1. บทนำ
กระบวนการติดสาร (วัตถุดิบ) เข้ากับพื้นผิวของวัสดุซับสเตรตโดยวิธีทางกายภาพหรือเคมีเรียกว่าการเจริญเติบโตของฟิล์มบาง
ตามหลักการทำงานที่แตกต่างกัน การสะสมฟิล์มบางของวงจรรวมสามารถแบ่งออกเป็น:
- การสะสมไอทางกายภาพ (PVD);
- การสะสมไอสารเคมี (CVD);
-ส่วนขยาย.
2. กระบวนการเจริญเติบโตของฟิล์มบาง
2.1 กระบวนการสะสมไอทางกายภาพและการสปัตเตอร์
กระบวนการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) หมายถึงการใช้วิธีการทางกายภาพ เช่น การระเหยแบบสุญญากาศ การสปัตเตอร์ การเคลือบพลาสมา และเอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล เพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์
ในอุตสาหกรรม VLSI เทคโนโลยี PVD ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการสปัตเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้สำหรับอิเล็กโทรดและการเชื่อมต่อระหว่างโลหะของวงจรรวม การสปัตเตอร์ริ่งเป็นกระบวนการที่ก๊าซหายาก [เช่น อาร์กอน (Ar)] ถูกไอออนไนซ์เป็นไอออน (เช่น Ar+) ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกภายใต้สภาวะสุญญากาศสูง และระดมยิงแหล่งกำเนิดเป้าหมายวัสดุภายใต้สภาพแวดล้อมไฟฟ้าแรงสูง กระแทกอะตอมหรือโมเลกุลของวัสดุเป้าหมาย จากนั้นจึงมาถึงพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์เพื่อสร้างฟิล์มบางๆ หลังจากกระบวนการบินที่ไม่มีการชนกัน Ar มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร และไอออนของ Ar จะไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับวัสดุเป้าหมายและฟิล์ม เนื่องจากชิปวงจรรวมเข้าสู่ยุคการเชื่อมต่อด้วยทองแดงขนาด 0.13μm ชั้นวัสดุกั้นทองแดงจึงใช้ฟิล์มไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) หรือฟิล์มแทนทาลัมไนไตรด์ (TaN) ความต้องการเทคโนโลยีอุตสาหกรรมได้ส่งเสริมการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีสปัตเตอร์ปฏิกิริยาเคมีนั่นคือในห้องสปัตเตอร์นอกเหนือจาก Ar แล้วยังมีไนโตรเจนก๊าซปฏิกิริยา (N2) เพื่อให้ Ti หรือ Ta โจมตีจาก วัสดุเป้าหมาย Ti หรือ Ta ทำปฏิกิริยากับ N2 เพื่อสร้างฟิล์ม TiN หรือ TaN ที่ต้องการ
มีวิธีการสปัตเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปสามวิธี ได้แก่ DC สปัตเตอร์, RF สปัตเตอร์ และแมกนีตรอนสปัตเตอร์ เนื่องจากการบูรณาการวงจรรวมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จำนวนชั้นของสายไฟโลหะหลายชั้นก็เพิ่มขึ้น และการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี PVD ก็เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ วัสดุ PVD ได้แก่ Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2 เป็นต้น
กระบวนการ PVD และสปัตเตอร์มักจะเสร็จสิ้นในห้องปฏิกิริยาที่ปิดสนิทโดยมีระดับสุญญากาศ 1×10-7 ถึง 9×10-9 Torr ซึ่งสามารถรับประกันความบริสุทธิ์ของก๊าซในระหว่างการทำปฏิกิริยา ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูงภายนอกเพื่อสร้างไอออนไนซ์ก๊าซหายากเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงพอที่จะทิ้งระเบิดใส่เป้าหมาย พารามิเตอร์หลักสำหรับการประเมิน PVD และกระบวนการสปัตเตอร์ ได้แก่ ปริมาณฝุ่น รวมถึงค่าความต้านทาน ความสม่ำเสมอ ความหนาในการสะท้อนแสง และความเค้นของฟิล์มที่ขึ้นรูป
2.2 การสะสมไอสารเคมีและกระบวนการสปัตเตอร์
การสะสมไอสารเคมี (CVD) หมายถึงเทคโนโลยีกระบวนการที่สารตั้งต้นที่เป็นก๊าซหลายชนิดที่มีความดันบางส่วนต่างกันจะทำปฏิกิริยาทางเคมีที่อุณหภูมิและความดันที่แน่นอน และสารของแข็งที่เกิดขึ้นจะสะสมอยู่บนพื้นผิวของวัสดุซับสเตรตเพื่อให้ได้ความบางที่ต้องการ ฟิล์ม. ในกระบวนการผลิตวงจรรวมแบบดั้งเดิม วัสดุฟิล์มบางที่ได้โดยทั่วไปจะเป็นสารประกอบ เช่น ออกไซด์ ไนไตรด์ คาร์ไบด์ หรือวัสดุ เช่น ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ และซิลิคอนอสัณฐาน การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวแบบเลือกสรร ซึ่งใช้กันทั่วไปมากกว่าหลังจากโหนด 45 นาโนเมตร เช่น การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวแบบเลือกสรรของแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำ SiGe หรือ Si ก็เป็นเทคโนโลยี CVD เช่นกัน
เทคโนโลยีนี้สามารถสร้างวัสดุผลึกเดี่ยวประเภทเดียวกันหรือคล้ายกับโครงตาข่ายดั้งเดิมต่อไปได้บนพื้นผิวผลึกเดี่ยวของซิลิคอนหรือวัสดุอื่น ๆ ตามแนวโครงตาข่ายดั้งเดิม CVD ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเจริญเติบโตของฟิล์มอิเล็กทริกที่เป็นฉนวน (เช่น SiO2, Si3N4 และ SiON เป็นต้น) และฟิล์มโลหะ (เช่น ทังสเตน ฯลฯ)
โดยทั่วไป ตามการจำแนกประเภทความดัน CVD สามารถแบ่งออกเป็นการสะสมไอสารเคมีความดันบรรยากาศ (APCVD) การสะสมไอสารเคมีความดันใต้บรรยากาศ (SAPCVD) และการสะสมไอสารเคมีความดันต่ำ (LPCVD)
ตามการจำแนกอุณหภูมิ CVD สามารถแบ่งออกเป็นการสะสมไอสารเคมีของฟิล์มออกไซด์ที่มีอุณหภูมิสูง/อุณหภูมิต่ำ (HTO/LTO CVD) และการสะสมไอสารเคมีความร้อนอย่างรวดเร็ว (Rapid Thermal CVD, RTCVD)
