1. مقدمه
فرآیند چسباندن مواد (مواد اولیه) به سطح مواد بستر به روش های فیزیکی یا شیمیایی را رشد لایه نازک می گویند.
با توجه به اصول کار مختلف، رسوب لایه نازک مدار مجتمع را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:
-رسوب بخار فیزیکی (PVD)؛
- رسوب بخار شیمیایی (CVD)؛
-توسعه
2. فرآیند رشد لایه نازک
2.1 رسوب فیزیکی بخار و فرآیند کندوپاش
فرآیند رسوب فیزیکی بخار (PVD) به استفاده از روش های فیزیکی مانند تبخیر خلاء، کندوپاش، پوشش پلاسما و اپیتاکسی پرتو مولکولی برای تشکیل یک لایه نازک بر روی سطح ویفر اشاره دارد.
در صنعت VLSI، پرکاربردترین فناوری PVD، کندوپاش است که عمدتاً برای الکترودها و اتصالات فلزی مدارهای مجتمع استفاده می شود. کندوپاش فرآیندی است که در آن گازهای کمیاب [مانند آرگون (Ar)] تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی تحت شرایط خلاء بالا به یون‌ها (مانند Ar+) یونیزه می‌شوند و منبع هدف ماده را تحت یک محیط ولتاژ بالا بمباران می‌کنند. از بین بردن اتم ها یا مولکول های ماده مورد نظر، و سپس رسیدن به سطح ویفر برای تشکیل یک لایه نازک پس از یک فرآیند پرواز بدون برخورد. Ar خواص شیمیایی پایداری دارد و یون های آن با ماده هدف و فیلم واکنش شیمیایی نمی دهند. همانطور که تراشه‌های مدار مجتمع وارد دوران اتصال مس 0.13μm می‌شوند، لایه مواد مانع مس از فیلم نیترید تیتانیوم (TiN) یا نیترید تانتالیوم (TaN) استفاده می‌کند. تقاضا برای فناوری صنعتی باعث ترویج تحقیق و توسعه فناوری کندوپاش واکنش شیمیایی شده است، یعنی در محفظه کندوپاش، علاوه بر Ar، یک گاز فعال نیتروژن (N2) نیز وجود دارد، به طوری که Ti یا Ta بمباران شده از ماده مورد نظر Ti یا Ta با N2 واکنش می دهد تا فیلم مورد نیاز TiN یا TaN تولید کند.
سه روش کندوپاش متداول وجود دارد که عبارتند از کندوپاش DC، کندوپاش RF و کندوپاش مگنترون. همانطور که ادغام مدارهای مجتمع در حال افزایش است، تعداد لایه های سیم کشی فلزی چند لایه در حال افزایش است و استفاده از فناوری PVD روز به روز گسترده تر می شود. مواد PVD عبارتند از Al-Si، Al-Cu، Al-Si-Cu، Ti، Ta، Co، TiN، TaN، Ni، WSi2 و غیره.
فرآیندهای PVD و کندوپاش معمولاً در یک محفظه واکنش بسیار مهر و موم شده با درجه خلاء 1×10-7 تا 9×10-9 Torr تکمیل می شود که می تواند خلوص گاز را در طول واکنش تضمین کند. در همان زمان، یک ولتاژ بالا خارجی برای یونیزه کردن گاز کمیاب برای تولید ولتاژ کافی برای بمباران هدف مورد نیاز است. پارامترهای اصلی برای ارزیابی فرآیندهای PVD و کندوپاش شامل مقدار گرد و غبار و همچنین مقدار مقاومت، یکنواختی، ضخامت بازتاب و تنش فیلم تشکیل‌شده است.
2.2 رسوب بخار شیمیایی و فرآیند کندوپاش
رسوب بخار شیمیایی (CVD) به فناوری فرآیندی اطلاق می شود که در آن انواع واکنش دهنده های گازی با فشارهای جزئی متفاوت در دما و فشار معینی واکنش شیمیایی می دهند و مواد جامد تولید شده بر روی سطح ماده بستر رسوب می کنند تا نازک مورد نظر به دست آید. فیلم در فرآیند تولید مدار مجتمع سنتی، مواد لایه نازک به‌دست‌آمده عموماً ترکیباتی مانند اکسیدها، نیتریدها، کاربیدها یا موادی مانند سیلیکون پلی کریستالی و سیلیکون آمورف هستند. رشد اپیتاکسیال انتخابی، که بیشتر بعد از گره 45 نانومتری استفاده می شود، مانند منبع و درین SiGe یا رشد همپایی انتخابی Si، نیز یک فناوری CVD است.
این فناوری می تواند به تشکیل مواد تک کریستالی از همان نوع یا مشابه شبکه اصلی روی یک بستر تک کریستالی از سیلیکون یا مواد دیگر در امتداد شبکه اصلی ادامه دهد. CVD به طور گسترده در رشد فیلم های دی الکتریک عایق (مانند SiO2، Si3N4 و SiON و غیره) و فیلم های فلزی (مانند تنگستن و غیره) استفاده می شود.
به طور کلی، با توجه به طبقه بندی فشار، CVD را می توان به رسوب بخار شیمیایی فشار اتمسفر (APCVD)، رسوب بخار شیمیایی تحت فشار اتمسفر (SAPCVD) و رسوب بخار شیمیایی کم فشار (LPCVD) تقسیم کرد.
با توجه به طبقه بندی دما، CVD را می توان به رسوب شیمیایی بخار فیلم اکسید با دمای بالا / دمای پایین (HTO / LTO CVD) و رسوب سریع بخار شیمیایی حرارتی (Rapid Thermal CVD، RTCVD) تقسیم کرد.
با توجه به منبع واکنش، CVD را می توان به CVD مبتنی بر سیلان، CVD مبتنی بر پلی استر (CVD مبتنی بر TEOS) و رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD) تقسیم کرد.
