فرآیندها و تجهیزات نیمه هادی: فرآیندها و تجهیزات رسوب لایه نازک

رسوب لایه نازک عبارت است از رسوب یک فیلم در اندازه نانو بر روی زیرلایه و سپس با انجام فرآیندهای مکرر مانند اچینگ و پرداخت، لایه‌های رسانا یا عایق انباشته زیادی ساخته می‌شود و هر لایه دارای یک الگوی مدار طراحی شده است. به این ترتیب اجزا و مدارهای نیمه هادی در تراشه هایی با ساختار پیچیده یکپارچه می شوند.

سه دسته اصلی رسوب لایه نازک وجود دارد:

◈ CVD (رسوب بخار شیمیایی)

◈ PVD (رسوب بخار فیزیکی)

◈ ALD (رسوب لایه های اتمی)

بیایید نگاهی دقیق تر به فناوری های رسوب لایه نازک از این سه دسته بیندازیم.

 

فرآیند رسوب بخار شیمیایی

رسوب بخار شیمیایی (CVD) از طریق تجزیه حرارتی و/یا واکنش ترکیبات گازی، یک لایه نازک بر روی سطح یک بستر تشکیل می دهد. مواد لایه فیلم قابل ساخت به روش CVD شامل کاربید، نیترید، بورید، اکسید، سولفید، سلنید، تلورید و همچنین برخی از ترکیبات فلزی، آلیاژها و غیره می باشد.

رسوب بخار شیمیایی در حال حاضر یک روش ساخت میکروسکوپی مهم است زیرا دارای ویژگی های زیر است:

1. طیف گسترده ای از رسوبات: فیلم های فلزی و غیر فلزی و همچنین فیلم هایی با آلیاژهای چند جزئی و همچنین لایه های سرامیکی یا مرکب در صورت نیاز قابل ته نشینی هستند.

2. واکنش CVD در فشار اتمسفر یا خلاء کم انجام می شود و پراش پوشش خوب است و می توان آن را به طور یکنواخت برای سوراخ های عمیق و سوراخ های ریز روی سطوح با اشکال پیچیده یا قطعه کار پوشش داد.

3. می تواند یک پوشش فیلم نازک با خلوص بالا، فشردگی خوب، تنش پسماند کم و تبلور خوب به دست آورد. با توجه به انتشار متقابل گازهای واکنش، محصولات واکنش و بسترها، می توان یک فیلم چسبناک به دست آورد که برای فیلم های تقویت کننده سطح مانند غیرفعال شدن سطح، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش مهم است.

4. از آنجایی که دمایی که فیلم در آن رشد می کند بسیار کمتر از نقطه ذوب مواد فیلم است، می توان یک لایه فیلم کاملاً خالص و کاملا متبلور بدست آورد که برای برخی از پوشش های نیمه هادی ضروری است.

5. با تنظیم پارامترهای رسوب، ترکیب شیمیایی، مورفولوژی، ساختار بلوری و اندازه دانه روکش را می توان به طور موثر کنترل کرد.

6. تجهیزات ساده، آسان برای کار و نگهداری است.

7. دمای واکنش بسیار بالا است، به طور کلی 850 ~ 1100 درجه، و بسیاری از مواد ماتریس نمی توانند دمای بالای CVD را تحمل کنند. برای کاهش دمای رسوب می توان از فناوری پلاسما یا لیزر کمک کرد.

فرآیند رسوب شیمیایی بخار به سه مرحله مهم تقسیم می شود:

1، گاز واکنش به سطح ماتریس پخش می شود

2، گاز واکنش بر روی سطح ماتریس جذب می شود

3، یک واکنش شیمیایی روی سطح ماتریس برای تشکیل رسوبات جامد رخ می دهد و محصولات جانبی فاز گاز حاصل از سطح ماتریس جدا می شوند.

رایج ترین واکنش های رسوب شیمیایی بخار عبارتند از: واکنش تجزیه حرارتی، واکنش سنتز شیمیایی و واکنش انتقال شیمیایی. فرآیندهای اصلی واکنش CVD به شرح زیر است:
i). پلی سیلیکون

SiH4 ->Si + 2h2 (600 درجه)

سرعت رسوب 100 - 200 نانومتر در دقیقه

فسفر (فسفین)، بور (دیبوران) یا گاز آرسنیک را می توان اضافه کرد. پلی سیلیکون همچنین می تواند پس از رسوب با گاز انتشار دوپ شود.