ตามแหล่งที่มาของปฏิกิริยา CVD สามารถแบ่งออกเป็น CVD ที่ใช้ไซเลน CVD ที่ใช้โพลีเอสเตอร์ (CVD ที่ใช้ TEOS) และการสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD)
ตามการจำแนกประเภทพลังงาน CVD สามารถแบ่งออกเป็นการสะสมไอสารเคมีความร้อน (Thermal CVD), การสะสมไอสารเคมีด้วยพลาสม่าที่เพิ่มขึ้น (Plasma Enhanced CVD, PECVD) และการสะสมไอสารเคมีในพลาสมาความหนาแน่นสูง (High Density Plasma CVD, HDPCVD) เมื่อเร็วๆ นี้ ยังมีการพัฒนาการสะสมไอสารเคมีที่ไหลได้ (CVD แบบไหลได้, FCVD) ที่มีความสามารถในการเติมช่องว่างที่ดีเยี่ยมอีกด้วย
ฟิล์มที่ปลูกด้วย CVD ต่างกันมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน (เช่น องค์ประกอบทางเคมี ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก แรงดึง ความเค้น และแรงดันพังทลาย) และสามารถใช้แยกกันได้ตามความต้องการของกระบวนการที่แตกต่างกัน (เช่น อุณหภูมิ ความครอบคลุมของขั้นตอน ข้อกำหนดในการบรรจุ ฯลฯ)
2.3 กระบวนการสะสมชั้นอะตอม
การสะสมของชั้นอะตอม (ALD) หมายถึงการสะสมของอะตอมทีละชั้นบนพื้นผิววัสดุโดยการขยายฟิล์มอะตอมเพียงชั้นเดียวทีละชั้น ALD ทั่วไปใช้วิธีการป้อนสารตั้งต้นที่เป็นก๊าซเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ในลักษณะพัลส์สลับกัน
ตัวอย่างเช่น ประการแรก สารตั้งต้นของปฏิกิริยา 1 ถูกนำเข้าสู่พื้นผิวของสารตั้งต้น และหลังจากการดูดซับทางเคมี จะมีการสร้างชั้นอะตอมเพียงชั้นเดียวบนพื้นผิวของสารตั้งต้น จากนั้นสารตั้งต้น 1 ที่เหลืออยู่บนพื้นผิวของสารตั้งต้นและในห้องปฏิกิริยาจะถูกสูบออกโดยปั๊มลม จากนั้นนำสารตั้งต้นของปฏิกิริยา 2 เข้าสู่พื้นผิวของสารตั้งต้น และทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสารตั้งต้น 1 ที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวของสารตั้งต้นเพื่อสร้างวัสดุฟิล์มบางที่สอดคล้องกันและผลพลอยได้ที่สอดคล้องกันบนพื้นผิวของสารตั้งต้น เมื่อสารตั้งต้น 1 ทำปฏิกิริยาอย่างสมบูรณ์ ปฏิกิริยาจะหยุดโดยอัตโนมัติซึ่งเป็นคุณลักษณะที่จำกัดตัวเองของ ALD จากนั้นสารตั้งต้นและผลพลอยได้ที่เหลือจะถูกสกัดเพื่อเตรียมสำหรับการเจริญเติบโตขั้นต่อไป ด้วยการทำซ้ำขั้นตอนข้างต้นอย่างต่อเนื่อง จึงสามารถเกิดการสะสมของวัสดุฟิล์มบางที่ปลูกทีละชั้นด้วยอะตอมเดี่ยวได้
ทั้ง ALD และ CVD เป็นวิธีการแนะนำแหล่งกำเนิดปฏิกิริยาเคมีที่เป็นก๊าซเพื่อทำปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของสารตั้งต้น แต่ความแตกต่างก็คือ แหล่งกำเนิดปฏิกิริยาที่เป็นก๊าซของ CVD ไม่มีคุณลักษณะของการเติบโตแบบจำกัดตัวเอง จะเห็นได้ว่ากุญแจสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยี ALD คือการค้นหาสารตั้งต้นที่มีคุณสมบัติปฏิกิริยาจำกัดตัวเอง
2.4 กระบวนการเอปิแอกเซียล
กระบวนการอีปิแอกเซียลหมายถึงกระบวนการสร้างชั้นผลึกเดี่ยวที่ได้รับคำสั่งอย่างสมบูรณ์บนซับสเตรต โดยทั่วไป กระบวนการอีพิแทกเซียลคือการสร้างชั้นคริสตัลที่มีการวางแนวแบบขัดแตะเดียวกันกับซับสเตรตดั้งเดิมบนซับสเตรตคริสตัลเดี่ยว กระบวนการเอพิแอกเซียลถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เช่น เวเฟอร์ซิลิกอนแบบเอพิแทกเซียลในอุตสาหกรรมวงจรรวม, แหล่งกำเนิดแบบฝังและการเติบโตของเอปิแอกเซียลของทรานซิสเตอร์ MOS, การเติบโตของเอพิแอกเซียลบนพื้นผิว LED เป็นต้น
ตามสถานะเฟสต่างๆ ของแหล่งที่มาของการเจริญเติบโต วิธีการเจริญเติบโตของ epitaxis สามารถแบ่งออกเป็น epitaxy ของเฟสของแข็ง, epitaxy ของเฟสของเหลว และ epitaxy ของเฟสไอ ในการผลิตวงจรรวม วิธี epitaxy ที่ใช้กันทั่วไปคือ epitaxy เฟสของแข็ง และ epitaxy เฟสไอ
Solid Phase Epitaxy: หมายถึงการเติบโตของชั้นผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวโดยใช้แหล่งของแข็ง ตัวอย่างเช่น การหลอมด้วยความร้อนหลังจากการฝังไอออนแท้จริงแล้วเป็นกระบวนการเอพิแทกซีเฟสของแข็ง ในระหว่างการฝังไอออน อะตอมของซิลิคอนของเวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกถล่มด้วยไอออนที่ฝังพลังงานสูง ออกจากตำแหน่งโครงตาข่ายเดิมและกลายเป็นอสัณฐาน ก่อตัวเป็นชั้นซิลิคอนอสัณฐานที่พื้นผิว หลังจากการอบอ่อนด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง อะตอมอสัณฐานจะกลับสู่ตำแหน่งขัดแตะและยังคงสอดคล้องกับการวางแนวของผลึกอะตอมภายในสารตั้งต้น
วิธีการเจริญเติบโตของ epitaxy เฟสไอ ได้แก่ epitaxy เฟสไอเคมี, epitaxy ลำแสงโมเลกุล, epitaxy ชั้นอะตอมมิก ฯลฯ ในการผลิตวงจรรวม epitaxy เฟสไอเคมีเป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุด หลักการของ epitaxy เฟสไอเคมีนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับหลักการของการสะสมไอสารเคมี ทั้งสองอย่างเป็นกระบวนการที่สะสมฟิล์มบางโดยการทำปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์หลังการผสมก๊าซ