با توجه به طبقه بندی انرژی، CVD را می توان به رسوب بخار شیمیایی حرارتی (Thermal CVD)، رسوب بخار شیمیایی افزایش یافته پلاسما (CVD افزایش یافته پلاسما، PECVD) و رسوب بخار شیمیایی پلاسما با چگالی بالا (CVD پلاسما با چگالی بالا، HDPCVD) تقسیم کرد. اخیراً رسوب بخار شیمیایی قابل روان (Flowable CVD، FCVD) با توانایی پر کردن شکاف عالی نیز توسعه یافته است.
فیلم های مختلف رشد کرده در CVD دارای خواص متفاوتی هستند (مانند ترکیب شیمیایی، ثابت دی الکتریک، کشش، تنش و ولتاژ شکست) و می توانند به طور جداگانه با توجه به نیازهای فرآیند مختلف (مانند دما، پوشش مرحله، الزامات پر کردن و غیره) استفاده شوند.
2.3 فرآیند رسوب لایه اتمی
رسوب لایه اتمی (ALD) به رسوب لایه به لایه اتم ها بر روی یک ماده زیرلایه با رشد یک لایه به لایه لایه لایه اتمی اشاره دارد. یک ALD معمولی از روش ورود پیش سازهای گازی به راکتور به روش پالس متناوب استفاده می کند.
به عنوان مثال، ابتدا پیش ماده واکنش 1 به سطح زیرلایه وارد می شود و پس از جذب شیمیایی، یک لایه اتمی منفرد بر روی سطح بستر تشکیل می شود. سپس پیش ماده 1 باقی مانده روی سطح بستر و در محفظه واکنش توسط یک پمپ هوا پمپ می شود. سپس پیش ساز واکنش 2 به سطح زیرلایه وارد می شود و از نظر شیمیایی با پیش ماده 1 جذب شده روی سطح بستر واکنش می دهد تا مواد لایه نازک مربوطه و محصولات جانبی مربوطه را روی سطح بستر تولید کند. هنگامی که پیش ساز 1 به طور کامل واکنش نشان می دهد، واکنش به طور خودکار خاتمه می یابد، که مشخصه خود محدود شونده ALD است، و سپس واکنش دهنده ها و محصولات جانبی باقی مانده برای آماده شدن برای مرحله بعدی رشد استخراج می شوند. با تکرار مداوم فرآیند فوق، می توان به رسوب گذاری مواد لایه نازک رشد یافته لایه به لایه با تک اتم ها دست یافت.
هر دو ALD و CVD راه هایی برای معرفی یک منبع واکنش شیمیایی گازی برای واکنش شیمیایی روی سطح بستر هستند، اما تفاوت این است که منبع واکنش گازی CVD ویژگی رشد خود محدود شونده را ندارد. می توان دید که کلید توسعه فناوری ALD، یافتن پیش سازهایی با خواص واکنش خود محدود شونده است.
2.4 فرآیند همپایی
فرآیند اپیتاکسیال به فرآیند رشد یک لایه تک کریستالی کاملاً منظم بر روی یک بستر اشاره دارد. به طور کلی، فرآیند همپایی به این صورت است که یک لایه کریستالی با جهت‌گیری شبکه‌ای مشابه با بستر اصلی روی یک بستر تک کریستالی رشد می‌کند. فرآیند اپیتاکسیال به طور گسترده ای در ساخت نیمه هادی ها استفاده می شود، مانند ویفرهای سیلیکونی همپایی در صنعت مدار مجتمع، رشد همپایه منبع جاسازی شده و تخلیه ترانزیستورهای MOS، رشد همپایه روی بسترهای LED و غیره.
با توجه به حالت‌های فاز مختلف منبع رشد، روش‌های رشد اپیتاکسی را می‌توان به اپیتاکسی فاز جامد، اپیتاکسی فاز مایع و اپیتاکسی فاز بخار تقسیم کرد. در ساخت مدارهای مجتمع، روش‌های اپیتاکسیال رایج عبارتند از اپیتاکسی فاز جامد و اپیتاکسی فاز بخار.
اپیتاکسی فاز جامد: به رشد یک لایه تک کریستالی بر روی یک بستر با استفاده از منبع جامد اشاره دارد. به عنوان مثال، آنیل حرارتی پس از کاشت یون در واقع یک فرآیند اپیتاکسی فاز جامد است. در طول کاشت یون، اتم‌های سیلیکون ویفر سیلیکونی توسط یونهای کاشته‌شده با انرژی بالا بمباران می‌شوند و موقعیت‌های شبکه اصلی خود را ترک می‌کنند و بی‌شکل می‌شوند و یک لایه سیلیکونی آمورف سطحی را تشکیل می‌دهند. پس از بازپخت حرارتی در دمای بالا، اتم‌های آمورف به موقعیت‌های شبکه خود باز می‌گردند و با جهت‌گیری کریستال اتمی در داخل بستر سازگار می‌مانند.
روش های رشد اپیتاکسی فاز بخار شامل اپیتاکسی فاز بخار شیمیایی، اپیتاکسی پرتو مولکولی، اپیتاکسی لایه اتمی و ... می باشد. اصل اپیتاکسی فاز بخار شیمیایی اساساً مانند رسوب شیمیایی بخار است. هر دو فرآیندهایی هستند که پس از اختلاط گاز، لایه‌های نازک را با واکنش شیمیایی روی سطح ویفرها رسوب می‌دهند.
تفاوت در این است که چون اپیتاکسی فاز بخار شیمیایی یک لایه تک کریستالی را رشد می دهد، نیازهای بیشتری برای محتوای ناخالصی در تجهیزات و تمیزی سطح ویفر دارد. فرآیند سیلیکون همپایه فاز بخار شیمیایی اولیه باید تحت شرایط دمای بالا (بیشتر از 1000 درجه سانتیگراد) انجام شود. با بهبود تجهیزات فرآیند، به ویژه پذیرش فناوری اتاقک تبادل خلاء، تمیزی حفره تجهیزات و سطح ویفر سیلیکونی بسیار بهبود یافته است و اپیتاکسی سیلیکونی را می توان در دمای پایین تر (600-700 درجه) انجام داد. ج). فرآیند اپیتاکسیال ویفر سیلیکونی رشد یک لایه سیلیکون تک کریستالی بر روی سطح ویفر سیلیکونی است.
