İnce Film Biriktirme Tekniklerine Kapsamlı Bir Bakış: MOCVD, Magnetron Püskürtme ve PECVD

Yarı iletken üretiminde, fotolitografi ve aşındırma en sık bahsedilen süreçler olsa da, epitaksiyel veya ince film biriktirme teknikleri de aynı derecede kritiktir. Bu makale, çip üretiminde kullanılan birkaç yaygın ince film biriktirme yöntemini tanıtmaktadır, bunlar arasında şunlar yer almaktadır:MOCVD, magnetron püskürtme, VePECVD.

İnce Film Prosesleri Çip Üretiminde Neden Önemlidir?

Örnek vermek gerekirse, sade bir fırınlanmış pideyi hayal edin. Tek başına tatsız olabilir. Ancak, yüzeyini farklı soslarla fırçalayarak (örneğin tuzlu fasulye ezmesi veya tatlı malt şurubu) lezzetini tamamen değiştirebilirsiniz. Bu lezzet arttırıcı kaplamalar,ince filmlerYarı iletken işlemlerinde, pide ekmeğinin kendisialt tabaka.

Çip üretiminde ince filmler çok sayıda işlevsel rol üstlenir: yalıtım, iletkenlik, pasifleştirme, ışık emilimi vb. ve her işlev özel bir biriktirme tekniği gerektirir.

1. Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD)

MOCVD, yüksek kaliteli yarı iletken ince filmlerin ve nanoyapıların biriktirilmesinde kullanılan oldukça gelişmiş ve hassas bir tekniktir. LED'ler, lazerler ve güç elektroniği gibi cihazların üretiminde önemli bir rol oynar.

MOCVD Sisteminin Temel Bileşenleri:

• Gaz Dağıtım Sistemi
  Reaktiflerin reaksiyon odasına hassas bir şekilde sokulmasından sorumludur. Buna şunlar dahildir:

• Taşıyıcı gazlar

• Metal-organik öncüller

• Hidrit gazları
  Sistemde büyüme ve temizleme modları arasında geçişi sağlayan çok yönlü vanalar bulunmaktadır.

• Reaksiyon Odası
  Gerçek malzeme büyümesinin gerçekleştiği sistemin kalbi. Bileşenler şunları içerir:

  • Grafit tutucu (alt katman tutucu)

  • Isıtıcı ve sıcaklık sensörleri

  • Yerinde izleme için optik portlar

  • Otomatik gofret yükleme/boşaltma için robotik kollar

• Büyüme Kontrol Sistemi
  Programlanabilir mantık denetleyicileri ve bir ana bilgisayardan oluşur. Bunlar, biriktirme işlemi boyunca hassas izleme ve tekrarlanabilirlik sağlar.

• Yerinde İzleme
  Pirometre ve reflektometre gibi aletler şunları ölçer:

  • Film kalınlığı

  • Yüzey sıcaklığı

  • Alt tabaka eğriliği
    Bunlar gerçek zamanlı geri bildirim ve ayarlama olanağı sağlar.

• Egzoz Arıtma Sistemi
  Güvenlik ve çevre uyumluluğunu sağlamak için termal ayrıştırma veya kimyasal kataliz kullanarak toksik yan ürünleri arıtır.

Kapalı Bağlantılı Duş Başlığı (CCS) Yapılandırması:

Dikey MOCVD reaktörlerinde, CCS tasarımı gazların duş başlığı yapısındaki alternatif nozullar aracılığıyla düzgün bir şekilde enjekte edilmesine olanak tanır. Bu, erken reaksiyonları en aza indirir ve düzgün karışımı artırır.

• Thedönen grafit alıcıayrıca gazların sınır tabakasının homojenleşmesine yardımcı olarak, gofret boyunca film düzgünlüğünü artırır.

2. Magnetron Püskürtme

Magnetron püskürtme, özellikle elektronik, optik ve seramiklerde ince film ve kaplamaların biriktirilmesinde yaygın olarak kullanılan bir fiziksel buhar biriktirme (PVD) yöntemidir.