ข้อแตกต่างก็คือเนื่องจาก epitaxy เฟสไอสารเคมีเติบโตเป็นชั้นผลึกเดี่ยว จึงมีข้อกำหนดที่สูงกว่าสำหรับปริมาณสิ่งเจือปนในอุปกรณ์และความสะอาดของพื้นผิวเวเฟอร์ กระบวนการซิลิกอนแบบเอพิแทกเซียลเฟสไอสารเคมีในระยะเริ่มแรกจำเป็นต้องดำเนินการภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง (มากกว่า 1,000°C) ด้วยการปรับปรุงอุปกรณ์กระบวนการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำเทคโนโลยีห้องแลกเปลี่ยนสุญญากาศมาใช้ ความสะอาดของช่องอุปกรณ์และพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิกอนได้รับการปรับปรุงอย่างมาก และซิลิกอนเอพิแทกซีสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำลง (600-700° ค) กระบวนการเวเฟอร์ซิลิกอนแบบ epitaxis คือการสร้างชั้นของซิลิคอนผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน
เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตซิลิกอนดั้งเดิม ชั้นซิลิกอนแบบ epitaxis มีความบริสุทธิ์สูงกว่าและมีข้อบกพร่องขัดแตะน้อยกว่า จึงช่วยเพิ่มผลผลิตของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ นอกจากนี้ ความหนาในการเจริญเติบโตและความเข้มข้นของสารโด๊ปของชั้นซิลิกอนเอพิแทกเซียลที่ปลูกบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนสามารถออกแบบได้อย่างยืดหยุ่น ซึ่งนำความยืดหยุ่นมาสู่การออกแบบอุปกรณ์ เช่น การลดความต้านทานของสารตั้งต้น และเพิ่มการแยกตัวของสารตั้งต้น กระบวนการ epitaxis จากแหล่งกำเนิดและท่อระบายแบบฝังเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในโหนดเทคโนโลยีลอจิกขั้นสูง
มันหมายถึงกระบวนการของซิลิคอนหรือซิลิคอนเจอร์เมเนียมเจือปนที่เติบโตแบบ epitaxis ในแหล่งกำเนิดและบริเวณท่อระบายของทรานซิสเตอร์ MOS ข้อได้เปรียบหลักของการแนะนำกระบวนการ epitaxis จากแหล่งระบายแบบฝัง ได้แก่ : การเพิ่มชั้น pseudocrystalline ที่มีความเครียดเนื่องจากการปรับตัวของโครงตาข่าย การปรับปรุงการเคลื่อนที่ของผู้ให้บริการช่องทาง; การเติมแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำในแหล่งกำเนิดสามารถลดความต้านทานปรสิตของทางแยกแหล่งกำเนิด-ท่อระบายน้ำ และลดข้อบกพร่องของการฝังไอออนพลังงานสูง
3.อุปกรณ์การเจริญเติบโตของฟิล์มบาง
3.1 อุปกรณ์ระเหยสุญญากาศ
การระเหยแบบสุญญากาศเป็นวิธีการเคลือบที่ให้ความร้อนแก่วัสดุที่เป็นของแข็งในห้องสุญญากาศเพื่อให้วัสดุระเหย กลายเป็นไอ หรือระเหิด จากนั้นควบแน่นและเกาะตัวอยู่บนพื้นผิวของวัสดุซับสเตรตที่อุณหภูมิที่กำหนด
โดยปกติจะประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ ระบบสุญญากาศ ระบบระเหย และระบบทำความร้อน ระบบสุญญากาศประกอบด้วยท่อสุญญากาศและปั๊มสุญญากาศ และหน้าที่หลักคือจัดให้มีสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่เหมาะสมสำหรับการระเหย ระบบการระเหยประกอบด้วยโต๊ะการระเหย ส่วนประกอบความร้อน และส่วนประกอบสำหรับการวัดอุณหภูมิ
วัสดุเป้าหมายที่จะระเหย (เช่น Ag, Al ฯลฯ) จะถูกวางบนโต๊ะระเหย ส่วนประกอบการทำความร้อนและอุณหภูมิเป็นระบบวงปิดที่ใช้ในการควบคุมอุณหภูมิการระเหยเพื่อให้การระเหยเป็นไปอย่างราบรื่น ระบบทำความร้อนประกอบด้วยแผ่นเวเฟอร์และส่วนประกอบทำความร้อน ขั้นเวเฟอร์ใช้เพื่อวางซับสเตรตที่ต้องการระเหยฟิล์มบาง และใช้ส่วนประกอบการทำความร้อนเพื่อให้ทราบถึงการทำความร้อนของซับสเตรตและการควบคุมผลป้อนกลับของการวัดอุณหภูมิ
สภาพแวดล้อมสุญญากาศเป็นสภาวะที่สำคัญมากในกระบวนการระเหยแบบสุญญากาศ ซึ่งสัมพันธ์กับอัตราการระเหยและคุณภาพของฟิล์ม หากระดับสุญญากาศไม่เป็นไปตามข้อกำหนด อะตอมหรือโมเลกุลที่กลายเป็นไอจะชนกับโมเลกุลก๊าซที่ตกค้างบ่อยครั้ง ทำให้เส้นทางอิสระเฉลี่ยเล็กลง และอะตอมหรือโมเลกุลจะกระจายอย่างรุนแรง จึงเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่และลดฟิล์มลง อัตราการก่อตัว
นอกจากนี้ เนื่องจากมีโมเลกุลก๊าซเจือปนตกค้าง ฟิล์มที่สะสมจึงปนเปื้อนอย่างรุนแรงและมีคุณภาพไม่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออัตราการเพิ่มขึ้นของความดันของห้องไม่เป็นไปตามมาตรฐานและมีการรั่วไหล อากาศจะรั่วไหลเข้าไปในห้องสุญญากาศ ซึ่งจะมีผลกระทบร้ายแรงต่อคุณภาพของภาพยนตร์
ลักษณะโครงสร้างของอุปกรณ์การระเหยแบบสุญญากาศกำหนดว่าความสม่ำเสมอของการเคลือบบนพื้นผิวขนาดใหญ่นั้นไม่ดี เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอ โดยทั่วไปจะใช้วิธีเพิ่มระยะห่างระหว่างแหล่งที่มากับพื้นผิวและการหมุนพื้นผิว แต่การเพิ่มระยะห่างระหว่างแหล่งที่มากับพื้นผิวจะส่งผลต่ออัตราการเติบโตและความบริสุทธิ์ของฟิล์ม ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากพื้นที่สุญญากาศเพิ่มขึ้น อัตราการใช้ประโยชน์ของวัสดุระเหยจึงลดลง
3.2 อุปกรณ์สะสมไอทางกายภาพ DC
การสะสมไอทางกายภาพด้วยกระแสตรง (DCPVD) เรียกอีกอย่างว่าแคโทดสปัตเตอร์หรือการสปัตเตอร์ DC สองขั้นตอนแบบสุญญากาศ วัสดุเป้าหมายของการสปัตเตอร์ DC สุญญากาศจะใช้เป็นแคโทดและใช้วัสดุพิมพ์เป็นขั้วบวก การสปัตเตอร์แบบสุญญากาศคือการสร้างพลาสมาโดยการทำให้เกิดไอออนในก๊าซในกระบวนการ