در مقایسه با زیرلایه سیلیکونی اصلی، لایه سیلیکونی اپیتاکسیال دارای خلوص بالاتر و عیوب شبکه کمتر است، در نتیجه بازده تولید نیمه هادی را بهبود می بخشد. علاوه بر این، ضخامت رشد و غلظت دوپینگ لایه سیلیکونی اپیتاکسیال رشد شده بر روی ویفر سیلیکونی را می توان به طور انعطاف پذیر طراحی کرد، که انعطاف پذیری را برای طراحی دستگاه به ارمغان می آورد، مانند کاهش مقاومت بستر و افزایش ایزولاسیون بستر. فرآیند اپیتاکسیال منبع- تخلیه تعبیه شده یک فناوری است که به طور گسترده در گره های فناوری منطق پیشرفته استفاده می شود.
این به فرآیند رشد همپایه سیلیکون یا سیلیکون ژرمانیوم دوپ شده در مناطق منبع و تخلیه ترانزیستورهای MOS اشاره دارد. مزایای اصلی معرفی فرآیند اپیتاکسیال منبع-زهکش تعبیه شده عبارتند از: رشد یک لایه شبه کریستالی حاوی تنش به دلیل انطباق شبکه، بهبود تحرک حامل کانال. دوپینگ درجا منبع و تخلیه می تواند مقاومت انگلی محل اتصال منبع به تخلیه را کاهش دهد و نقص کاشت یون پر انرژی را کاهش دهد.
3. تجهیزات رشد لایه نازک
3.1 تجهیزات تبخیر خلاء
تبخیر خلاء یک روش پوششی است که مواد جامد را در یک محفظه خلاء گرم می کند تا باعث تبخیر، تبخیر یا تصعید آنها شود و سپس متراکم شده و در یک دمای معین روی سطح یک ماده زیرلایه رسوب کند.
معمولاً از سه بخش یعنی سیستم خلاء، سیستم تبخیر و سیستم گرمایش تشکیل شده است. سیستم خلاء از لوله های خلاء و پمپ های خلاء تشکیل شده است و وظیفه اصلی آن فراهم کردن یک محیط خلاء واجد شرایط برای تبخیر است. سیستم تبخیر از یک جدول تبخیر، یک جزء گرمایشی و یک جزء اندازه گیری دما تشکیل شده است.
ماده مورد نظر برای تبخیر (مانند Ag، Al و غیره) روی میز تبخیر قرار می گیرد. جزء اندازه گیری گرمایش و دما یک سیستم حلقه بسته است که برای کنترل دمای تبخیر برای اطمینان از تبخیر صاف استفاده می شود. سیستم گرمایش از یک مرحله ویفر و یک جزء گرمایشی تشکیل شده است. مرحله ویفر برای قرار دادن زیرلایه ای که لایه نازک باید روی آن تبخیر شود، استفاده می شود و جزء گرمایش برای تحقق گرمایش بستر و کنترل بازخورد اندازه گیری دما استفاده می شود.
محیط خلاء یک شرط بسیار مهم در فرآیند تبخیر خلاء است که به میزان تبخیر و کیفیت فیلم مربوط می شود. اگر درجه خلاء الزامات را برآورده نکند، اتم‌ها یا مولکول‌های تبخیر شده مکرراً با مولکول‌های گاز باقیمانده برخورد می‌کنند و میانگین مسیر آزاد آنها را کوچکتر می‌کنند و اتم‌ها یا مولکول‌ها به شدت پراکنده می‌شوند و در نتیجه جهت حرکت را تغییر می‌دهند و فیلم را کاهش می‌دهند. نرخ تشکیل
علاوه بر این، به دلیل وجود مولکول‌های گاز ناخالص باقیمانده، فیلم رسوب‌شده به طور جدی آلوده و کیفیت پایینی دارد، به‌ویژه زمانی که میزان افزایش فشار محفظه مطابق با استاندارد نباشد و نشتی وجود داشته باشد، هوا به داخل محفظه خلاء نشت می‌کند. که تاثیر جدی بر کیفیت فیلم خواهد داشت.
ویژگی های ساختاری تجهیزات تبخیر خلاء مشخص می کند که یکنواختی پوشش روی بسترهای با اندازه بزرگ ضعیف است. به منظور بهبود یکنواختی آن، روش افزایش فاصله منبع- بستر و چرخش بستر به طور کلی اتخاذ می شود، اما افزایش فاصله منبع- بستر، سرعت رشد و خلوص فیلم را قربانی می کند. در عین حال، به دلیل افزایش فضای خلاء، میزان استفاده از مواد تبخیر شده کاهش می یابد.
3.2 تجهیزات رسوب فیزیکی بخار DC
رسوب بخار فیزیکی جریان مستقیم (DCPVD) همچنین به عنوان کندوپاش کاتدی یا کندوپاش دو مرحله ای DC در خلاء نیز شناخته می شود. ماده هدف کندوپاش DC در خلاء به عنوان کاتد و بستر به عنوان آند استفاده می شود. کندوپاش خلاء به این صورت است که با یونیزه کردن گاز فرآیند، پلاسما تشکیل می شود.
ذرات باردار در پلاسما در میدان الکتریکی شتاب می گیرند تا مقدار معینی انرژی به دست آورند. ذرات با انرژی کافی سطح ماده هدف را بمباران می کنند، به طوری که اتم های هدف به بیرون پراکنده می شوند. اتم های پراکنده شده با انرژی جنبشی معینی به سمت زیرلایه حرکت می کنند تا یک لایه نازک روی سطح زیرلایه تشکیل دهند. گاز مورد استفاده برای کندوپاش معمولاً گاز کمیاب است، مانند آرگون (Ar)، بنابراین فیلم تشکیل شده توسط کندوپاش آلوده نخواهد شد. علاوه بر این، شعاع اتمی آرگون برای کندوپاش مناسب تر است.
