Yarıiletken Süreçler ve Ekipmanlar: İnce Film Biriktirme Süreçleri ve Ekipmanları

İnce film biriktirme, nano boyutlu bir filmin altlık üzerine biriktirilmesidir ve daha sonra aşındırma ve cilalama gibi tekrarlanan işlemlerle birçok istiflenmiş iletken veya yalıtkan katman yapılır ve her katman tasarlanmış bir devre desenine sahiptir. Bu sayede yarı iletken bileşenler ve devreler karmaşık yapılara sahip çiplere entegre ediliyor.

İnce film biriktirmenin üç ana kategorisi vardır:

◈ CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme)

◈ PVD (Fiziksel Buhar Biriktirme)

◈ ALD (Atomik Katman Birikimi)

Bu üç kategoriden ince film biriktirme teknolojilerine daha yakından bakalım.

 

Kimyasal Buhar Biriktirme Prosesi

Kimyasal buhar biriktirme (CVD), termal ayrışma ve/veya gazlı bileşiklerin reaksiyonu yoluyla bir alt tabakanın yüzeyinde ince bir film oluşturur. CVD yöntemiyle yapılabilen film tabakası malzemeleri arasında karbür, nitrür, borür, oksit, sülfür, selenit, tellür ve ayrıca bazı metal bileşikleri, alaşımları vb. yer alır.

Kimyasal buhar biriktirme şu anda önemli bir mikroskobik üretim yöntemidir çünkü aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1. Geniş bir kaplama yelpazesi: metalik ve metalik olmayan filmlerin yanı sıra çok bileşenli alaşımlı filmler ve gerektiğinde seramik veya bileşik katmanlar biriktirilebilir.

2. CVD reaksiyonu atmosferik basınçta veya düşük vakumda gerçekleştirilir ve kaplamanın kırınımı iyidir ve karmaşık şekillere veya iş parçalarına sahip yüzeylerde derin delikler ve ince delikler için eşit şekilde kaplanabilir.

3. Yüksek saflıkta, iyi kompaktlıkta, düşük artık gerilimde ve iyi kristalleşmede ince bir film kaplama elde edilebilir. Reaksiyon gazlarının, reaksiyon ürünlerinin ve substratların karşılıklı difüzyonu nedeniyle, yüzey pasivasyonu, korozyon direnci ve aşınma direnci gibi yüzey güçlendirme filmleri için önemli olan iyi yapışan bir film elde edilebilir.

4. Filmin büyütüldüğü sıcaklık, film malzemesinin erime noktasından çok daha düşük olduğundan, bazı yarı iletken kaplamalar için gerekli olan, oldukça saf, tamamen kristalize bir film tabakası elde etmek mümkündür.

5. Biriktirme parametrelerini ayarlayarak kaplamanın kimyasal bileşimi, morfolojisi, kristal yapısı ve tane boyutu etkili bir şekilde kontrol edilebilir.

6. Ekipman basit, kullanımı ve bakımı kolaydır.

7. Reaksiyon sıcaklığı çok yüksektir, genellikle 850~1100 derecedir ve birçok matris malzemesi CVD'nin yüksek sıcaklığına dayanamaz. Biriktirme sıcaklığını azaltmak için plazma veya lazer destekli teknoloji kullanılabilir.

Kimyasal buhar biriktirme işlemi üç önemli aşamaya ayrılır:

1, Reaksiyon gazı matrisin yüzeyine yayılır

2, Reaksiyon gazı matrisin yüzeyinde adsorbe edilir

3,Matrisin yüzeyinde katı birikintiler oluşturmak için kimyasal bir reaksiyon meydana gelir ve ortaya çıkan gaz fazı yan ürünleri matrisin yüzeyinden ayrılır.

En yaygın kimyasal buhar biriktirme reaksiyonları şunlardır: termal ayrışma reaksiyonu, kimyasal sentez reaksiyonu ve kimyasal taşıma reaksiyonu. CVD'nin ana reaksiyon süreçleri aşağıdaki gibidir:
i). Polisilikon

SiH4 ->Si + 2h2 (600 derece)

Biriktirme Hızı 100 - 200 nm /dak

Fosfor (fosfin), bor (diboran) veya arsenik gazı eklenebilir. Polisilikon, biriktirmeden sonra difüzyon gazıyla da katkılanabilir.

ii).SilikonDioksit

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 derece)