Çalışma Prensibi:

1. Hedef Malzeme
   Biriktirilecek kaynak malzeme (metal, oksit, nitrür vb.) bir katot üzerine sabitlenir.

2. Vakum Odası
   Kontaminasyonu önlemek için işlem yüksek vakum altında gerçekleştirilir.

3. Plazma Üretimi
   Genellikle argon olan inert bir gaz iyonize edilerek plazma oluşturulur.

4. Manyetik Alan Uygulaması
   Manyetik alan, iyonlaşma verimliliğini artırmak için elektronları hedefin yakınında hapseder.

5. Püskürtme İşlemi
   İyonlar hedefi bombalayarak, hazneden geçen ve alt tabakaya biriken atomları yerinden oynatır.

Magnetron Püskürtmenin Avantajları:

• Tekdüze Film Biriktirmegeniş alanlarda.

• Karmaşık Bileşikleri Biriktirme YeteneğiAlaşımlar ve seramikler dahil.

• Ayarlanabilir Proses Parametrelerikalınlık, bileşim ve mikro yapının hassas kontrolü için.

• Yüksek Film Kalitesigüçlü yapışma ve mekanik dayanıma sahiptir.

• Geniş Malzeme Uyumluluğu, metallerden oksitlere ve nitrürlere kadar.

• Düşük Sıcaklıkta Çalışma, sıcaklığa duyarlı yüzeyler için uygundur.

3. Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme (PECVD)

PECVD, silisyum nitrür (SiNx), silisyum dioksit (SiO₂) ve amorf silisyum gibi ince filmlerin biriktirilmesinde yaygın olarak kullanılır.

İlke:

Bir PECVD sisteminde, öncül gazlar bir vakum odasına sokulur ve burada birparıltılı deşarj plazmasıkullanılarak üretilir:

• RF uyarımı

• DC yüksek voltaj

• Mikrodalga veya darbeli kaynaklar

Plazma, gaz fazı reaksiyonlarını aktive ederek, substrat üzerine biriken ve ince bir film oluşturan reaktif türler üretir.

Biriktirme Adımları:

1. Plazma oluşumu
   Elektromanyetik alanların etkisiyle öncül gazlar iyonlaşarak reaktif radikaller ve iyonlar oluştururlar.

2. Reaksiyon ve Taşıma
   Bu türler substrata doğru hareket ettikçe ikincil reaksiyonlara uğrarlar.

3. Yüzey Reaksiyonu
   Substrata ulaştıklarında adsorbe olurlar, reaksiyona girerler ve katı bir film oluştururlar. Bazı yan ürünler gaz olarak salınır.

PECVD'nin Faydaları:

• Mükemmel Tekdüzelikfilm kompozisyonu ve kalınlığında.

• Güçlü YapışmaNispeten düşük biriktirme sıcaklıklarında bile.

• Yüksek Birikim OranlarıBu sayede endüstriyel ölçekte üretime uygun hale getirilmiştir.

4. İnce Film Karakterizasyon Teknikleri

İnce filmlerin özelliklerini anlamak kalite kontrolü için önemlidir. Yaygın teknikler şunları içerir:

(1) X-ışını Kırınımı (XRD)

• Amaç: Kristal yapıları, kafes sabitlerini ve yönelimleri analiz edin.

• İlke: Bragg Yasası'na dayanarak, X ışınlarının kristal bir malzeme içerisinde nasıl kırıldığını ölçer.

• Uygulamalar: Kristalografi, faz analizi, gerinim ölçümü ve ince film değerlendirmesi.

(2) Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)

• Amaç: Yüzey morfolojisini ve mikro yapıyı gözlemleyin.

• İlke: Numune yüzeyini taramak için bir elektron ışını kullanır. Tespit edilen sinyaller (örneğin, ikincil ve geri saçılan elektronlar) yüzey ayrıntılarını ortaya çıkarır.

• Uygulamalar: Malzeme bilimi, nanoteknoloji, biyoloji ve hasar analizi.

(3) Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)

• Amaç:Atom veya nanometre çözünürlükte görüntü yüzeyleri.

• İlke: Keskin bir prob, sabit etkileşim kuvvetini koruyarak yüzeyi tarar; düşey yer değiştirmeler 3 boyutlu bir topografya oluşturur.

• Uygulamalar: Nanoyapı araştırmaları, yüzey pürüzlülüğü ölçümü, biyomoleküler çalışmalar.