اندازه ذرات کندوپاش باید نزدیک به اندازه اتم های هدف باشد که قرار است پراکنده شوند. اگر ذرات خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشند، کندوپاش موثر نمی تواند تشکیل شود. علاوه بر فاکتور اندازه اتم، ضریب جرم اتم نیز بر کیفیت کندوپاش تاثیر می گذارد. اگر منبع ذرات کندوپاش خیلی سبک باشد، اتم های هدف پراکنده نمی شوند. اگر ذرات کندوپاش خیلی سنگین باشند، هدف "خم" می شود و هدف پراکنده نمی شود.
ماده مورد استفاده در DCPVD باید یک هادی باشد. این به این دلیل است که وقتی یونهای آرگون موجود در گاز فرآیند، مواد مورد نظر را بمباران می‌کنند، با الکترون‌های روی سطح ماده هدف دوباره ترکیب می‌شوند. هنگامی که ماده مورد نظر رسانایی مانند فلز باشد، الکترون های مصرف شده توسط این نوترکیب به راحتی توسط منبع تغذیه و الکترون های آزاد در سایر قسمت های ماده هدف از طریق رسانش الکتریکی دوباره پر می شوند، به طوری که سطح ماده هدف به عنوان یک کل بار منفی باقی می ماند و کندوپاش حفظ می شود.
برعکس، اگر ماده مورد نظر یک عایق باشد، پس از ترکیب مجدد الکترون‌های روی سطح ماده هدف، الکترون‌های آزاد در قسمت‌های دیگر ماده هدف نمی‌توانند با رسانایی الکتریکی دوباره پر شوند و حتی بارهای مثبت بر روی آن انباشته می‌شوند. سطح ماده مورد نظر، باعث افزایش پتانسیل ماده هدف می شود و بار منفی ماده هدف تا زمانی که ناپدید شود ضعیف می شود و در نهایت منجر به خاتمه کندوپاش می شود.
بنابراین، برای اینکه مواد عایق برای کندوپاش نیز قابل استفاده باشد، باید روش دیگری برای کندوپاش یافت. کندوپاش فرکانس رادیویی یک روش کندوپاشی است که هم برای اهداف رسانا و هم برای اهداف غیر رسانا مناسب است.
یکی دیگر از معایب DCPVD این است که ولتاژ احتراق زیاد است و بمباران الکترونی روی زیرلایه قوی است. یک راه موثر برای حل این مشکل استفاده از کندوپاش مگنترون است، بنابراین کندوپاش مگنترون واقعاً در زمینه مدارهای مجتمع ارزش عملی دارد.
3.3 تجهیزات رسوب فیزیکی بخار RF
رسوب بخار فیزیکی فرکانس رادیویی (RFPVD) از توان فرکانس رادیویی به عنوان منبع تحریک استفاده می کند و یک روش PVD مناسب برای انواع مواد فلزی و غیرفلزی است.
فرکانس های رایج منبع تغذیه RF مورد استفاده در RFPVD 13.56 مگاهرتز، 20 مگاهرتز و 60 مگاهرتز است. چرخه های مثبت و منفی منبع تغذیه RF به طور متناوب ظاهر می شوند. هنگامی که هدف PVD در نیم سیکل مثبت قرار دارد، زیرا سطح هدف در پتانسیل مثبت است، الکترون‌های موجود در جو فرآیند به سمت سطح هدف جریان می‌یابند تا بار مثبت انباشته شده در سطح آن را خنثی کنند و حتی به تجمع الکترونها ادامه دهند. ایجاد سوگیری منفی سطح آن؛ هنگامی که هدف کندوپاش در نیم سیکل منفی باشد، یون های مثبت به سمت هدف حرکت کرده و تا حدی در سطح هدف خنثی می شوند.
مهمترین چیز این است که سرعت حرکت الکترونها در میدان الکتریکی RF بسیار سریعتر از یونهای مثبت است، در حالی که زمان نیم سیکل مثبت و منفی یکسان است، بنابراین پس از یک چرخه کامل، سطح هدف قرار خواهد گرفت. "خالص" بار منفی دارد. بنابراین، در چند چرخه اول، بار منفی سطح هدف روند افزایشی را نشان می دهد. پس از آن، سطح هدف به پتانسیل منفی پایدار می رسد. پس از آن، به دلیل اینکه بار منفی هدف بر روی الکترون ها اثر دافعه دارد، مقدار بارهای مثبت و منفی دریافت شده توسط الکترود هدف به تعادل می رسد و هدف یک بار منفی پایدار ارائه می دهد.
از فرآیند بالا می توان دریافت که فرآیند تشکیل ولتاژ منفی ربطی به خواص خود ماده هدف ندارد، بنابراین روش RFPVD نه تنها می تواند مشکل کندوپاش اهداف عایق را حل کند، بلکه به خوبی سازگار است. با اهداف رسانای فلزی معمولی.
3.4 تجهیزات کندوپاش مغناطیسی
کندوپاش مگنترونی یک روش PVD است که آهنربا را به پشت هدف اضافه می کند. آهنرباهای اضافه شده و سیستم منبع تغذیه DC (یا منبع تغذیه AC) یک منبع کندوپاش مگنترون را تشکیل می دهند. منبع کندوپاش برای تشکیل یک میدان الکترومغناطیسی تعاملی در محفظه، جذب و محدود کردن دامنه حرکت الکترونها در پلاسمای داخل محفظه، گسترش مسیر حرکت الکترونها و در نتیجه افزایش غلظت پلاسما و در نهایت دستیابی به موارد بیشتر استفاده می‌شود. رسوب گذاری
علاوه بر این، از آنجا که الکترون های بیشتری در نزدیکی سطح هدف بسته شده اند، بمباران بستر توسط الکترون ها کاهش می یابد و دمای بستر کاهش می یابد. در مقایسه با فناوری DCPVD صفحه تخت، یکی از بارزترین ویژگی های فناوری رسوب فیزیکی بخار مگنترون این است که ولتاژ تخلیه جرقه کمتر و پایدارتر است.