อนุภาคที่มีประจุในพลาสมาจะถูกเร่งในสนามไฟฟ้าเพื่อให้ได้พลังงานจำนวนหนึ่ง อนุภาคที่มีพลังงานเพียงพอจะโจมตีพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย เพื่อให้อะตอมเป้าหมายถูกสปัตเตอร์ออกมา อะตอมสปัตเตอร์ที่มีพลังงานจลน์จำนวนหนึ่งจะเคลื่อนที่ไปยังสารตั้งต้นเพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวของสารตั้งต้น ก๊าซที่ใช้ในการสปัตเตอร์โดยทั่วไปจะเป็นก๊าซหายาก เช่น อาร์กอน (Ar) ดังนั้นฟิล์มที่เกิดจากการสปัตเตอร์จะไม่ปนเปื้อน นอกจากนี้รัศมีอะตอมของอาร์กอนยังเหมาะสำหรับการสปัตเตอร์มากกว่า
ขนาดของอนุภาคสปัตเตอร์จะต้องใกล้เคียงกับขนาดของอะตอมเป้าหมายที่จะสปัตเตอร์ หากอนุภาคมีขนาดใหญ่หรือเล็กเกินไป จะไม่เกิดการสปัตเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ นอกจากปัจจัยขนาดของอะตอมแล้ว ปัจจัยมวลของอะตอมยังส่งผลต่อคุณภาพการสปัตเตอร์ด้วย หากแหล่งกำเนิดอนุภาคสปัตเตอร์เบาเกินไป อะตอมเป้าหมายจะไม่สปัตเตอร์ หากอนุภาคสปัตเตอร์หนักเกินไป เป้าหมายจะ "งอ" และเป้าหมายจะไม่สปัตเตอร์
วัสดุเป้าหมายที่ใช้ใน DCPVD จะต้องเป็นตัวนำ เนื่องจากเมื่อไอออนอาร์กอนในกระบวนการแก๊สโจมตีวัสดุเป้าหมาย พวกมันจะรวมตัวใหม่กับอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย เมื่อวัสดุเป้าหมายเป็นตัวนำ เช่น โลหะ อิเล็กตรอนที่ใช้โดยการรวมตัวกันใหม่นี้จะถูกเติมได้ง่ายขึ้นด้วยแหล่งจ่ายไฟและอิเล็กตรอนอิสระในส่วนอื่นๆ ของวัสดุเป้าหมายผ่านการนำไฟฟ้า เพื่อให้พื้นผิวของวัสดุเป้าหมายเป็น ทั้งหมดยังคงมีประจุลบและคงการสปัตเตอร์ไว้
ในทางตรงกันข้าม หากวัสดุเป้าหมายเป็นฉนวน หลังจากที่อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายถูกรวมตัวกันอีกครั้ง อิเล็กตรอนอิสระในส่วนอื่นๆ ของวัสดุเป้าหมายจะไม่สามารถถูกเติมเต็มด้วยการนำไฟฟ้า และแม้แต่ประจุบวกก็จะสะสมอยู่บน พื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย ส่งผลให้วัสดุเป้าหมายมีศักยภาพเพิ่มขึ้น และประจุลบของวัสดุเป้าหมายจะลดลงจนหายไป ในที่สุดก็นำไปสู่การยุติการสปัตเตอร์
ดังนั้นในการที่จะทำให้วัสดุฉนวนสามารถนำมาใช้ในการสปัตเตอร์ได้ จำเป็นต้องหาวิธีสปัตเตอร์แบบอื่น การสปัตเตอร์ด้วยความถี่วิทยุเป็นวิธีการสปัตเตอร์ที่เหมาะสำหรับเป้าหมายทั้งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า
ข้อเสียอีกประการหนึ่งของ DCPVD ก็คือแรงดันไฟฟ้าในการจุดระเบิดสูงและการระดมยิงอิเล็กตรอนบนสารตั้งต้นมีความรุนแรง วิธีที่มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหานี้คือการใช้แมกนีตรอนสปัตเตอร์ ดังนั้นแมกนีตรอนสปัตเตอร์จึงมีคุณค่าในทางปฏิบัติในด้านวงจรรวม
3.3 อุปกรณ์การสะสมไอทางกายภาพ RF
การสะสมไอทางกายภาพของความถี่วิทยุ (RFPVD) ใช้พลังงานความถี่วิทยุเป็นแหล่งกระตุ้นและเป็นวิธีการ PVD ที่เหมาะสำหรับวัสดุโลหะและอโลหะหลายประเภท
ความถี่ทั่วไปของแหล่งจ่ายไฟ RF ที่ใช้ใน RFPVD คือ 13.56MHz, 20MHz และ 60MHz วงจรบวกและลบของแหล่งจ่ายไฟ RF จะปรากฏขึ้นสลับกัน เมื่อเป้าหมาย PVD อยู่ในครึ่งรอบเชิงบวก เนื่องจากพื้นผิวเป้าหมายมีศักยภาพเป็นบวก อิเล็กตรอนในบรรยากาศกระบวนการจะไหลไปยังพื้นผิวเป้าหมายเพื่อทำให้ประจุบวกที่สะสมอยู่บนพื้นผิวเป็นกลาง และยังคงสะสมอิเล็กตรอนต่อไป ทำให้พื้นผิวมีอคติในทางลบ เมื่อเป้าหมายสปัตเตอร์อยู่ในครึ่งรอบเชิงลบ ไอออนบวกจะเคลื่อนที่ไปยังเป้าหมายและทำให้เป็นกลางบางส่วนบนพื้นผิวเป้าหมาย
สิ่งที่สำคัญที่สุดคือความเร็วในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้า RF นั้นเร็วกว่าไอออนบวกมาก ในขณะที่เวลาของครึ่งรอบบวกและลบจะเท่ากัน ดังนั้นหลังจากครบวงรอบ พื้นผิวเป้าหมายจะเป็น “สุทธิ” มีประจุลบ ดังนั้นในสองสามรอบแรก ประจุลบของพื้นผิวเป้าหมายจึงมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น หลังจากนั้น พื้นผิวเป้าหมายจะมีศักย์ไฟฟ้าเชิงลบที่มั่นคง หลังจากนั้น เนื่องจากประจุลบของเป้าหมายมีผลกระทบที่น่ารังเกียจต่ออิเล็กตรอน ปริมาณของประจุบวกและลบที่อิเล็กโทรดเป้าหมายได้รับจึงมีแนวโน้มที่จะสมดุล และเป้าหมายจะแสดงประจุลบที่เสถียร
จากกระบวนการข้างต้น จะเห็นได้ว่ากระบวนการสร้างแรงดันไฟฟ้าเชิงลบไม่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของวัสดุเป้าหมาย ดังนั้นวิธี RFPVD ไม่เพียงแต่สามารถแก้ปัญหาการสปัตเตอร์ของฉนวนเป้าหมายเท่านั้น แต่ยังเข้ากันได้ดีอีกด้วย โดยมีเป้าหมายที่เป็นตัวนำโลหะทั่วไป
3.4 อุปกรณ์แมกนีตรอนสปัตเตอร์
การสปัตเตอร์แมกนีตรอนเป็นวิธี PVD ที่เพิ่มแม่เหล็กที่ด้านหลังของชิ้นงาน แม่เหล็กที่เพิ่มเข้ามาและระบบจ่ายไฟ DC (หรือไฟ AC) ก่อให้เกิดแหล่งกำเนิดแมกนีตรอนสปัตเตอร์ แหล่งกำเนิดสปัตเตอร์ใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบโต้ตอบในห้อง จับและจำกัดช่วงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในพลาสมาภายในห้อง ขยายเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และเพิ่มความเข้มข้นของพลาสมา และบรรลุผลสำเร็จในที่สุด การทับถม
