu wzrostu MOCVD.
Kontroler jest odpowiedzialny za zbieranie, przetwarzanie i wyprowadzanie różnych sygnałów, podczas gdy komputer sterujący jest odpowiedzialny za rejestrowanie i monitorowanie każdego etapu wzrostu materiału, zapewniając stabilność i powtarzalność procesu.
1.4 System monitorowania in-situ:Składa się z termometrów promieniowania podczerwonego korygowanych odbiciem, sprzętu do monitorowania odbicia i urządzeń do monitorowania wypaczeń.
System ten może monitorować kluczowe parametry podczas procesu wzrostu materiału w czasie rzeczywistym, takie jak grubość i jednorodność warstwy, a także temperatura podłoża. Umożliwia to natychmiastowe dostosowania i optymalizacje procesu wzrostu.
1.5 System oczyszczania gazów wylotowych:Odpowiedzialny za obsługę toksycznych cząstek i gazów generowanych podczas procesu reakcji.
Za pomocą metod takich jak kraking lub kataliza chemiczna, te szkodliwe substancje mogą być skutecznie rozkładane i absorbowane, zapewniając bezpieczeństwo środowiska pracy i zgodność ze standardami ochrony środowiska.
Ponadto, sprzęt MOCVD jest zwykle instalowany w ultraczystych pomieszczeniach wyposażonych w zaawansowane systemy alarmowe, skuteczne urządzenia wentylacyjne oraz ścisłe systemy kontroli temperatury i wilgotności. Te dodatkowe urządzenia i środki bezpieczeństwa nie tylko zapewniają bezpieczeństwo operatorów, ale także zwiększają stabilność procesu wzrostu i jakość produktów końcowych.
Konstrukcja i działanie systemu MOCVD odzwierciedlają wysokie standardy dokładności, powtarzalności i bezpieczeństwa wymagane w dziedzinie produkcji materiałów półprzewodnikowych. Jest to jedna z kluczowych technologii produkcji wysokowydajnych urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.
Do wzrostu warstw epitaksjalnych stosuje się system MOCVD z pionową głowicą natryskową (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) w komorze sprzętu.
System ten został zaprojektowany z unikalną strukturą głowicy natryskowej. Jego główną cechą jest zdolność do skutecznego ograniczania reakcji wstępnych i osiągania wydajnego mieszania gazów. Gazy te są wtryskiwane do komory reakcyjnej przez przeplatane otwory natryskowe na głowicy natryskowej, gdzie całkowicie się mieszają, poprawiając w ten sposób jednorodność i wydajność reakcji.
Konstrukcja głowicy natryskowej umożliwia równomierne rozprowadzenie gazu reakcyjnego na podłożu znajdującym się pod nim, zapewniając spójność stężenia gazu reakcyjnego we wszystkich pozycjach na podłożu. Jest to kluczowe dla tworzenia warstwy epitaksjalnej o jednolitej grubości.
Ponadto obrót grafitowego dysku dodatkowo promuje jednorodność warstwy granicznej reakcji chemicznej, umożliwiając bardziej jednorodny wzrost warstwy epitaksjalnej. Ten mechanizm obrotowy, poprzez redukcję warstwy granicznej cienkiej reakcji chemicznej, pomaga zminimalizować lokalne różnice stężeń, zwiększając w ten sposób ogólną jednorodność wzrostu warstwy.
(a) Rzeczywista głowica natryskowa i jej częściowe powiększone zdjęcie, (b) Intencja struktury wewnętrznej głowicy natryskowej
II.Napylanie magnetronowe
Napylanie magnetronowe to technika fizycznego osadzania z fazy gazowej powszechnie stosowana do osadzania cienkich warstw i powlekania powierzchni.
Wykorzystuje pole magnetyczne do uwalniania atomów lub cząsteczek materiału docelowego z powierzchni celu, a następnie tworzy warstwę na powierzchni materiału podłoża.
Technologia ta jest szeroko stosowana w produkcji urządzeń półprzewodnikowych, powłok optycznych, powłok ceramicznych i innych dziedzinach.
Schemat zasady napylania magnetronowego
Zasada napylania magnetronowego jest następująca:
1. Wybór materiału docelowego:Materiałem docelowym jest materiał, który ma być osadzony na materiale podłoża. Mogą to być metale, stopy, tlenki, azotki itp. Materiał docelowy jest zwykle mocowany na urządzeniu zwanym pistoletem docelowym.