به دلیل غلظت پلاسمایی بالاتر و راندمان کندوپاش بزرگتر، می تواند به راندمان رسوب گذاری عالی، کنترل ضخامت رسوب در محدوده اندازه بزرگ، کنترل ترکیب دقیق و ولتاژ احتراق پایین دست یابد. بنابراین، کندوپاش مگنترون در موقعیت غالب در فیلم فلزی فعلی PVD قرار دارد. ساده ترین طراحی منبع کندوپاش مگنترون، قرار دادن گروهی از آهنرباها در پشت هدف مسطح (خارج از سیستم خلاء) برای ایجاد میدان مغناطیسی موازی با سطح هدف در یک منطقه محلی روی سطح هدف است.
اگر آهنربای دائمی قرار داده شود، میدان مغناطیسی آن نسبتاً ثابت است و در نتیجه توزیع میدان مغناطیسی نسبتاً ثابتی روی سطح هدف در محفظه ایجاد می‌شود. فقط مواد در مناطق خاصی از هدف پراکنده می شوند، میزان استفاده هدف کم است و یکنواختی فیلم تهیه شده ضعیف است.
احتمال معینی وجود دارد که فلز پراکنده شده یا ذرات دیگر مواد دوباره روی سطح هدف رسوب کرده و در نتیجه به ذرات انباشته شده و آلودگی عیب ایجاد کنند. بنابراین، منابع کندوپاش مگنترون تجاری بیشتر از طراحی آهنربای دوار برای بهبود یکنواختی فیلم، سرعت استفاده از هدف و کندوپاش کامل هدف استفاده می‌کنند.
ایجاد تعادل بین این سه عامل بسیار مهم است. اگر تعادل به خوبی مدیریت نشود، ممکن است منجر به یکنواختی فیلم خوب شود و در عین حال میزان استفاده از هدف را بسیار کاهش دهد (عمر هدف را کوتاه کند)، یا نتواند به کندوپاش کامل هدف یا خوردگی کامل هدف دست پیدا کند، که باعث مشکلات ذرات در طول کندوپاش می شود. فرآیند
در فناوری PVD مگنترون، لازم است مکانیسم حرکت آهنربای دوار، شکل هدف، سیستم خنک کننده هدف و منبع کندوپاش مگنترون و همچنین پیکربندی عملکردی پایه ای که ویفر را حمل می کند، مانند جذب ویفر و کنترل دما در نظر گرفته شود. در فرآیند PVD، دمای ویفر برای به دست آوردن ساختار کریستالی مورد نیاز، اندازه دانه و جهت گیری و همچنین پایداری عملکرد کنترل می شود.
از آنجایی که رسانش گرما بین پشت ویفر و سطح پایه نیاز به فشار معینی دارد، معمولاً به ترتیب چند Torr، و فشار کاری محفظه معمولاً به ترتیب چند میلی‌تورر است، فشار روی پشت ویفر بسیار بیشتر از فشار روی سطح بالایی ویفر است، بنابراین برای قرار دادن و محدود کردن ویفر به یک چاک مکانیکی یا یک چاک الکترواستاتیک نیاز است.
چاک مکانیکی برای رسیدن به این عملکرد به وزن خود و لبه ویفر متکی است. اگرچه دارای مزایای ساختار ساده و عدم حساسیت به مواد ویفر است، اما اثر لبه ویفر آشکار است، که برای کنترل دقیق ذرات مفید نیست. بنابراین در فرآیند ساخت آی سی به تدریج با یک چاک الکترواستاتیک جایگزین شده است.
برای فرآیندهایی که حساسیت خاصی به دما ندارند، می توان از روش قفسه بندی غیرجذب و بدون لبه (بدون اختلاف فشار بین سطوح بالایی و پایینی ویفر) نیز استفاده کرد. در طی فرآیند PVD، پوشش محفظه و سطح قطعات در تماس با پلاسما رسوب و پوشانده می شود. هنگامی که ضخامت لایه رسوب‌شده از حد مجاز فراتر رود، فیلم ترک خورده و پوسته می‌شود و مشکلات ذرات را ایجاد می‌کند.
بنابراین، عملیات سطحی قطعاتی مانند آستر، کلید گسترش این حد است. سندبلاست سطحی و پاشش آلومینیوم دو روش متداول هستند که هدف از آن افزایش زبری سطح برای تقویت پیوند بین فیلم و سطح آستر است.
3.5 یونیزاسیون تجهیزات رسوب فیزیکی بخار
با توسعه مداوم فناوری میکروالکترونیک، اندازه ویژگی ها کوچکتر و کوچکتر می شوند. از آنجایی که فناوری PVD نمی‌تواند جهت رسوب ذرات را کنترل کند، توانایی PVD برای ورود از سوراخ‌ها و کانال‌های باریک با نسبت‌های تصویر بالا محدود است و کاربرد گسترده فناوری PVD سنتی را به طور فزاینده‌ای به چالش می‌کشد. در فرآیند PVD، با افزایش نسبت ابعاد شیار منافذ، پوشش در پایین کاهش می‌یابد و ساختاری شبیه به لبه‌های لبه‌ای در گوشه بالا ایجاد می‌کند و ضعیف‌ترین پوشش را در گوشه پایین تشکیل می‌دهد.
فناوری رسوب بخار فیزیکی یونیزه شده برای حل این مشکل توسعه یافته است. ابتدا اتم های فلز پراکنده شده از هدف را به روش های مختلف پلاسماتیزه می کند و سپس ولتاژ بایاس بارگذاری شده روی ویفر را تنظیم می کند تا جهت و انرژی یون های فلزی را کنترل کند تا یک جریان یون فلزی جهت دار پایدار برای تهیه یک لایه نازک به دست آید و در نتیجه بهبود یابد. پوشش پایین پله ها با نسبت تصویر بالا از طریق سوراخ ها و کانال های باریک.
ویژگی معمول فناوری پلاسمای فلزی یونیزه، افزودن یک سیم پیچ فرکانس رادیویی در محفظه است. در طی فرآیند، فشار کاری محفظه در حالت نسبتاً بالا (5 تا 10 برابر فشار کاری معمولی) حفظ می شود. در طول PVD، سیم پیچ فرکانس رادیویی برای تولید ناحیه پلاسمای دوم استفاده می شود که در آن غلظت پلاسمای آرگون با افزایش توان فرکانس رادیویی و فشار گاز افزایش می یابد. هنگامی که اتم های فلزی پراکنده شده از هدف از این ناحیه عبور می کنند، با پلاسمای آرگون با چگالی بالا تعامل می کنند تا یون های فلزی را تشکیل دهند.