นอกจากนี้ เนื่องจากมีอิเล็กตรอนจำนวนมากเกาะติดกับพื้นผิวของเป้าหมาย การระดมยิงของซับสเตรตด้วยอิเล็กตรอนจึงลดลง และอุณหภูมิของซับสเตรตก็ลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยี DCPVD แบบแผ่นเรียบ หนึ่งในคุณสมบัติที่ชัดเจนที่สุดของเทคโนโลยีการสะสมไอทางกายภาพของแมกนีตรอนก็คือแรงดันไฟฟ้าในการจุดระเบิดจะต่ำกว่าและมีเสถียรภาพมากขึ้น
เนื่องจากความเข้มข้นของพลาสมาที่สูงขึ้นและผลผลิตสปัตเตอร์ที่มากขึ้น ทำให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพการสะสมที่ดีเยี่ยม การควบคุมความหนาของการสะสมในช่วงขนาดที่กว้าง การควบคุมองค์ประกอบที่แม่นยำ และแรงดันการจุดระเบิดที่ต่ำกว่า ดังนั้นการสปัตเตอร์แมกนีตรอนจึงอยู่ในตำแหน่งที่โดดเด่นใน PVD ฟิล์มโลหะในปัจจุบัน การออกแบบแหล่งกำเนิดแมกนีตรอนสปัตเตอร์ที่ง่ายที่สุดคือการวางกลุ่มแม่เหล็กไว้ที่ด้านหลังของชิ้นงานแบน (นอกระบบสุญญากาศ) เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กขนานกับพื้นผิวเป้าหมายในพื้นที่เฉพาะบนพื้นผิวเป้าหมาย
หากวางแม่เหล็กถาวรไว้ สนามแม่เหล็กของมันจะคงที่ ส่งผลให้มีการกระจายสนามแม่เหล็กที่ค่อนข้างคงที่บนพื้นผิวเป้าหมายในห้องเพาะเลี้ยง เฉพาะวัสดุในพื้นที่เฉพาะของเป้าหมายเท่านั้นที่ถูกสปัตเตอร์ อัตราการใช้เป้าหมายต่ำ และความสม่ำเสมอของฟิล์มที่เตรียมไว้ไม่ดี
มีความเป็นไปได้บางประการที่โลหะสปัตเตอร์หรืออนุภาควัสดุอื่นๆ จะถูกสะสมกลับบนพื้นผิวเป้าหมาย ซึ่งรวมตัวเป็นอนุภาคและก่อให้เกิดการปนเปื้อนที่มีข้อบกพร่อง ดังนั้นแหล่งสปัตเตอร์แมกนีตรอนเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้การออกแบบแม่เหล็กแบบหมุนเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของฟิล์ม อัตราการใช้เป้าหมาย และการสปัตเตอร์เป้าหมายแบบเต็ม
สิ่งสำคัญคือต้องสร้างสมดุลระหว่างปัจจัยทั้งสามนี้ หากความสมดุลไม่ได้รับการจัดการอย่างดี อาจส่งผลให้ฟิล์มมีความสม่ำเสมอที่ดีในขณะที่ลดอัตราการใช้เป้าหมายลงอย่างมาก (ทำให้อายุการใช้งานเป้าหมายสั้นลง) หรือไม่สามารถบรรลุการสปัตเตอร์แบบเต็มเป้าหมายหรือการกัดกร่อนแบบเต็มเป้าหมาย ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาอนุภาคในระหว่างการสปัตเตอร์ กระบวนการ.
ในเทคโนโลยีแมกนีตรอน PVD จำเป็นต้องพิจารณากลไกการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กแบบหมุน รูปร่างเป้าหมาย ระบบทำความเย็นเป้าหมาย และแหล่งกำเนิดแมกนีตรอนสปัตเตอร์ รวมถึงการกำหนดค่าการทำงานของฐานที่บรรทุกเวเฟอร์ เช่น การดูดซับเวเฟอร์และการควบคุมอุณหภูมิ ในกระบวนการ PVD อุณหภูมิของเวเฟอร์จะถูกควบคุมเพื่อให้ได้โครงสร้างผลึกที่ต้องการ ขนาดเกรนและการวางแนว ตลอดจนความเสถียรของประสิทธิภาพ
เนื่องจากการนำความร้อนระหว่างด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์และพื้นผิวของฐานต้องใช้แรงดันบางอย่าง โดยปกติจะอยู่ในลำดับของ Torr หลายตัว และแรงดันในการทำงานของห้องมักจะอยู่ในลำดับหลาย mTorr ความดันที่ด้านหลัง ของเวเฟอร์นั้นมากกว่าแรงกดบนพื้นผิวด้านบนของเวเฟอร์มาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้หัวจับแบบกลไกหรือหัวจับแบบไฟฟ้าสถิตเพื่อจัดตำแหน่งและจำกัดเวเฟอร์
หัวจับแบบกลไกอาศัยน้ำหนักของตัวเองและขอบของแผ่นเวเฟอร์เพื่อให้ได้ฟังก์ชันนี้ แม้ว่าจะมีข้อดีของโครงสร้างที่เรียบง่ายและไม่มีความรู้สึกต่อวัสดุของเวเฟอร์ แต่ผลกระทบของขอบของเวเฟอร์นั้นชัดเจน ซึ่งไม่เอื้อต่อการควบคุมอนุภาคอย่างเข้มงวด ดังนั้นจึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยหัวจับไฟฟ้าสถิตในกระบวนการผลิต IC
สำหรับกระบวนการที่ไม่ไวต่ออุณหภูมิเป็นพิเศษ สามารถใช้วิธีการเก็บเข้าลิ้นชักแบบไม่ดูดซับและไม่มีขอบ (ไม่มีความแตกต่างของแรงดันระหว่างพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของแผ่นเวเฟอร์) ได้ ในระหว่างกระบวนการ PVD ผนังบุห้องและพื้นผิวของชิ้นส่วนที่สัมผัสกับพลาสมาจะถูกสะสมและปกคลุมไว้ เมื่อความหนาของฟิล์มที่สะสมเกินขีดจำกัด ฟิล์มจะแตกและลอกออกทำให้เกิดปัญหาอนุภาค
ดังนั้นการรักษาพื้นผิวของชิ้นส่วนต่างๆ เช่น การบุด้านในจึงเป็นกุญแจสำคัญในการขยายขีดจำกัดนี้ การพ่นทรายบนพื้นผิวและการพ่นอะลูมิเนียมเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปสองวิธี โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มความหยาบของพื้นผิวเพื่อเสริมสร้างการยึดเกาะระหว่างฟิล์มกับพื้นผิวซับ
3.5 อุปกรณ์การสะสมไอทางกายภาพของไอออไนเซชัน
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์อย่างต่อเนื่อง ขนาดของฟีเจอร์จึงเล็กลงเรื่อยๆ เนื่องจากเทคโนโลยี PVD ไม่สามารถควบคุมทิศทางการสะสมของอนุภาคได้ ความสามารถของ PVD ในการเข้าไปในรูและช่องแคบที่มีอัตราส่วนภาพสูงจึงมีจำกัด ทำให้การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี PVD แบบดั้งเดิมแบบขยายมีความท้าทายมากขึ้น ในกระบวนการ PVD เมื่ออัตราส่วนภาพของร่องรูพรุนเพิ่มขึ้น ความครอบคลุมที่ด้านล่างลดลง ทำให้เกิดโครงสร้างคล้ายชายคายื่นออกมาที่มุมด้านบน และสร้างการครอบคลุมที่อ่อนแอที่สุดที่มุมด้านล่าง