SiO2 yalıtkan veya pasifleştirme katmanı olarak kullanılır. Daha iyi elektron akış özellikleri elde etmek için genellikle fosfor eklenir. Oksijende silikon mevcut olduğunda SiO2 termal olarak büyür. Oksijen oksijenden veya su buharından gelir. Ortam sıcaklığı gereksinimi 900 ~ 1200 derecedir. Seçici oksidasyondan sonra silikon levhanın yüzeyi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

Hem oksijen hem de su mevcut SiO2 içinden yayılır ve ilave SiO2 oluşturmak üzere Si ile birleşir. Su (buhar) oksijenden daha kolay yayılır, dolayısıyla buhar kullanılarak çok daha hızlı büyür. Oksitler, transistör kapısını oluşturmak için bir yalıtım ve pasifleştirme katmanı sağlamak için kullanılır. Kapıları ve ince oksit katmanlarını oluşturmak için kuru oksijen kullanılır. Kalın bir oksit tabakası oluşturmak için buhar kullanılır. Yalıtkan oksit katmanı genellikle 1500 nm civarındadır ve geçit katmanı genellikle 200 nm ile 500 nm arasındadır.

iii). Siicon nitrür

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

Kimyasal Buhar Biriktirme CVD Ekipmanı

Üç temel CVD reaktörü türü vardır:

◈ APCVD: Atmosfer basıncı CVD

◈ LPCVD:Düşük basınçlı CVD,LPCVD

◈ UHVCVD: Ultra yüksek vakumlu CVD

◈ LCVD: Lazer CVD

◈ MOCVD:Metal-organik CVD

◈ CVD (PECVD)

Düşük basınçlı CVD prosesine yönelik ekipmanın şematik diyagramı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Aşağıdaki diyagram, karbon depolamak ve elmas benzeri bir kaplama hazırlamak için kullanılan iyonla güçlendirilmiş CVD tesisinin yapısını göstermektedir.

PVD (Cesaret Enerjisiİşlem

Vakum koşulları altında, malzeme kaynağının (katı veya sıvı) yüzeyindeki malzeme, fiziksel yöntemlerle gaz halindeki atomlara, moleküllere veya iyonlara iyonize edilmiş parçalara buharlaştırılır ve matrisin yüzeyinde özel işlevli ince bir film biriktirilir. düşük basınçlı bir gaz (veya plazma) işlemi yoluyla. Fiziksel buhar biriktirme yalnızca metal filmleri ve alaşım filmleri biriktirmekle kalmaz, aynı zamanda bileşikleri, seramikleri, yarı iletkenleri, polimer filmleri vb. biriktirebilir. Fiziksel buhar biriktirme teknolojisinin temel prensibi üç işlem adımına ayrılabilir: (1) Buharlaştırma kaplama malzemesi: kaplama malzemesi buharlaşsa, süblimleşse veya püskürtülse bile, yani kaplama malzemesinin buharlaşma kaynağı yoluyla. (2) Kaplama malzemesinin atomlarının, moleküllerinin veya iyonlarının göçü: Gazlaştırma kaynağı tarafından sağlanan atomlar, moleküller veya iyonlar çarpıştıktan sonra çeşitli reaksiyonlar üretilecektir. (3) Kaplama atomlarının, moleküllerinin veya iyonlarının substrat üzerinde birikmesi. Fiziksel buhar biriktirme teknolojisi süreci kirlilik içermez ve az miktarda sarf malzemesi içerir. Film düzgün ve yoğundur ve alt tabaka ile bağlanma kuvveti güçlüdür. Teknoloji, havacılık, elektronik, optik, makine, inşaat, hafif sanayi, metalurji, malzeme ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmakta ve aşınmaya dayanıklı, korozyona dayanıklı, dekoratif, iletken, izolasyon, ışık iletkenliği, piezoelektriklik, kaplamalar hazırlayabilmektedir. manyetizma, yağlama, süperiletkenlik ve diğer özellikler. Fiziksel buhar biriktirme için çeşitli işlemler de vardır:

◈ İnce Film Vakum Kaplama

◈ PVD-Püskürtme

◈ İyon Kaplama

Aşağıda bu üç yöntem türünün her biri için proses teknolojilerini açıklıyoruz.