2. Środowisko próżniowe:Proces napylania musi być przeprowadzany w środowisku wysokiej próżni, aby zapobiec interakcji między cząsteczkami gazu a materiałem docelowym. Pomaga to zapewnić czystość i jednorodność osadzonej warstwy.
3. Zjonizowany gaz:Podczas procesu napylania zwykle wprowadza się gaz obojętny (taki jak argon), aby zjonizować go w plazmę. Jony te, pod wpływem pola magnetycznego, tworzą chmurę elektronów, która nazywana jest "plazmą chmury elektronów".
4. Zastosowanie pola magnetycznego:Pole magnetyczne jest przykładane między materiałem docelowym a materiałem podłoża. To pole magnetyczne ogranicza plazmę chmury elektronów do powierzchni materiału docelowego, utrzymując w ten sposób stan wysokiej energii.
5. Proces napylania:Poprzez zastosowanie wysokoenergetycznej plazmy chmury elektronów, atomy lub cząsteczki materiału docelowego są uderzane, uwalniając się w ten sposób. Te uwolnione atomy lub cząsteczki osadzają się w postaci pary na powierzchni materiału podłoża, tworząc warstwę.
Zalety napylania magnetronowego obejmują:
1. Jednorodność osadzonej warstwy:Pole magnetyczne może pomóc w kontrolowaniu transmisji jonów, osiągając w ten sposób jednorodne osadzanie warstwy, zapewniając, że grubość i właściwości warstwy pozostają spójne na całej powierzchni podłoża.
2. Przygotowanie złożonych stopów i związków:Napylanie magnetronowe może być wykorzystywane do wytwarzania złożonych warstw stopów i związków, co może być trudniejsze do osiągnięcia za pomocą innych technik osadzania.
3. Sterowalność i modyfikowalność:Dostosowując parametry, takie jak skład materiału docelowego, ciśnienie gazu i szybkość osadzania, właściwości warstwy, w tym grubość, skład i mikrostruktura, można precyzyjnie kontrolować.
4. Wysokiej jakości warstwy:Napylanie magnetronowe może zwykle wytwarzać wysokiej jakości, gęste i jednorodne warstwy o doskonałej przyczepności i właściwościach mechanicznych.
5. Wielofunkcyjność:Ma zastosowanie do różnych rodzajów materiałów, w tym metali, tlenków, azotków itp. Dlatego ma szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach.
6. Osadzanie w niskiej temperaturze:W porównaniu z innymi technikami, napylanie magnetronowe może być przeprowadzane w niskich temperaturach, a nawet w temperaturze pokojowej, co sprawia, że nadaje się do zastosowań, w których materiał podłoża jest wrażliwy na temperaturę.
Ogólnie rzecz biorąc, napylanie magnetronowe jest wysoce sterowalną i elastyczną technologią wytwarzania cienkich warstw, mającą zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań, od urządzeń elektronicznych po powłoki optyczne itp.
III. Osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą
Technologia osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (PECVD) jest szeroko stosowana w przygotowywaniu różnych warstw (takich jak krzem, azotek krzemu i dwutlenek krzemu itp.).
Schemat strukturalny systemu PECVD pokazano na poniższym rysunku.
Schemat struktury systemu osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą
Podstawowa zasada jest następująca: Substancje gazowe zawierające składniki warstwy są wprowadzane do komory osadzania. Używając wyładowania plazmowego, substancje gazowe ulegają reakcjom chemicznym w celu wytworzenia plazmy. Kiedy ta plazma jest osadzana na podłożu, rośnie materiał warstwy.
Metody inicjowania wyładowania jarzeniowego obejmują: wzbudzenie częstotliwością radiową, wzbudzenie napięciem stałym, wzbudzenie impulsowe i wzbudzenie mikrofalowe.
Grubość i skład warstw przygotowanych przez PECVD wykazują doskonałą jednorodność. Ponadto warstwy osadzone tą metodą mają silną przyczepność i mogą osiągać wysokie szybkości osadzania w stosunkowo niskich temperaturach osadzania.
Ogólnie rzecz biorąc, wzrost cienkich warstw obejmuje głównie następujące trzy procesy:
Pierwszym krokiem jest to, że gaz reaktywny, pod wpływem wzbudzenia pola elektromagnetycznego, ulega wyładowaniu jarzeniowemu w celu wytworzenia plazmy.
Podczas tego procesu elektrony zderzają się z gazem reaktywnym, inicjując reakcję pierwotną, która prowadzi do rozkładu gazu reaktywnego i generowania jonów i grup reaktywnych.