เทคโนโลยีการสะสมไอทางกายภาพที่แตกตัวเป็นไอออนได้รับการพัฒนาเพื่อแก้ไขปัญหานี้ ขั้นแรกจะทำพลาสมาไทซ์อะตอมของโลหะที่สปัตเตอร์จากเป้าหมายด้วยวิธีต่างๆ กัน จากนั้นจะปรับแรงดันไบแอสที่โหลดบนเวเฟอร์เพื่อควบคุมทิศทางและพลังงานของไอออนของโลหะ เพื่อให้ได้ทิศทางการไหลของไอออนของโลหะที่เสถียรเพื่อเตรียมฟิล์มบางๆ ซึ่งจะช่วยปรับปรุง ความครอบคลุมด้านล่างของขั้นบันไดที่มีอัตราส่วนภาพสูงผ่านรูและช่องแคบ
คุณลักษณะทั่วไปของเทคโนโลยีพลาสมาโลหะไอออนไนซ์คือการเพิ่มขดลวดความถี่วิทยุในห้องเพาะเลี้ยง ในระหว่างกระบวนการ แรงดันใช้งานของห้องเพาะเลี้ยงจะคงอยู่ที่สถานะค่อนข้างสูง (5 ถึง 10 เท่าของแรงดันใช้งานปกติ) ในระหว่าง PVD ขดลวดความถี่วิทยุจะใช้เพื่อสร้างบริเวณพลาสมาที่สอง ซึ่งความเข้มข้นของพลาสมาอาร์กอนจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของกำลังความถี่วิทยุและความดันก๊าซ เมื่ออะตอมของโลหะสปัตเตอร์จากเป้าหมายผ่านบริเวณนี้ พวกมันจะมีปฏิกิริยากับพลาสมาอาร์กอนความหนาแน่นสูงเพื่อสร้างไอออนของโลหะ
การใช้แหล่งกำเนิด RF ที่ตัวพาเวเฟอร์ (เช่น หัวจับไฟฟ้าสถิต) สามารถเพิ่มอคติเชิงลบบนเวเฟอร์เพื่อดึงดูดไอออนบวกของโลหะไปที่ด้านล่างของร่องรูพรุน การไหลของไอออนของโลหะในทิศทางที่ตั้งฉากกับพื้นผิวเวเฟอร์ช่วยปรับปรุงการครอบคลุมขั้นด้านล่างของรูพรุนที่มีอัตราส่วนกว้างยาวสูงและช่องแคบ
อคติเชิงลบที่เกิดกับเวเฟอร์ยังทำให้ไอออนโจมตีพื้นผิวเวเฟอร์ (การสปัตเตอร์แบบย้อนกลับ) ซึ่งทำให้โครงสร้างที่ยื่นออกมาของปากร่องรูพรุนอ่อนลง และสปัตเตอร์ฟิล์มที่สะสมอยู่ด้านล่างลงบนแก้มยางที่มุมด้านล่างของรูพรุน ร่องจึงเพิ่มความครอบคลุมขั้นบันไดที่มุม
3.6 อุปกรณ์การสะสมไอสารเคมีความดันบรรยากาศ
อุปกรณ์การสะสมไอสารเคมีความดันบรรยากาศ (APCVD) หมายถึงอุปกรณ์ที่พ่นแหล่งกำเนิดปฏิกิริยาก๊าซด้วยความเร็วคงที่บนพื้นผิวของสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งที่ได้รับความร้อนภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีความดันใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศ ทำให้แหล่งกำเนิดปฏิกิริยาเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับ พื้นผิวของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจะสะสมอยู่บนพื้นผิวของสารตั้งต้นเพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆ
อุปกรณ์ APCVD เป็นอุปกรณ์ CVD รุ่นแรกๆ และยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรมและการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ อุปกรณ์ APCVD สามารถใช้เตรียมฟิล์มบางได้ เช่น ซิลิคอนผลึกเดี่ยว ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ ซิลิคอนไดออกไซด์ ซิงค์ออกไซด์ ไทเทเนียมไดออกไซด์ แก้วฟอสโฟซิลิเกต และแก้วโบโรฟอสโฟซิลิเกต
3.7 อุปกรณ์สะสมไอสารเคมีแรงดันต่ำ
อุปกรณ์การสะสมไอสารเคมีความดันต่ำ (LPCVD) หมายถึงอุปกรณ์ที่ใช้วัตถุดิบที่เป็นก๊าซเพื่อทำปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งภายใต้สภาพแวดล้อมที่ให้ความร้อน (350-1100°C) และความดันต่ำ (10-100mTorr) และ สารตั้งต้นจะสะสมอยู่บนพื้นผิวของสารตั้งต้นเพื่อสร้างฟิล์มบางๆ อุปกรณ์ LPCVD ได้รับการพัฒนาบนพื้นฐานของ APCVD เพื่อปรับปรุงคุณภาพของฟิล์มบาง ปรับปรุงความสม่ำเสมอในการกระจายของพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะ เช่น ความหนาของฟิล์มและความต้านทาน และปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต
คุณสมบัติหลักคือในสภาพแวดล้อมสนามความร้อนความดันต่ำ ก๊าซในกระบวนการทำปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของซับสเตรตเวเฟอร์ และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจะสะสมอยู่บนพื้นผิวซับสเตรตเพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆ อุปกรณ์ LPCVD มีข้อได้เปรียบในการเตรียมฟิล์มบางคุณภาพสูง และสามารถใช้ในการเตรียมฟิล์มบาง เช่น ซิลิคอนออกไซด์ ซิลิคอนไนไตรด์ โพลีซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ แกลเลียมไนไตรด์ และกราฟีน
เมื่อเปรียบเทียบกับ APCVD สภาพแวดล้อมปฏิกิริยาแรงดันต่ำของอุปกรณ์ LPCVD จะเพิ่มค่าเส้นทางอิสระเฉลี่ยและค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของก๊าซในห้องปฏิกิริยา
ก๊าซปฏิกิริยาและโมเลกุลของก๊าซตัวพาในห้องปฏิกิริยาสามารถกระจายอย่างสม่ำเสมอในระยะเวลาอันสั้น ซึ่งช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของความหนาของฟิล์ม ความสม่ำเสมอของความต้านทาน และการครอบคลุมขั้นตอนของฟิล์มได้อย่างมาก และการใช้ก๊าซปฏิกิริยาก็มีน้อยเช่นกัน นอกจากนี้ สภาพแวดล้อมที่มีความดันต่ำยังช่วยเร่งความเร็วในการส่งสารก๊าซอีกด้วย สิ่งเจือปนและผลิตภัณฑ์พลอยได้จากปฏิกิริยาที่แพร่กระจายจากซับสเตรตสามารถนำออกจากโซนปฏิกิริยาผ่านชั้นขอบเขตได้อย่างรวดเร็ว และก๊าซปฏิกิริยาจะผ่านชั้นขอบเขตอย่างรวดเร็วเพื่อไปถึงพื้นผิวของซับสเตรตเพื่อทำปฏิกิริยา จึงยับยั้งการเติมสารด้วยตนเองได้อย่างมีประสิทธิภาพ ฟิล์มคุณภาพสูงพร้อมโซนเปลี่ยนผ่านที่สูงชัน และยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตอีกด้วย