◈ İnce Film Vakum Kaplama

İlke:İnce Film Vakum KaplamaKaplama hedefini vakum koşulları altında ısıtan ve buharlaştıran, böylece çok sayıda atom ve molekülün buharlaşarak sıvı kaplama malzemesini terk etmesini veya katı kaplama yüzeyini (veya süblimasyonu) terk etmesini ve son olarak kaplamanın yüzeyinde birikmesini sağlayan bir teknolojidir. substrat. Tüm süreçte, gaz halindeki atomlar ve moleküller, vakumda birkaç çarpışmayla doğrudan matrise göç edecek ve ince bir film oluşturmak üzere matrisin yüzeyinde biriktirilecektir. Buharlaştırma yöntemleri arasında dirençli ısıtma, yüksek frekanslı indüksiyonlu ısıtma, elektron ışını, lazer ışını, iyon ışını yüksek enerjili bombardıman kaplama malzemesi vb. yer alır.

İnce Film Vakum Kaplama, PVD'nin en eski teknolojilerinden biridir.

Buharlaşma kaynağı:Kaplama malzemesi buharlaşma sıcaklığına kadar ısıtılarak buharlaştırılır, bu ısıtma cihazına buharlaştırma kaynağı denir. En yaygın kullanılan buharlaşma kaynakları dirençli buharlaşma kaynakları ve elektron ışınlı buharlaşma kaynaklarıdır ve özel amaçlara yönelik buharlaşma kaynakları arasında yüksek frekanslı indüksiyonla ısıtma, arkla ısıtma, radyasyonla ısıtma, lazerle ısıtma buharlaştırma kaynakları vb. yer alır. Süreç: Temel vakum süreci buharlaşma şu şekildedir:

Kaplama öncesi işlem: kaplama parçalarının temizlenmesi ve ön işlem dahil. Spesifik temizleme yöntemleri arasında temizlik maddesi temizliği, kimyasal solvent temizliği, ultrasonik temizlik ve iyon bombardımanı temizliği yer alır. Spesifik ön arıtma, statik giderme, astar kaplama vb. içerir.

Fırın yükleme: vakum odası temizliği, kaplama askılarının temizliği, buharlaşma kaynaklarının kurulumu ve hata ayıklaması ve önlüklerin kaplanması dahil.

Vakumlama: Genel olarak, ilk kaba pompalama 6,6 Pa'nın üzerine çıkarsa, difüzyon pompasının ön aşama bakım vakum pompası daha önce açılır ve difüzyon pompası ısıtılır. Ön ısıtma yeterli olduktan sonra yüksek vanayı açın ve bir difüzyon pompasıyla 6×10-3Pa'lık arka plan vakumuna pompalayın.

Pişirme: Kaplama parçalarını istenilen sıcaklığa kadar pişirin.

İyon bombardımanı: vakum derecesi genellikle 10Pa~10-1Pa'dır, iyon bombardımanı voltajı 200V~1kV negatif yüksek voltajdır ve kalkış süresi 5 dakika~30 dakikadır,

Ön eritme: Kaplama malzemesini önceden eritmek ve 1 dakika ~ 2 dakika boyunca gazdan arındırmak için akımı ayarlayın.

Evaporatif biriktirme: İstenilen biriktirme süresinin sonuna kadar buharlaştırma akımını gereksinimlere göre ayarlayın. 8. Soğutma: Kaplama yapılan parçalar vakum odasında belirli bir sıcaklığa kadar soğutulur.

9. Fırın: Toplama sonrasında vakum odasını kapatın, 1×10-1Pa'ya vakumlayın ve bakım pompasını ve soğutma suyunu kapatmadan önce difüzyon pompası izin verilen sıcaklığa kadar soğutulur.

◈ PVD-Püskürtme

Püskürtme kaplama, enerji elde edilen parçacıkların (argon iyonları gibi) hedef malzemenin yüzeyini vakum koşulları altında bombardıman etmek için kullanılmasını ifade eder, böylece hedef malzemenin yüzeyindeki atomlar kaçmak için yeterli enerjiyi elde edebilir, bu işlem püskürtme denir. Püskürtülmüş hedef, püskürtme kaplama olarak adlandırılan alt tabakanın yüzeyinde biriktirilir.

Argon (Ar) atomları, vakum ortamında argonun (Ar) doldurulması ve argonun yüksek voltajda boşaltılmasıyla argon iyonlarına (Ar+) iyonize edilebilir. Elektrik alan kuvvetinin etkisi altında, argon iyonları kaplama malzemesinden yapılmış katot hedefinin bombardımanını hızlandırır ve hedef püskürtülerek iş parçasının yüzeyinde biriktirilir.