Drugim krokiem jest to, że różne produkty powstałe w wyniku reakcji pierwotnej przemieszczają się w kierunku podłoża, podczas gdy różne aktywne grupy i jony ulegają reakcjom wtórnym w celu utworzenia produktów wtórnych.
Trzeci etap obejmuje adsorpcję różnych produktów pierwotnych i wtórnych na powierzchni podłoża i ich późniejszą reakcję z powierzchnią. Jednocześnie następuje uwalnianie gazowych substancji molekularnych.
IV. Techniki charakteryzacji cienkich warstw
4.1 Dyfrakcja rentgenowska (XRD)
XRD (dyfrakcja rentgenowska) jest powszechnie stosowaną techniką do analizy struktur krystalicznych.
Ujawnia informacje, takie jak parametry sieciowe, struktura krystaliczna i orientacja kryształów materiału, mierząc wzory dyfrakcyjne promieni rentgenowskich na strukturze krystalicznej w materiale.
XRD jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach, takich jak nauka o materiałach, fizyka ciała stałego, chemia i geologia.
Schemat zasady testowania XRD
Zasada działania: Podstawowa zasada XRD opiera się na prawie Bragga. Oznacza to, że gdy wiązka padająca jest skierowana na próbkę kryształu, jeśli sieć atomowa lub jonowa w krysztale jest w określonym układzie, promienie rentgenowskie ulegną dyfrakcji. Kąt i intensywność dyfrakcji mogą dostarczyć informacji o strukturze kryształu.
Dyfraktometr rentgenowski Bruker D8 Discover
Skład instrumentu: Typowy instrument XRD składa się z następujących elementów:
1. Źródło promieni rentgenowskich: Urządzenie emitujące promienie rentgenowskie, zwykle wykorzystujące wolfram lub cele miedziane do generowania promieni rentgenowskich.
2. Platforma próbki: Platforma do umieszczania próbek, którą można obracać w celu regulacji kąta próbek.
3. Detektor promieni rentgenowskich: Służy do pomiaru intensywności i kąta światła dyfrakcyjnego.
4. System kontroli i analizy: Obejmuje system oprogramowania do sterowania źródłem promieni rentgenowskich, akwizycji danych, analizy i interpretacji.
Obszary zastosowań: XRD ma ważne zastosowania w wielu dziedzinach, w tym między innymi:
1. Badania krystalograficzne: Służy do analizy struktury krystalicznej kryształów, określania parametrów sieciowych i orientacji kryształów.
2. Charakterystyka materiału: Analizuj informacje, takie jak struktura krystaliczna, skład fazowy i defekty kryształów materiału.
3. Analiza chemiczna: Zidentyfikuj struktury krystaliczne związków nieorganicznych i organicznych oraz zbadaj interakcje między cząsteczkami.
4. Analiza warstw: Służy do badania struktury krystalicznej, grubości i dopasowania sieciowego warstwy.
5. Mineralogia i geologia: Służy do identyfikacji rodzajów i zawartości minerałów oraz badania składu próbek geologicznych.
6. Badania leków: Analiza struktury krystalicznej leku jest pomocna w zrozumieniu jego właściwości i interakcji.
Ogólnie rzecz biorąc, XRD jest potężną techniką analityczną, która umożliwia naukowcom i inżynierom dogłębne zrozumienie struktury krystalicznej i właściwości materiałów, promując w ten sposób badania i zastosowania w nauce o materiałach i pokrewnych dziedzinach.
Zdjęcie dyfraktometru XRD
4.2 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) jest powszechnie stosowanym rodzajem mikroskopu. Wykorzystuje wiązkę elektronów zamiast wiązki światła do oświetlania próbki, umożliwiając obserwację powierzchni i morfologii w wysokiej rozdzielczości.
SEM jest szeroko stosowany w takich dziedzinach, jak nauka o materiałach, biologia i geologia.
Podstawowa zasada działania SEM jest następująca:
SEM wykorzystuje działo elektronowe do generowania wiązki elektronów. To działo elektronowe jest podobne do tego, które znajduje się w lampie elektronowej (CRT), generując wysokoenergetyczne elektrony. Wiązka elektronów przechodzi przez system kolimacji, który składa się z szeregu soczewek elektronowych, aby skupić i wyrównać wiązkę elektronów, zapewniając stabilność i skupienie wiązki. Pod kontrolą cewki skanującej wiązka elektronów skanuje powierzchnię próbki.