3.8 อุปกรณ์การสะสมไอสารเคมีด้วยพลาสม่าเสริม
การสะสมไอสารเคมีด้วยพลาสม่า (PECVD) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเทคโนโลยีการสะสมฟิล์มหิน ในระหว่างกระบวนการพลาสมา สารตั้งต้นของก๊าซจะถูกแตกตัวเป็นไอออนภายใต้การกระทำของพลาสมาเพื่อสร้างกลุ่มแอคทีฟที่ตื่นเต้น ซึ่งจะกระจายไปยังพื้นผิวของสารตั้งต้น จากนั้นเกิดปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อทำให้ฟิล์มเจริญเติบโตอย่างสมบูรณ์
ตามความถี่ของการสร้างพลาสมา พลาสมาที่ใช้ใน PECVD สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ พลาสมาความถี่วิทยุ (RF plasma) และพลาสมาไมโครเวฟ (Microwave plasma) ปัจจุบันความถี่วิทยุที่ใช้ในอุตสาหกรรมโดยทั่วไปอยู่ที่ 13.56MHz
การแนะนำพลาสม่าความถี่วิทยุมักจะแบ่งออกเป็นสองประเภท: การเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟ (CCP) และการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำ (ICP) โดยทั่วไปวิธีการคัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟจะเป็นวิธีปฏิกิริยาพลาสมาโดยตรง ในขณะที่วิธีการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำอาจเป็นวิธีพลาสมาโดยตรงหรือวิธีพลาสมาระยะไกล
ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ PECVD มักใช้ในการสร้างฟิล์มบางบนพื้นผิวที่มีโลหะหรือโครงสร้างอื่นๆ ที่ไวต่ออุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น ในด้านการเชื่อมต่อโครงโลหะส่วนหลังของวงจรรวม เนื่องจากโครงสร้างแหล่งที่มา ประตู และท่อระบายน้ำของอุปกรณ์ได้ถูกสร้างขึ้นในกระบวนการส่วนหน้า การเติบโตของฟิล์มบางในด้านการเชื่อมต่อโครงข่ายโลหะจึงเป็นเรื่อง ไปจนถึงข้อจำกัดด้านงบประมาณด้านความร้อนที่เข้มงวดมาก ดังนั้นจึงมักจะเสร็จสิ้นด้วยความช่วยเหลือจากพลาสมา ด้วยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการพลาสมา จึงสามารถปรับเปลี่ยนและเพิ่มประสิทธิภาพความหนาแน่น องค์ประกอบทางเคมี ปริมาณสิ่งเจือปน ความเหนียวเชิงกล และความเครียดของฟิล์มบางที่ปลูกโดย PECVD ได้ภายในช่วงที่กำหนด
3.9 อุปกรณ์การสะสมชั้นอะตอม
การตกสะสมของชั้นอะตอม (ALD) เป็นเทคโนโลยีการสะสมของชั้นฟิล์มบางที่เติบโตเป็นระยะๆ ในรูปแบบของชั้นกึ่งอะตอมเดียว ลักษณะเฉพาะคือสามารถปรับความหนาของฟิล์มที่สะสมได้อย่างแม่นยำโดยการควบคุมจำนวนรอบการเติบโต ต่างจากกระบวนการสะสมไอสารเคมี (CVD) สารตั้งต้นสองตัว (หรือมากกว่า) ในกระบวนการ ALD จะสลับกันผ่านพื้นผิวของสารตั้งต้น และถูกแยกออกได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการไล่ก๊าซหายาก
สารตั้งต้นทั้งสองจะไม่ผสมและพบกันในเฟสก๊าซเพื่อทำปฏิกิริยาทางเคมี แต่จะทำปฏิกิริยาผ่านการดูดซับสารเคมีบนพื้นผิวของสารตั้งต้นเท่านั้น ในแต่ละรอบ ALD ปริมาณของสารตั้งต้นที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์จะสัมพันธ์กับความหนาแน่นของกลุ่มที่ทำงานอยู่บนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ เมื่อกลุ่มปฏิกิริยาบนพื้นผิวของสารตั้งต้นหมดลง แม้ว่าจะมีสารตั้งต้นมากเกินไปก็ตาม การดูดซับสารเคมีจะไม่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของสารตั้งต้น
กระบวนการเกิดปฏิกิริยานี้เรียกว่าปฏิกิริยาจำกัดตัวเองที่พื้นผิว กลไกกระบวนการนี้ทำให้ความหนาของฟิล์มที่เพิ่มขึ้นในแต่ละรอบของกระบวนการ ALD คงที่ ดังนั้นกระบวนการ ALD จึงมีข้อได้เปรียบในการควบคุมความหนาที่แม่นยำและการครอบคลุมขั้นตอนของฟิล์มที่ดี
3.10 อุปกรณ์ Epitaxy ลำแสงโมเลกุล
ระบบ Molecular Beam Epitaxy (MBE) หมายถึงอุปกรณ์ปิดผิวที่ใช้ลำแสงอะตอมหรือลำแสงโมเลกุลพลังงานความร้อนตั้งแต่หนึ่งลำขึ้นไปเพื่อพ่นลงบนพื้นผิวซับสเตรตที่ได้รับความร้อนด้วยความเร็วที่กำหนดภายใต้สภาวะสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ และดูดซับและเคลื่อนตัวบนพื้นผิวซับสเตรต เพื่อสร้างฟิล์มบางผลึกเดี่ยวแบบ epitaxis ตามแนวแกนคริสตัลของวัสดุพื้นผิว โดยทั่วไป ภายใต้สภาวะการให้ความร้อนด้วยเตาเจ็ตที่มีแผ่นป้องกันความร้อน แหล่งกำเนิดลำแสงจะก่อตัวเป็นลำแสงอะตอมหรือลำแสงโมเลกุล และฟิล์มจะเติบโตทีละชั้นตามทิศทางแกนคริสตัลของวัสดุซับสเตรต
ลักษณะของมันคืออุณหภูมิการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวต่ำ และสามารถควบคุมความหนา ส่วนต่อประสาน องค์ประกอบทางเคมี และความเข้มข้นของสารเจือปนได้อย่างแม่นยำในระดับอะตอม แม้ว่า MBE จะมีต้นกำเนิดมาจากการเตรียมฟิล์มผลึกเดี่ยวบางพิเศษของเซมิคอนดักเตอร์ แต่ปัจจุบันการใช้งานได้ขยายไปสู่ระบบวัสดุที่หลากหลาย เช่น โลหะและฉนวนไดอิเล็กทริก และสามารถเตรียม III-V, II-VI, ซิลิคอน, ซิลิคอนเจอร์เมเนียม (SiGe ), กราฟีน, ออกไซด์ และฟิล์มอินทรีย์
ระบบ epitaxy ลำแสงโมเลกุล (MBE) ส่วนใหญ่ประกอบด้วยระบบสุญญากาศสูงพิเศษ แหล่งกำเนิดลำแสงโมเลกุล ระบบตรึงและทำความร้อนของสารตั้งต้น ระบบถ่ายโอนตัวอย่าง ระบบตรวจสอบในแหล่งกำเนิด ระบบควบคุม และการทดสอบ ระบบ.