Püskürtme kaplaması DC püskürtme, radyo frekansı püskürtme ve magnetron püskürtme olarak ayrılabilir ve karşılık gelen akkor deşarj voltaj kaynağı ve kontrol alanı sırasıyla yüksek voltajlı doğru akım, radyo frekansı (RF) alternatif akım ve magnetron (M) alanıdır.

Püskürtme kaplama, yüksek biriktirme hızı, iyi proses tekrarlanabilirliği, kolay otomasyon, büyük ölçekli mimari dekorasyon kaplaması ve endüstriyel malzemelerin fonksiyonel kaplanması için uygundur. Püskürtme kaplamalar aynı zamanda entegre devrelerin ve yarı iletken cihazların üretiminde de önemli bir rol oynamaktadır.

Yüksek teknolojinin ve gelişen endüstrilerin gelişmesiyle birlikte, fiziksel buhar biriktirme teknolojisinde çok arklı iyon kaplama ve magnetron püskürtme uyumluluk teknolojisi, büyük dikdörtgen uzun yaylı hedefler ve püskürtme hedefleri, dengesizlik gibi birçok yeni ve gelişmiş öne çıkan özellikler bulunmaktadır. magnetron püskürtme hedefleri, ikiz hedef teknolojisi, şerit köpük çok arklı biriktirme sarma kaplama teknolojisi, şerit elyaf kumaş sarma kaplama teknolojisi vb., komple kaplama ekipmanı setlerinin kullanımı, bilgisayara otomatikleştirilmiş, büyük ölçekli kimya endüstrisi ölçeğinin geliştirilmesi.

◈ İyon Kaplama

İyon kaplamanın temel prensibi, kaplama malzemesinin atomlarını kısmen iyonize etmek ve aynı zamanda birçok yüksek enerjili nötr atom üretmek için vakum koşulları altında plazma iyonizasyon teknolojisini kullanmaktır. Kaplanacak alt tabakaya negatif bir öngerilim uygulanır, böylece derin negatif öngerilim etkisi altında iyonlar alt tabakanın yüzeyinde ince bir film oluşturmak üzere biriktirilir.

İnert gaz kızdırma deşarjının yardımıyla iyon kaplama, kaplama malzemesinin (metal titanyum gibi) gazlaşmasını, buharlaşmasını ve iyonlaşmasını sağlar ve iyonlar, iş parçasının yüzeyini daha yüksek enerjiyle bombardıman etmek için elektrik alanı tarafından hızlandırılır. Karbon dioksit, nitrojen ve diğer reaksiyon gazları ilave edilirse iş parçasının yüzeyinde TiC ve TiN kaplama katmanları elde edilebilir ve sertlik 2000HV kadar yüksektir.

İyon kaplama, fiziksel buhar biriktirme yönteminde en yaygın kullanılan kaplama işlemlerinden biridir.

Avantajları aşağıdaki gibidir:

①Film tabakası ile matris arasındaki yapışma güçlüdür ve reaksiyon sıcaklığı düşüktür.

②Film tabakası düzgün ve yoğundur.

③Negatif öngerilim basıncı altında iyi sarma kaplaması.

④Kirlenme yok.

⑤İyon kaplama için çok çeşitli alt tabaka malzemeleri uygundur.

İyon kaplama teknolojisinin gelişmesiyle birlikte iyon kaplama teknolojisinin birçok farklı yolu ortaya çıkmıştır, örneğin: reaktif iyon kaplama, plazma kaplama, çok arklı iyon kaplama vb. Burada bunların hepsine değinmeyeceğim.

PVD (Cesaret EnerjisiTeçhizat

Fiziksel buhar biriktirme ekipmanı, vakumlu buharlaştırma kaplayıcıları, vakumlu püskürtmeli kaplayıcıları ve vakumlu iyon kaplayıcıları içerir. Aşağıdaki şekil, vakumlu buharlaştırma kaplayıcının yapısal prensibini göstermektedir.

Aşağıdaki şekil püskürtme kaplamanın ekipman yapısının şematik diyagramını göstermektedir

Aşağıdaki şekil iyon kaplama ekipmanının yapısal şematik diyagramını göstermektedir

ALDİşlem

ALD:Atomik Katman Biriktirme, malzeme malzemelerini tek bir atomik film formunda bir alt tabakanın yüzeyine katman katman biriktiren bir teknoloji olan kimyasal buhar biriktirmeye (CVD) dayanan yüksek hassasiyetli bir ince film biriktirme teknolojisidir. kimyasal buhar fazı.Geleneksel CVD'den farklı olarak ALD, reaksiyon öncüllerinin dönüşümlü olarak biriktirildiği ve yeni atomik filmin kimyasal reaksiyonunun doğrudan önceki katmanla ilişkili olduğu, böylece yalnızca bir atom katmanının bulunduğu bir birikimdir. Her reaksiyonda biriktirilir.