II).سیلیکوندی اکسید

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 درجه)

SiO2 به عنوان عایق یا لایه غیرفعال استفاده می شود. معمولاً برای به دست آوردن خواص جریان الکترون بهتر، فسفر اضافه می شود. هنگامی که سیلیکون در اکسیژن وجود دارد، SiO2 به صورت حرارتی رشد می کند. اکسیژن از اکسیژن یا بخار آب به دست می آید. دمای محیط مورد نیاز 900 تا 1200 درجه است. سطح ویفر سیلیکونی پس از اکسیداسیون انتخابی در شکل زیر نشان داده شده است:

هم اکسیژن و هم آب از طریق SiO2 موجود پخش می شوند و با Si ترکیب می شوند تا SiO2 اضافی را تشکیل دهند. آب (بخار) راحتتر از اکسیژن پخش می شود، بنابراین با استفاده از بخار سریعتر رشد می کند. از اکسیدها برای ایجاد یک لایه عایق و غیرفعال برای تشکیل گیت ترانزیستور استفاده می شود. از اکسیژن خشک برای تشکیل دروازه ها و لایه های نازک اکسیدی استفاده می شود. بخار برای تشکیل یک لایه اکسید ضخیم استفاده می شود. لایه اکسید عایق معمولاً حدود 1500 نانومتر است و لایه دروازه معمولاً بین 200 نانومتر تا 500 نانومتر است.

III). سیلیکون نیترید

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N{1}}H2

تجهیزات CVD رسوب بخار شیمیایی

سه نوع اصلی از راکتورهای CVD وجود دارد:

◈ APCVD: فشار اتمسفر CVD

◈ LPCVD: فشار کم CVD، LPCVD

◈ UHVCVD: CVD خلاء فوق العاده بالا

◈ LCVD: لیزر CVD

◈ MOCVD: CVD فلزی-آلی

◈ CVD (PECVD

نمودار شماتیک تجهیزات برای فرآیند CVD کم فشار در شکل زیر نشان داده شده است.

نمودار زیر ساختار یک کارخانه CVD تقویت‌شده با یون را نشان می‌دهد که برای رسوب کربن و تهیه یک پوشش الماس مانند استفاده می‌شود.

PVDفرآیند

در شرایط خلاء، مواد روی سطح منبع ماده (جامد یا مایع) به اتم‌های گازی، مولکول‌ها یا قطعات یونیزه شده به یون‌ها با روش‌های فیزیکی تبخیر می‌شوند و یک لایه نازک با عملکردی خاص بر روی سطح ماتریس رسوب می‌کند. از طریق یک فرآیند گاز کم فشار (یا پلاسما). رسوب بخار فیزیکی نه تنها می تواند فیلم های فلزی و فیلم های آلیاژی را رسوب دهد، بلکه می تواند ترکیبات، سرامیک ها، نیمه هادی ها، فیلم های پلیمری و غیره را نیز رسوب دهد. اصل اساسی فناوری رسوب بخار فیزیکی را می توان به سه مرحله فرآیند تقسیم کرد: (1) تبخیر کردن مواد آبکاری: حتی اگر مواد آبکاری تبخیر، تصعید یا پاشیده شوند، یعنی از طریق منبع تبخیر مواد آبکاری. (2) مهاجرت اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌های مواد آبکاری: پس از برخورد اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌های عرضه‌شده توسط منبع گازی شدن، واکنش‌های مختلفی ایجاد می‌شود. (3) رسوب آبکاری اتم ها، مولکول ها یا یون ها بر روی بستر. فرآیند فناوری رسوب بخار فیزیکی بدون آلودگی است و مواد مصرفی کمی دارد. فیلم یکنواخت و متراکم است و نیروی اتصال با بستر قوی است. این فناوری به طور گسترده در هوافضا، الکترونیک، اپتیک، ماشین آلات، ساخت و ساز، صنایع سبک، متالورژی، مواد و سایر زمینه ها استفاده می شود و می تواند پوشش هایی با مقاوم در برابر سایش، مقاوم در برابر خوردگی، تزئینی، رسانا، عایق، رسانایی نور، پیزوالکتریک تهیه کند. مغناطیس، روانکاری، ابررسانایی و سایر ویژگی ها. همچنین فرآیندهای مختلفی برای رسوب فیزیکی بخار وجود دارد:

◈ لایه نازک وکیوم پوشش

◈ PVD-Sputtering

◈ پوشش یونی

در زیر ما فناوری های فرآیندی را برای هر یک از این سه نوع روش توضیح می دهیم.

