Gambaran Keseluruhan Komprehensif Teknik Pemendapan Filem Nipis: MOCVD, Magnetron Sputtering dan PECVD

Dalam pembuatan semikonduktor, manakala fotolitografi dan etsa adalah proses yang paling kerap disebut, teknik pemendapan filem epitaxial atau nipis adalah sama kritikal. Artikel ini memperkenalkan beberapa kaedah pemendapan filem nipis biasa yang digunakan dalam fabrikasi cip, termasukMOCVD, magnetron terpercik, danPECVD.

Mengapakah Proses Filem Nipis Penting dalam Pembuatan Cip?

Untuk menggambarkan, bayangkan roti rata yang dibakar. Dengan sendirinya, rasanya hambar. Walau bagaimanapun, dengan menyikat permukaan dengan sos yang berbeza—seperti pes kacang yang enak atau sirap malt manis—anda boleh mengubah rasanya sepenuhnya. Salutan penambah rasa ini serupa dengannyafilem nipisdalam proses semikonduktor, manakala roti rata itu sendiri mewakilisubstrat.

Dalam fabrikasi cip, filem nipis mempunyai banyak peranan berfungsi—penebat, kekonduksian, pempasifan, penyerapan cahaya, dll—dan setiap fungsi memerlukan teknik pemendapan tertentu.

1. Pemendapan Wap Kimia Logam-Organik (MOCVD)

MOCVD ialah teknik yang sangat maju dan tepat digunakan untuk pemendapan filem nipis semikonduktor berkualiti tinggi dan struktur nano. Ia memainkan peranan penting dalam fabrikasi peranti seperti LED, laser dan elektronik kuasa.

Komponen Utama Sistem MOCVD:

• Sistem Penghantaran Gas
  Bertanggungjawab untuk pengenalan tepat bahan tindak balas ke dalam ruang tindak balas. Ini termasuk kawalan aliran:

• Gas pembawa

• Prekursor logam-organik

• Gas hidrida
  Sistem ini mempunyai injap berbilang hala untuk menukar antara mod pertumbuhan dan pembersihan.

• Bilik Reaksi
  Jantung sistem di mana pertumbuhan bahan sebenar berlaku. Komponen termasuk:

  • Suseptor grafit (pemegang substrat)

  • Pemanas dan sensor suhu

  • Port optik untuk pemantauan in-situ

  • Lengan robot untuk memuat/memunggah wafer automatik

• Sistem Kawalan Pertumbuhan
  Terdiri daripada pengawal logik boleh atur cara dan komputer hos. Ini memastikan pemantauan yang tepat dan kebolehulangan sepanjang proses pemendapan.

• Pemantauan In-situ
  Alat seperti pyrometer dan reflectometer mengukur:

  • Ketebalan filem

  • Suhu permukaan

  • Kelengkungan substrat
    Ini membolehkan maklum balas dan pelarasan masa nyata.

• Sistem Rawatan Ekzos
  Merawat produk sampingan toksik menggunakan penguraian terma atau pemangkinan kimia untuk memastikan keselamatan dan pematuhan alam sekitar.

Konfigurasi Kepala Pancuran Tertutup (CCS):

Dalam reaktor MOCVD menegak, reka bentuk CCS membolehkan gas disuntik secara seragam melalui muncung berselang-seli dalam struktur kepala pancuran. Ini meminimumkan tindak balas pramatang dan meningkatkan pencampuran seragam.

• Thesuseptor grafit berputarseterusnya membantu menyeragamkan lapisan sempadan gas, meningkatkan keseragaman filem merentasi wafer.

2. Magnetron Sputtering

Sputtering magnetron ialah kaedah pemendapan wap fizikal (PVD) yang digunakan secara meluas untuk mendepositkan filem dan salutan nipis, terutamanya dalam elektronik, optik dan seramik.