استفاده از یک منبع RF در حامل ویفر (مانند یک چاک الکترواستاتیک) می تواند بایاس منفی روی ویفر را برای جذب یون های مثبت فلزی به پایین شیار منافذ افزایش دهد. این جریان یون فلزی جهت عمود بر سطح ویفر، پوشش پایین پله منافذ با نسبت تصویر بالا و کانال های باریک را بهبود می بخشد.
بایاس منفی اعمال شده روی ویفر همچنین باعث می شود یون ها سطح ویفر را بمباران کنند (کندوپاش معکوس)، که ساختار آویزان دهانه شیار منافذ را ضعیف می کند و فیلم رسوب شده در پایین را به دیواره های جانبی در گوشه های پایین منافذ می ریزد. شیار، در نتیجه پوشش پله در گوشه ها را افزایش می دهد.
3.6 تجهیزات ته نشینی بخار شیمیایی با فشار اتمسفر
تجهیزات رسوب بخار شیمیایی با فشار اتمسفر (APCVD) به دستگاهی اطلاق می شود که منبع واکنش گازی را با سرعت ثابت بر روی سطح یک بستر جامد گرم شده تحت محیطی با فشاری نزدیک به فشار اتمسفر اسپری می کند و باعث می شود منبع واکنش واکنش شیمیایی نشان دهد. سطح بستر، و محصول واکنش بر روی سطح بستر قرار می گیرد تا یک لایه نازک تشکیل شود.
تجهیزات APCVD اولین تجهیزات CVD هستند و هنوز به طور گسترده در تولید صنعتی و تحقیقات علمی استفاده می شوند. از تجهیزات APCVD می توان برای تهیه فیلم های نازک مانند سیلیکون تک کریستال، سیلیکون پلی کریستال، دی اکسید سیلیکون، اکسید روی، دی اکسید تیتانیوم، شیشه فسفوسیلیکات و شیشه بوروفسفوسیلیکات استفاده کرد.
3.7 تجهیزات ته نشینی بخار شیمیایی کم فشار
تجهیزات رسوب بخار شیمیایی کم فشار (LPCVD) به تجهیزاتی اطلاق می شود که از مواد خام گازی برای واکنش شیمیایی بر روی سطح یک بستر جامد در محیط گرم (350-1100 درجه سانتیگراد) و فشار کم (10-100 mTorr) استفاده می کنند. واکنش دهنده ها بر روی سطح بستر قرار می گیرند تا یک لایه نازک تشکیل دهند. تجهیزات LPCVD بر اساس APCVD برای بهبود کیفیت لایه های نازک، بهبود یکنواختی توزیع پارامترهای مشخصه مانند ضخامت و مقاومت فیلم و بهبود راندمان تولید توسعه یافته اند.
ویژگی اصلی آن این است که در یک محیط میدان حرارتی کم فشار، گاز فرآیند به صورت شیمیایی روی سطح بستر ویفر واکنش می دهد و محصولات واکنش بر روی سطح بستر رسوب می کنند تا یک لایه نازک تشکیل دهند. تجهیزات LPCVD در تهیه لایه های نازک با کیفیت بالا دارای مزایایی هستند و می توان از آنها برای تهیه لایه های نازک مانند اکسید سیلیکون، نیترید سیلیکون، پلی سیلیکون، کاربید سیلیکون، نیترید گالیم و گرافن استفاده کرد.
در مقایسه با APCVD، محیط واکنش کم فشار تجهیزات LPCVD میانگین مسیر آزاد و ضریب انتشار گاز در محفظه واکنش را افزایش می‌دهد.
مولکول‌های گاز واکنش و گاز حامل در محفظه واکنش را می‌توان در مدت زمان کوتاهی به طور مساوی توزیع کرد، بنابراین یکنواختی ضخامت فیلم، یکنواختی مقاومت و پوشش مرحله فیلم را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و مصرف گاز واکنش نیز کم است. علاوه بر این، محیط کم فشار نیز سرعت انتقال مواد گازی را افزایش می دهد. ناخالصی ها و محصولات جانبی واکنش منتشر شده از بستر را می توان به سرعت از منطقه واکنش از طریق لایه مرزی خارج کرد، و گاز واکنش به سرعت از لایه مرزی عبور می کند تا برای واکنش به سطح بستر برسد، بنابراین به طور موثر خود دوپینگ را سرکوب می کند و آماده می شود. فیلم های با کیفیت بالا با مناطق انتقال شیب دار و همچنین بهبود کارایی تولید.
3.8 تجهیزات رسوب شیمیایی بخار افزایش یافته پلاسما
رسوب دهی بخار شیمیایی افزایش یافته پلاسما (PECVD) یک روش پرکاربرد استتکنولوژی رسوب فیلم hin. در طی فرآیند پلاسما، پیش‌ساز گازی تحت تأثیر پلاسما یونیزه می‌شود تا گروه‌های فعال برانگیخته را تشکیل دهد که به سطح بستر منتشر می‌شوند و سپس برای تکمیل رشد فیلم تحت واکنش‌های شیمیایی قرار می‌گیرند.
با توجه به فرکانس تولید پلاسما، پلاسمای مورد استفاده در PECVD را می توان به دو نوع پلاسمای فرکانس رادیویی ( پلاسما RF) و پلاسمای مایکروویو (پلاسمای مایکروویو) تقسیم کرد. در حال حاضر فرکانس رادیویی مورد استفاده در صنعت به طور کلی 13.56 مگاهرتز است.
معرفی پلاسما فرکانس رادیویی معمولاً به دو نوع تقسیم می شود: جفت خازنی (CCP) و جفت القایی (ICP). روش کوپلینگ خازنی معمولاً یک روش واکنش مستقیم پلاسما است. در حالی که روش جفت القایی می تواند یک روش پلاسمای مستقیم یا یک روش پلاسمای راه دور باشد.