Pozycję wiązki elektronów można precyzyjnie kontrolować, generując w ten sposób piksele skanowania na próbce.
Próbka jest umieszczana na stoliku próbki SEM. Próbka musi być przewodząca, ponieważ w SEM wiązka elektronów musi oddziaływać z powierzchnią próbki, aby generować elektrony wtórne itp. Kiedy wysokoenergetyczne wiązki elektronów uderzają w powierzchnię próbki, oddziałują z atomami i cząsteczkami w próbce. Interakcje te powodują rozpraszanie, ucieczkę i wzbudzenie elektronów, generując różne sygnały. Detekcja SEM analizuje różne sygnały generowane z powierzchni próbki, głównie obejmujące elektrony wtórne (SE) i elektrony wstecznie rozproszone (BSE).
Sygnały te dostarczają informacji o morfologii powierzchni, strukturze i składzie próbki. Kontrolując pozycję skanowania wiązki elektronów na próbce, SEM może uzyskać informacje o pikselach powierzchni próbki. Informacje te są przetwarzane i wyświetlane przez komputer, generując obrazy powierzchni próbki w wysokiej rozdzielczości.
Obraz fizyczny SEM
4.3 Mikroskop sił atomowych (AFM)
Mikroskop sił atomowych (AFM) to technika mikroskopowa o wysokiej rozdzielczości, stosowana głównie do obserwacji cech próbek w skali atomowej i nanometrycznej. Jego zasada działania opiera się na interakcji między sondą a powierzchnią próbki. Mierząc zmiany położenia sondy, można uzyskać topografię i informacje topologiczne powierzchni próbki.
W AFM stosuje się bardzo drobną sondę, zwykle wykonaną z krzemu lub innych materiałów z końcówką w skali nanometrycznej. Sonda jest połączona z głowicą skanującą za pomocą wspornika lub urządzenia piezoelektrycznego, z końcówką sondy blisko powierzchni próbki. Kiedy sonda zbliża się do powierzchni próbki, zachodzą interakcje między atomami i cząsteczkami próbki a sondą, w tym siły elektrostatyczne, siły van der Waalsa i interakcje wiązań chemicznych itp. Ruch wspornika lub urządzenia piezoelektrycznego jest kontrolowany w celu utrzymania określonej siły między końcówką sondy a powierzchnią próbki.
AFM wykorzystuje system sprzężenia zwrotnego do utrzymania stałej siły między sondą a próbką. Kiedy wysokość lub położenie sondy ulega zmianie, system sprzężenia zwrotnego automatycznie dostosowuje położenie wspornika, aby utrzymać stałą siłę. Sonda i próbka poruszają się względem siebie, zwykle na dwuwymiarowej siatce, tworząc skan. W każdym punkcie skanowania nierówności powierzchni próbki powodują zmianę położenia końcówki sondy. Mierząc zmianę położenia sondy, można uzyskać informacje topologiczne powierzchni próbki. Ostatecznie zebrane dane są przetwarzane w celu wygenerowania obrazu topologicznego powierzchni próbki w wysokiej rozdzielczości.
AFM ma szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach. Jest stosowany w takich obszarach, jak nauka o materiałach, biologia i nanotechnologia, pomagając naukowcom uzyskać głębsze zrozumienie morfologii powierzchni i struktury materiałów, a nawet umożliwiając manipulację strukturami w nanoskali.
Zalety AFM obejmują wysoką rozdzielczość, nieniszczący charakter i wiele trybów pracy, co czyni go potężnym narzędziem do obserwacji i badań w nanoskali.
Obraz fizyczny AFM
Schemat zasady pomiaru i trybu pracy mikroskopii sił atomowych
Wniosek
ZMSH specjalizuje się w zaawansowanych technologiach osadzania cienkich warstw, w tym MOCVD, napylaniu magnetronowym i PECVD, oferując dostosowany rozwój procesów dla półprzewodników, optoelektroniki i zastosowań powłok funkcjonalnych. Nasze usługi obejmują niestandardowe projektowanie systemów, optymalizację parametrów i wzrost warstw o wysokiej czystości, a także sprzedaż precyzyjnego sprzętu do osadzania w celu zaspokojenia potrzeb badawczo-rozwojowych i produkcji przemysłowej.
Oto polecane produkty SiC przez ZMSH:
* Skontaktuj się z nami w przypadku jakichkolwiek obaw dotyczących praw autorskich, a niezwłocznie się nimi zajmiemy.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!