◈ لایه نازک وکیوم پوشش

اصل:لایه نازک وکیوم پوششفن آوری است که هدف آبکاری را در شرایط خلاء گرم و تبخیر می کند، به طوری که تعداد زیادی از اتم ها و مولکول ها تبخیر می شوند و مواد آبکاری مایع را ترک می کنند یا سطح آبکاری جامد (یا تصعید) را ترک می کنند و در نهایت روی سطح رسوب می کنند. بستر در کل فرآیند، اتم‌ها و مولکول‌های گازی با برخوردهای کمی در خلاء مستقیماً به ماتریکس مهاجرت می‌کنند و روی سطح ماتریس رسوب می‌کنند تا یک لایه نازک تشکیل دهند. روش های تبخیر شامل گرمایش مقاومتی، گرمایش القایی با فرکانس بالا، پرتو الکترونی، پرتو لیزر، مواد آبکاری بمباران پرانرژی پرتو یونی و غیره است.

پوشش خلاء لایه نازک یکی از قدیمی ترین فناوری های PVD است.

منبع تبخیر:مواد آبکاری تا دمای تبخیر گرم شده و تبخیر می شوند، این وسیله گرمایشی منبع تبخیر نامیده می شود. متداول ترین منابع تبخیر مورد استفاده منابع تبخیر مقاومتی و منابع تبخیر پرتو الکترونی هستند و منابع تبخیر برای اهداف خاص شامل گرمایش القایی با فرکانس بالا، گرمایش قوس الکتریکی، گرمایش تابشی، منابع تبخیر حرارت لیزری و غیره است. فرآیند: فرآیند اصلی خلاء تبخیر به شرح زیر است:

عملیات پیش آبکاری: شامل تمیز کردن قطعات آبکاری و پیش تصفیه. روش های تمیز کردن خاص شامل تمیز کردن با عامل تمیز کننده، تمیز کردن با حلال شیمیایی، تمیز کردن اولتراسونیک و تمیز کردن بمباران یونی است. پیش تصفیه خاص شامل حذف استاتیک، پوشش پرایمر و غیره است.

بارگذاری کوره: شامل تمیز کردن محفظه خلاء، تمیز کردن آویزهای آبکاری، نصب و رفع اشکال منابع تبخیر و پوشش روپوش ها.

جاروبرقی: به طور کلی، اولین پمپاژ خشن به بیش از 6.6 Pa، پمپ خلاء تعمیر و نگهداری پیش از مرحله پمپ انتشار زودتر باز می شود و پمپ انتشار گرم می شود. بعد از اینکه پیش گرمایش کافی شد، شیر بالا را باز کنید و با پمپ انتشار آن را به خلاء پس زمینه 6×{4}}پا پمپ کنید.

پخت: قسمت های آبکاری شده را تا دمای دلخواه بپزید.

بمباران یونی: درجه خلاء به طور کلی 10Pa~{1}}Pa، ولتاژ بمباران یونی 200V~1kV ولتاژ بالا منفی و زمان خروج 5min~30min است.

پیش ذوب: جریان را تنظیم کنید تا مواد آبکاری از قبل ذوب شود و گاز زدایی به مدت 1 دقیقه تا 2 دقیقه انجام شود.

رسوب تبخیری: جریان تبخیر را با توجه به نیاز تا پایان زمان رسوب مورد نظر تنظیم کنید. 8. خنک سازی: قطعات آبکاری شده تا دمای معینی در محفظه خلاء خنک می شوند.

9. کوره: پس از چیدن، محفظه خلاء را ببندید، با خلاء 1×10-1 Pa وکیوم کنید و قبل از خاموش کردن پمپ تعمیر و نگهداری و آب خنک کننده، پمپ انتشار تا دمای مجاز خنک می شود.

◈ PVD-Sputtering

پوشش پراکنده به استفاده از ذرات به دست آمده با انرژی (مانند یون های آرگون) برای بمباران سطح ماده مورد نظر در شرایط خلاء اشاره دارد، به طوری که اتم های روی سطح ماده مورد نظر بتوانند انرژی کافی برای فرار به دست آورند. به نام sputtering. هدف پراکنده شده بر روی سطح زیرلایه رسوب می کند که به آن پوشش کندوپاشی می گویند.

اتم های آرگون (Ar) را می توان با پر کردن آرگون (Ar) در محیط خلاء و تخلیه آرگون در ولتاژ بالا به یون آرگون (Ar+) یونیزه کرد. تحت اثر نیروی میدان الکتریکی، یون‌های آرگون بمباران هدف کاتدی ساخته شده از مواد آبکاری را تسریع می‌کنند و هدف به بیرون پراکنده می‌شود و روی سطح قطعه کار رسوب می‌کند.