در فرآیندهای تولید نیمه هادی، PECVD اغلب برای رشد لایه های نازک بر روی بسترهای حاوی فلزات یا سایر ساختارهای حساس به دما استفاده می شود. به عنوان مثال، در زمینه اتصال فلزی پشتی مدارهای مجتمع، از آنجایی که ساختارهای منبع، دروازه و تخلیه دستگاه در فرآیند جلویی شکل گرفته است، رشد لایه های نازک در زمینه اتصال فلزی موضوعی است. به محدودیت های بودجه حرارتی بسیار سخت، بنابراین معمولا با کمک پلاسما تکمیل می شود. با تنظیم پارامترهای فرآیند پلاسما، پارامترهای چگالی، ترکیب شیمیایی، محتوای ناخالصی، چقرمگی مکانیکی و پارامترهای تنش لایه نازک رشد شده توسط PECVD را می توان در محدوده خاصی تنظیم و بهینه کرد.
3.9 تجهیزات رسوب لایه اتمی
رسوب لایه اتمی (ALD) یک فناوری رسوب لایه نازک است که به صورت دوره ای به شکل یک لایه شبه تک اتمی رشد می کند. ویژگی آن این است که ضخامت فیلم رسوب شده را می توان با کنترل تعداد چرخه های رشد به طور دقیق تنظیم کرد. بر خلاف فرآیند رسوب بخار شیمیایی (CVD)، دو (یا بیشتر) پیش سازها در فرآیند ALD به طور متناوب از سطح بستر عبور می کنند و به طور موثر با پاکسازی گاز کمیاب جدا می شوند.
این دو پیش ساز برای واکنش شیمیایی در فاز گاز با هم مخلوط نمی شوند و به هم نمی رسند، بلکه فقط از طریق جذب شیمیایی روی سطح بستر واکنش نشان می دهند. در هر چرخه ALD، مقدار پیش ماده جذب شده روی سطح بستر به چگالی گروه های فعال در سطح بستر مربوط می شود. وقتی گروه‌های واکنش‌دهنده روی سطح زیرلایه تمام می‌شوند، حتی اگر پیش‌ساز اضافی وارد شود، جذب شیمیایی روی سطح بستر رخ نمی‌دهد.
این فرآیند واکنش، واکنش خود محدود شونده سطحی نامیده می شود. این مکانیسم فرآیند باعث می شود ضخامت فیلم رشد شده در هر چرخه فرآیند ALD ثابت باشد، بنابراین فرآیند ALD دارای مزایای کنترل ضخامت دقیق و پوشش خوب مرحله فیلم است.
3.10 تجهیزات اپیتاکسی پرتو مولکولی
سیستم اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) به دستگاهی اطلاق می‌شود که از یک یا چند پرتوهای اتمی انرژی حرارتی یا پرتوهای مولکولی برای پاشیدن روی سطح زیرلایه گرم شده با سرعت معین تحت شرایط خلاء فوق‌العاده استفاده می‌کند و جذب و مهاجرت به سطح زیرلایه می‌کند. برای رشد همپایی لایه های نازک تک کریستالی در امتداد جهت محور کریستالی مواد بستر. به طور کلی، تحت شرایط گرمایش توسط یک کوره جت با یک سپر حرارتی، منبع پرتو یک پرتو اتمی یا یک پرتو مولکولی را تشکیل می‌دهد و فیلم لایه به لایه در امتداد جهت محور کریستالی ماده بستر رشد می‌کند.
ویژگی های آن دمای رشد همپایه پایین است و ضخامت، سطح مشترک، ترکیب شیمیایی و غلظت ناخالصی را می توان دقیقاً در سطح اتمی کنترل کرد. اگرچه MBE از تهیه فیلم های نیمه هادی فوق نازک تک کریستالی سرچشمه گرفته است، اما کاربرد آن در حال حاضر به انواع سیستم های مواد مانند فلزات و دی الکتریک های عایق گسترش یافته است و می تواند III-V، II-VI، سیلیکون، سیلیکون ژرمانیوم (SiGe) را تهیه کند. گرافن، اکسیدها و فیلم های آلی.
سیستم اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) عمدتاً از یک سیستم خلاء فوق العاده بالا، یک منبع پرتو مولکولی، یک سیستم تثبیت و گرمایش بستر، یک سیستم انتقال نمونه، یک سیستم نظارت در محل، یک سیستم کنترل و یک آزمایش تشکیل شده است. سیستم
سیستم خلاء شامل پمپ‌های خلاء (پمپ‌های مکانیکی، پمپ‌های مولکولی، پمپ‌های یونی و پمپ‌های تراکم و غیره) و دریچه‌های مختلف است که می‌تواند یک محیط رشد خلاء فوق‌العاده بالا ایجاد کند. درجه خلاء به طور کلی قابل دستیابی 10-8 تا 10-11 Torr است. سیستم خلاء عمدتا دارای سه محفظه کار خلاء است، یعنی محفظه تزریق نمونه، محفظه پیش تصفیه و تجزیه و تحلیل سطح و محفظه رشد.
محفظه تزریق نمونه برای انتقال نمونه ها به دنیای خارج استفاده می شود تا از شرایط خلاء زیاد اتاق های دیگر اطمینان حاصل شود. محفظه پیش تصفیه و آنالیز سطح، محفظه تزریق نمونه و محفظه رشد را به هم متصل می کند و وظیفه اصلی آن پیش پردازش نمونه (گاز زدایی در دمای بالا برای اطمینان از تمیزی کامل سطح بستر) و انجام تجزیه و تحلیل اولیه سطح روی سطح است. نمونه تمیز شده؛ محفظه رشد بخش اصلی سیستم MBE است که عمدتاً از یک کوره منبع و مجموعه دریچه مربوط به آن، یک کنسول کنترل نمونه، یک سیستم خنک کننده، یک پراش الکترون با انرژی بالا (RHEED) و یک سیستم نظارت درجا تشکیل شده است. . برخی از تجهیزات MBE تولیدی دارای تنظیمات محفظه رشد چندگانه هستند. نمودار شماتیک ساختار تجهیزات MBE در زیر نشان داده شده است:
MBE از مواد سیلیکونی از سیلیکون با خلوص بالا به عنوان ماده خام استفاده می کند، تحت شرایط خلاء فوق العاده بالا (10-10-10-11Torr) رشد می کند و دمای رشد 600 ~ 900 درجه سانتیگراد است، با Ga (نوع P) و Sb ( نوع N) به عنوان منابع دوپینگ. منابع دوپینگ رایج مانند P، As و B به ندرت به عنوان منبع پرتو استفاده می شوند زیرا تبخیر آنها دشوار است.