Prinsip Kerja:

1. Bahan Sasaran
   Bahan sumber yang akan dimendapkan—logam, oksida, nitrida, dsb—ditetapkan pada katod.

2. Bilik Vakum
   Proses ini dilakukan di bawah vakum yang tinggi untuk mengelakkan pencemaran.

3. Penjanaan Plasma
   Gas lengai, biasanya argon, diionkan untuk membentuk plasma.

4. Aplikasi Medan Magnet
   Medan magnet mengehadkan elektron berhampiran sasaran untuk meningkatkan kecekapan pengionan.

5. Proses Sputtering
   Ion mengebom sasaran, melepaskan atom yang bergerak melalui ruang dan memendap ke substrat.

Kelebihan Magnetron Sputtering:

• Pemendapan Filem Seragammerentasi kawasan yang luas.

• Keupayaan untuk Mendepositkan Kompaun Kompleks, termasuk aloi dan seramik.

• Parameter Proses Boleh Ditalauntuk kawalan tepat ketebalan, komposisi, dan struktur mikro.

• Kualiti Filem Tinggidengan lekatan yang kuat dan kekuatan mekanikal.

• Keserasian Bahan Luas, daripada logam kepada oksida dan nitrida.

• Operasi Suhu Rendah, sesuai untuk substrat sensitif suhu.

3. Pemendapan Wap Kimia Dipertingkat Plasma (PECVD)

PECVD digunakan secara meluas untuk pemendapan filem nipis seperti silikon nitrida (SiNx), silikon dioksida (SiO₂), dan silikon amorf.

Prinsip:

Dalam sistem PECVD, gas prekursor dimasukkan ke dalam ruang vakum di mana aplasma pelepasan cahayadihasilkan menggunakan:

• Pengujaan RF

• DC voltan tinggi

• Ketuhar gelombang mikro atau sumber berdenyut

Plasma mengaktifkan tindak balas fasa gas, menghasilkan spesies reaktif yang memendap pada substrat untuk membentuk filem nipis.

Langkah-langkah Pemendapan:

1. Pembentukan Plasma
   Teruja oleh medan elektromagnet, gas prekursor mengion untuk membentuk radikal dan ion reaktif.

2. Reaksi dan Pengangkutan
   Spesies ini mengalami tindak balas sekunder apabila mereka bergerak ke arah substrat.

3. Tindak balas Permukaan
   Apabila mencapai substrat, mereka menjerap, bertindak balas, dan membentuk filem pepejal. Sesetengah produk sampingan dibebaskan sebagai gas.

Faedah PECVD:

• Keseragaman Cemerlangdalam komposisi dan ketebalan filem.

• Lekatan Kuatwalaupun pada suhu pemendapan yang agak rendah.

• Kadar Pemendapan Tinggi, menjadikannya sesuai untuk pengeluaran berskala industri.

4. Teknik Perwatakan Filem Nipis

Memahami sifat filem nipis adalah penting untuk kawalan kualiti. Teknik biasa termasuk:

(1) Pembelauan sinar-X (XRD)

• Tujuan: Menganalisis struktur hablur, pemalar kekisi, dan orientasi.

• Prinsip: Berdasarkan Undang-undang Bragg, mengukur bagaimana sinar-X difraksi melalui bahan kristal.

• Aplikasi: Penghabluran, analisis fasa, pengukuran terikan, dan penilaian filem nipis.

(2) Mengimbas Mikroskopi Elektron (SEM)

• Tujuan: Memerhati morfologi permukaan dan struktur mikro.

• Prinsip: Menggunakan pancaran elektron untuk mengimbas permukaan sampel. Isyarat yang dikesan (cth, elektron sekunder dan terserak belakang) mendedahkan butiran permukaan.

• Aplikasi: Sains bahan, nanoteknologi, biologi dan analisis kegagalan.

(3) Mikroskopi Daya Atom (AFM)

• Tujuan: Permukaan imej pada peleraian atom atau nanometer.

• Prinsip: Kuar tajam mengimbas permukaan sambil mengekalkan daya interaksi yang berterusan; anjakan menegak menjana topografi 3D.

• Aplikasi: Penyelidikan struktur nano, pengukuran kekasaran permukaan, kajian biomolekul.