پوشش کندوپاش را می توان به کندوپاش DC، کندوپاش فرکانس رادیویی و کندوپاش مگنترون تقسیم کرد و منبع ولتاژ تخلیه درخشندگی و میدان کنترل مربوطه به ترتیب جریان مستقیم ولتاژ بالا، جریان متناوب فرکانس رادیویی (RF) و میدان مگنترون (M) است.

پوشش کندوپاش، سرعت رسوب بالا، تکرارپذیری فرآیند خوب، اتوماسیون آسان، مناسب برای پوشش دکوراسیون معماری در مقیاس بزرگ و پوشش کاربردی مواد صنعتی. پوشش های کندوپاش نقش مهمی در ساخت مدارهای مجتمع و دستگاه های نیمه هادی دارند.

با توسعه صنایع پیشرفته و نوظهور، بسیاری از نکات برجسته جدید و پیشرفته در فناوری رسوب بخار فیزیکی مانند آبکاری یونی چند قوس و فناوری سازگاری کندوپاش مگنترون، اهداف قوس بلند مستطیلی و اهداف کندوپاش، عدم تعادل وجود دارد. اهداف کندوپاش مگنترون، فناوری هدف دوقلو، فن‌آوری پوشش سیم‌پیچ رسوب چند قوس فوم روبان، نوار فن آوری پوشش سیم پیچ پارچه فیبر، و غیره، استفاده از مجموعه کامل تجهیزات پوشش، به کامپیوتر خودکار، توسعه مقیاس صنایع شیمیایی در مقیاس بزرگ.

◈ پوشش یونی

اصل اساسی پوشش یونی استفاده از فناوری یونیزاسیون پلاسما در شرایط خلاء برای یونیزه کردن جزئی اتم‌های مواد آبکاری به یون و در عین حال تولید بسیاری از اتم‌های خنثی با انرژی بالا است. یک بایاس منفی روی بستری که قرار است آبکاری شود اعمال می شود، به طوری که تحت عمل بایاس منفی عمیق، یون ها روی سطح بستر رسوب می کنند تا یک لایه نازک تشکیل شود.

با کمک تخلیه تابش گاز بی اثر، پوشش یونی باعث می شود که مواد آبکاری (مانند فلز تیتانیوم) به گاز تبدیل و تبخیر و یونیزه شوند و یون ها توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند تا سطح قطعه کار را با انرژی بالاتر بمباران کنند. زمان، اگر دی اکسید کربن، نیتروژن و سایر گازهای واکنش وارد شوند، لایه های پوششی TiC و TiN را می توان روی سطح قطعه کار به دست آورد. سختی به 2000HV می رسد.

پوشش یونی یکی از پرکاربردترین فرآیندهای پوشش دهی در روش رسوب فیزیکی بخار است.

مزایای آن به شرح زیر است:

① چسبندگی بین لایه فیلم و ماتریس قوی است و دمای واکنش پایین است.

②لایه فیلم یکنواخت و متراکم است.

③ آبکاری سیم پیچ خوب تحت فشار بایاس منفی.

④بدون آلودگی

⑤ طیف وسیعی از مواد بستر برای آبکاری یونی مناسب هستند.

با توسعه فناوری پوشش یونی، روش های مختلفی برای فناوری پوشش یونی پدیدار شده است، مانند: آبکاری یونی راکتیو، پوشش پلاسما، آبکاری یونی چند قوس و غیره که در اینجا به همه آنها نمی پردازم.

PVDتجهیزات

تجهیزات رسوب بخار فیزیکی شامل پوشش‌های تبخیر خلاء، پوشش‌دهنده‌های خلاء پاشش و پوشش‌های یونی خلاء هستند. شکل زیر اصل ساختاری پوشش‌دهنده تبخیر خلاء را نشان می‌دهد.

شکل زیر نمودار شماتیک ساختار تجهیزات پوشش کندوپاش را نشان می دهد

شکل زیر نمودار شماتیک ساختاری تجهیزات پوشش یونی را نشان می دهد

ALDفرآیند

ALD:Atomic Layers Deposition یک فناوری رسوب لایه نازک با دقت بالا بر اساس رسوب شیمیایی بخار (CVD) است که فناوری ای است که مواد را لایه به لایه بر روی سطح یک بستر به شکل یک فیلم اتمی منفرد بر اساس فاز بخار شیمیایی. بر خلاف CVD معمولی، ALD رسوبی است که در آن پیش سازهای واکنش به طور متناوب رسوب می کنند و واکنش شیمیایی فیلم اتمی جدید است. ارتباط مستقیم با لایه قبلی دارد، به طوری که در هر واکنش تنها یک لایه اتم رسوب می کند.