محفظه واکنش MBE دارای محیط خلاء فوق العاده بالایی است که میانگین مسیر آزاد مولکول ها را افزایش می دهد و آلودگی و اکسیداسیون روی سطح مواد در حال رشد را کاهش می دهد. ماده اپیتاکسیال تهیه شده دارای مورفولوژی و یکنواختی سطحی خوبی است و می توان آن را به یک ساختار چند لایه با دوپینگ های مختلف یا اجزای مواد مختلف تبدیل کرد.
فناوری MBE باعث رشد مکرر لایه های همپای فوق نازک با ضخامت یک لایه اتمی می شود و سطح مشترک بین لایه های همپای شیب دار است. رشد نیمه هادی های III-V و سایر مواد ناهمگن چند جزئی را افزایش می دهد. در حال حاضر، سیستم MBE به یک تجهیزات فرآیندی پیشرفته برای تولید نسل جدید دستگاه های مایکروویو و دستگاه های الکترونیک نوری تبدیل شده است. معایب فناوری MBE سرعت رشد آهسته فیلم، نیاز به خلاء بالا و هزینه های بالای استفاده از تجهیزات و تجهیزات است.
3.11 سیستم اپیتاکسی فاز بخار
سیستم اپیتاکسی فاز بخار (VPE) به یک دستگاه رشد همپایه اطلاق می‌شود که ترکیبات گازی را به یک بستر منتقل می‌کند و از طریق واکنش‌های شیمیایی یک لایه ماده کریستالی را با آرایش شبکه‌ای مشابه زیرلایه به دست می‌آورد. لایه اپیتاکسیال می تواند یک لایه هماپیتاکسیال (Si/Si) یا یک لایه هترواپیتاکسیال (SiGe/Si، SiC/Si، GaN/Al2O3 و غیره) باشد. در حال حاضر، فناوری VPE به طور گسترده در زمینه های آماده سازی نانومواد، دستگاه های قدرت، دستگاه های نوری نیمه هادی، فتوولتائیک خورشیدی و مدارهای مجتمع استفاده شده است.
VPE معمولی شامل اپیتاکسی فشار اتمسفر و اپیتاکسی فشار کاهش یافته، رسوب بخار شیمیایی با خلاء فوق العاده بالا، رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی و غیره است. نکات کلیدی در فناوری VPE طراحی محفظه واکنش، حالت جریان گاز و یکنواختی، یکنواختی دما و کنترل دقیق است. کنترل فشار و پایداری، کنترل ذرات و نقص و غیره.
در حال حاضر، جهت توسعه سیستم های تجاری VPE اصلی، بارگذاری ویفر بزرگ، کنترل کاملاً خودکار و نظارت بر زمان واقعی دما و فرآیند رشد است. سیستم های VPE دارای سه ساختار عمودی، افقی و استوانه ای هستند. روش های گرمایش شامل گرمایش مقاومتی، گرمایش القایی با فرکانس بالا و گرمایش تابش مادون قرمز است.
در حال حاضر، سیستم‌های VPE بیشتر از ساختارهای دیسک افقی استفاده می‌کنند که دارای ویژگی‌های یکنواختی خوب رشد فیلم اپیتاکسیال و بارگذاری ویفر بزرگ است. سیستم های VPE معمولا از چهار بخش تشکیل شده است: راکتور، سیستم گرمایش، سیستم مسیر گاز و سیستم کنترل. از آنجایی که زمان رشد فیلم های همپای GaAs و GaN نسبتا طولانی است، گرمایش القایی و گرمایش مقاومتی بیشتر استفاده می شود. در VPE سیلیکونی، رشد فیلم اپیتاکسیال ضخیم بیشتر از گرمایش القایی استفاده می کند. رشد فیلم اپیتاکسیال نازک عمدتاً از گرمایش مادون قرمز برای دستیابی به هدف افزایش / کاهش سریع دما استفاده می کند.
3.12 سیستم اپیتاکسی فاز مایع
سیستم اپیتاکسی فاز مایع (LPE) به تجهیزات رشد همپایی اطلاق می شود که مواد مورد رشد (مانند Si، Ga، As، Al و غیره) و مواد ناخالص (مانند Zn، Te، Sn و غیره) را در یک دستگاه حل می کند. فلز با نقطه ذوب پایین تر (مانند Ga، In و غیره)، به طوری که املاح در حلال اشباع یا فوق اشباع شود و سپس تک بلور بستر با محلول تماس می گیرد و املاح با سرد شدن تدریجی از حلال رسوب می کند و لایه ای از مواد کریستالی با ساختار کریستالی و شبکه ثابت مشابه زیرلایه روی سطح زیرلایه رشد می کند.
روش LPE توسط نلسون و همکاران ارائه شده است. در سال 1963. از آن برای رشد لایه های نازک Si و مواد تک کریستالی و همچنین مواد نیمه هادی مانند گروه های III-IV و تلورید کادمیوم جیوه استفاده می شود و می توان از آن برای ساخت دستگاه های مختلف الکترونیک نوری، دستگاه های مایکروویو، دستگاه های نیمه هادی و سلول های خورشیدی استفاده کرد. .
—————————————————————————————————————————————————— ————————————
Semicera می تواند ارائه دهدقطعات گرافیت, نمد نرم / سفت, قطعات کاربید سیلیکون, قطعات کاربید سیلیکون CVD، وقطعات با پوشش SiC/TaCبا در 30 روز
اگر به محصولات نیمه هادی فوق علاقه مند هستید،لطفا در اولین بار با ما تماس بگیرید.
تلفن: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
زمان ارسال: اوت-31-2024