Her reaksiyonda yalnızca bir katman atom biriktirilir; bu, kendi kendini sınırlayarak filmin alt tabaka üzerinde uyumlu ve iğne deliği olmadan birikmesine izin verir. Sonuç olarak filmin kalınlığı, biriktirme döngülerinin sayısı kontrol edilerek hassas bir şekilde kontrol edilebilir.

ALD biriktirilebilen malzemeler arasında metaller, oksitler, karbon (azot, kükürt, silikon), çeşitli yarı iletken malzemeler ve süper iletken malzemeler bulunur. Entegre devreler giderek daha entegre ve küçüldükçe, yüksek dielektrik sabiti (yüksek k) kapı dielektrikleri yavaş yavaş geleneksel silikon oksit kapıların yerini alıyor ve en-boy oranı giderek büyüyor, bu da adım kapsama yeteneği için daha yüksek gereksinimler ortaya koyuyor. biriktirme teknolojisi, dolayısıyla ALD, yukarıdaki gereksinimleri karşılayabilecek yeni bir biriktirme işlemi olarak giderek daha fazla benimsenmektedir.

Bir ALD döngüsü dört adıma ayrılabilir:

Birinci öncü gaz substrata verilir ve substratın yüzeyinde adsorpsiyon veya kimyasal reaksiyon meydana gelir;

Kalan gazı inert gazla yıkayın;

İkinci öncü gazı tanıtın; bir kaplama oluşturmak üzere matrisin yüzeyine adsorbe edilen birinci öncü gazla kimyasal reaksiyon veya ürünün birinci öncül ve matrisle reaksiyona girerek bir kaplama oluşturmak üzere reaksiyona girmeye devam etmesi;

Fazla gazı tekrar inert gazla yıkayın.

ALD teknolojisinin özellikleri ve avantajları:

Mükemmel üç boyutlu uyumluluk: ALD, orijinal alt tabakanın şekliyle tutarlı bir film üretir; yani film, içbükey benzeri bir yüzey üzerine eşit şekilde yerleştirilebilir. Bu nedenle farklı şekillerdeki alt tabakalar için uygundur; Tekdüze üç boyutlu film, tutarlı şekil ve uyumluluk, ALD teknolojisinin benzersiz avantajlarıdır.

Yüksek düzlük: Yüzey iğne deliği içermez ve aşağıdan yukarıya doğru büyüme mekanizması, filmin iğne deliği içermeyen doğasını belirler; bu, engelleme ve pasivasyon uygulamaları için değerlidir.

Mükemmel yapışma: Ön maddenin alt tabaka yüzeyine kimyasal adsorpsiyonu mükemmel yapışma sağlar

Düşük termal bütçe (düşük biriktirme sıcaklığı): İnce film büyütme, düşük sıcaklıklarda (oda sıcaklığından 400 dereceye kadar) gerçekleştirilebilir; bu, sıcaklığı kısıtlı polimer cihazlar ve biyomateryal kaplamalar için çok çekicidir.

Yüksek doğruluk: Substrat filminin kalınlığı, reaksiyon döngüsünün kontrol edilmesiyle basit ve hassas bir şekilde kontrol edilebilir ve filmin kalınlık doğruluğu, bir atomun kalınlığına ulaşabilir.

ALD Ekipmanları

ALD ekipmanının proses sıcaklığı 50~500 derecedir ve normal basınç altında çalışabilir, ancak düşük basınç (0,1~10Torr) koşulları altında çalışma eğilimindedir. ALD, farklı enerji sağlama yöntemlerine göre sıcak atomik biriktirme ve plazmayla güçlendirilmiş atomik katman biriktirme (PEALD) olarak ikiye ayrılabilir. Termal ALD, iki veya daha fazla öncüyü kimyasal olarak reaksiyona girecek şekilde uyarmak için termal enerjiye dayanır. Yeterli reaksiyon aktivasyon enerjisi sağlamak için termal atomik katman biriktirme ekipmanı genellikle 200~500 derece aralığında çalışır.

Aşağıdaki resim tek plakalı bir ALD cihazını göstermektedir

0020-24896 KAPAK HALKASI 6" SST 101 AL

 

--Son--