در هر واکنش فقط یک لایه اتم رسوب می‌کند که خود محدود شونده است و به فیلم اجازه می‌دهد تا روی لایه‌های منسجم و بدون سوراخ سوزنی قرار گیرد. در نتیجه، ضخامت فیلم را می توان با کنترل تعداد چرخه های رسوب به طور دقیق کنترل کرد.

مواد قابل رسوب گذاری ALD شامل فلزات، اکسیدها، کربن (نیتروژن، گوگرد، سیلیسیم)، مواد نیمه هادی مختلف و مواد ابررسانا هستند. همانطور که مدارهای مجتمع بیشتر و بیشتر یکپارچه تر و کوچکتر می شوند، دی الکتریک های گیت با ثابت دی الکتریک بالا (k بالا) به تدریج جایگزین گیت های اکسید سیلیکون سنتی می شوند و نسبت ابعاد بزرگتر و بزرگتر می شود، که الزامات بالاتری را برای توانایی پوشش پله ای ایجاد می کند. فناوری رسوب گذاری، بنابراین ALD به طور فزاینده ای به عنوان یک فرآیند رسوب گذاری جدید که می تواند الزامات فوق را برآورده کند، مورد استفاده قرار می گیرد.

یک چرخه ALD را می توان به چهار مرحله تقسیم کرد:

اولین گاز پیش ساز به زیرلایه وارد می شود و جذب یا واکنش شیمیایی با سطح بستر رخ می دهد.

گاز باقیمانده را با گاز بی اثر بشویید.

گاز پیش ساز دوم را معرفی کنید. واکنش شیمیایی با اولین گاز پیش ساز جذب شده روی سطح ماتریس برای تشکیل یک پوشش، یا محصولی که با اولین پیش ساز واکنش می دهد و ماتریس به واکنش ادامه می دهد تا یک پوشش تشکیل شود.

گاز اضافی را دوباره با گاز بی اثر بشویید.

ویژگی ها و مزایای فناوری ALD:

تطابق سه بعدی عالی: ALD فیلمی را تولید می کند که با شکل زیرلایه اصلی سازگار است، یعنی فیلم می تواند به طور یکنواخت بر روی یک سطح مقعر قرار گیرد. بنابراین، برای بسترهایی با اشکال مختلف مناسب است. فیلم سه بعدی یکنواخت، شکل یکنواخت و انطباق از مزایای منحصر به فرد فناوری ALD است.

مسطح بودن بالا: سطح بدون سوراخ است و مکانیسم رشد از پایین به بالا ماهیت بدون سوراخ فیلم را تعیین می کند که برای برنامه های مسدود کردن و غیرفعال کردن ارزشمند است.

چسبندگی عالی: جذب شیمیایی پیش ماده به سطح بستر، چسبندگی عالی را تضمین می کند.

بودجه حرارتی کم (دمای رسوب کم): رشد لایه نازک را می توان در دماهای پایین (دمای اتاق تا 400 درجه) انجام داد، که برای دستگاه های پلیمری با محدودیت دما و پوشش های بیومتریال بسیار جذاب است.

دقت بالا: ضخامت لایه زیرلایه را می توان با کنترل چرخه واکنش به سادگی و دقیق کنترل کرد و دقت ضخامت فیلم می تواند به ضخامت یک اتم برسد.

تجهیزات ALD

دمای فرآیند تجهیزات ALD 50~500 درجه است که می تواند تحت فشار معمولی کار کند، اما در شرایط فشار کم (0.1 ~ 10 Torr) کار می کند. ALD را می توان با توجه به روش های مختلف تامین انرژی به رسوب اتمی گرم و رسوب لایه اتمی تقویت شده با پلاسما (PEALD) تقسیم کرد. ALD حرارتی به انرژی حرارتی برای تحریک دو یا چند پیش ساز برای واکنش شیمیایی متکی است. به منظور ارائه انرژی فعال واکنش کافی، تجهیزات رسوب لایه اتمی حرارتی معمولاً در محدوده 200 تا 500 درجه کار می کنند.

تصویر زیر یک دستگاه ALD تک ویفر را نشان می دهد

0020-24896 حلقه روکش 6 اینچی SST 101 AL

 

--پایان--