ระบบสุญญากาศประกอบด้วยปั๊มสุญญากาศ (ปั๊มเชิงกล ปั๊มโมเลกุล ปั๊มไอออน และปั๊มควบแน่น ฯลฯ) และวาล์วต่างๆ ซึ่งสามารถสร้างสภาพแวดล้อมที่มีการเติบโตของสุญญากาศสูงเป็นพิเศษ ระดับสุญญากาศที่ทำได้โดยทั่วไปคือ 10-8 ถึง 10-11 Torr ระบบสูญญากาศส่วนใหญ่มีห้องทำงานสุญญากาศสามห้อง ได้แก่ ห้องฉีดตัวอย่าง ห้องวิเคราะห์การปรับสภาพและพื้นผิว และห้องเจริญเติบโต
ห้องฉีดตัวอย่างใช้เพื่อถ่ายโอนตัวอย่างไปยังโลกภายนอกเพื่อให้แน่ใจว่าห้องอื่นมีสภาวะสุญญากาศสูง ห้องปรับสภาพและวิเคราะห์พื้นผิวเชื่อมต่อห้องฉีดตัวอย่างและห้องเจริญเติบโต และหน้าที่หลักของมันคือการประมวลผลตัวอย่างล่วงหน้า (การไล่ก๊าซที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวของสารตั้งต้นสะอาดสมบูรณ์) และดำเนินการวิเคราะห์พื้นผิวเบื้องต้นบน ตัวอย่างที่ทำความสะอาด; ห้องการเจริญเติบโตเป็นส่วนหลักของระบบ MBE ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยเตาต้นทางและชุดชัตเตอร์ที่เกี่ยวข้อง คอนโซลควบคุมตัวอย่าง ระบบทำความเย็น การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานสูงแบบสะท้อน (RHEED) และระบบตรวจสอบในแหล่งกำเนิด . อุปกรณ์ MBE การผลิตบางอย่างมีการกำหนดค่าห้องเติบโตหลายแบบ แผนผังของโครงสร้างอุปกรณ์ MBE แสดงอยู่ด้านล่าง:
วัสดุซิลิกอน MBE ใช้ซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบ เติบโตภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงพิเศษ (10-10~10-11Torr) และอุณหภูมิการเจริญเติบโตอยู่ที่ 600~900°C โดยมี Ga (ชนิด P) และ Sb ( ชนิด N) เป็นแหล่งยาสลบ แหล่งกำเนิดสารกระตุ้นที่ใช้กันทั่วไป เช่น P, As และ B ไม่ค่อยถูกใช้เป็นแหล่งลำแสงเนื่องจากระเหยยาก
ห้องปฏิกิริยาของ MBE มีสภาพแวดล้อมสุญญากาศสูงเป็นพิเศษ ซึ่งเพิ่มเส้นทางที่ปราศจากค่าเฉลี่ยของโมเลกุล และลดการปนเปื้อนและออกซิเดชันบนพื้นผิวของวัสดุที่กำลังเติบโต วัสดุอีพิแทกเซียลที่เตรียมไว้มีสัณฐานวิทยาของพื้นผิวที่ดีและมีความสม่ำเสมอ และสามารถทำเป็นโครงสร้างหลายชั้นโดยใช้สารต้องห้ามหรือส่วนประกอบของวัสดุที่แตกต่างกัน
เทคโนโลยี MBE ช่วยให้เกิดการเติบโตซ้ำๆ ของชั้น epitaxis ที่บางเฉียบด้วยความหนาของชั้นอะตอมเพียงชั้นเดียว และส่วนต่อประสานระหว่างชั้น epitaxis นั้นสูงชัน ส่งเสริมการเติบโตของเซมิคอนดักเตอร์ III-V และวัสดุที่ต่างกันหลายส่วนประกอบอื่นๆ ปัจจุบันระบบ MBE ได้กลายเป็นอุปกรณ์กระบวนการขั้นสูงสำหรับการผลิตอุปกรณ์ไมโครเวฟและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ ข้อเสียของเทคโนโลยี MBE คืออัตราการเติบโตของฟิล์มที่ช้า ความต้องการสุญญากาศที่สูง และต้นทุนการใช้อุปกรณ์และอุปกรณ์ที่สูง
3.11 ระบบ Epitaxy เฟสไอ
ระบบ epitaxy เฟสไอ (VPE) หมายถึงอุปกรณ์การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวที่ขนส่งสารประกอบก๊าซไปยังสารตั้งต้น และได้รับชั้นวัสดุผลึกเดี่ยวที่มีการจัดเรียงโครงตาข่ายเดียวกันกับสารตั้งต้นผ่านปฏิกิริยาทางเคมี ชั้นอีพิแทกเซียลสามารถเป็นชั้นโฮโมอีพิแทกเซียล (Si/Si) หรือชั้นเฮเทอโรอีพิแทกเซียล (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3 เป็นต้น) ปัจจุบัน เทคโนโลยี VPE มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการเตรียมวัสดุนาโน อุปกรณ์ไฟฟ้า อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบเซมิคอนดักเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ และวงจรรวม
VPE ทั่วไปประกอบด้วยส่วนกำบังความดันบรรยากาศและส่วนกำบังแรงดันลดลง การสะสมไอสารเคมีสุญญากาศสูงพิเศษ การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ ฯลฯ ประเด็นสำคัญในเทคโนโลยี VPE คือการออกแบบห้องปฏิกิริยา โหมดการไหลของก๊าซและความสม่ำเสมอ ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ และการควบคุมความแม่นยำ การควบคุมแรงดันและเสถียรภาพ การควบคุมอนุภาคและข้อบกพร่อง ฯลฯ
ปัจจุบัน ทิศทางการพัฒนาของระบบ VPE เชิงพาณิชย์กระแสหลักคือการโหลดเวเฟอร์ขนาดใหญ่ การควบคุมอัตโนมัติเต็มรูปแบบ และการตรวจสอบอุณหภูมิและกระบวนการเติบโตแบบเรียลไทม์ ระบบ VPE มีโครงสร้างสามแบบ: แนวตั้ง แนวนอน และทรงกระบอก วิธีการทำความร้อน ได้แก่ การทำความร้อนด้วยความต้านทาน การทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง และการทำความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด
ในปัจจุบัน ระบบ VPE ส่วนใหญ่ใช้โครงสร้างดิสก์แนวนอน ซึ่งมีลักษณะของการเจริญเติบโตของฟิล์ม epitaxis ที่ดีและการโหลดเวเฟอร์ขนาดใหญ่ โดยทั่วไประบบ VPE ประกอบด้วยสี่ส่วน: เครื่องปฏิกรณ์ ระบบทำความร้อน ระบบทางเดินก๊าซ และระบบควบคุม เนื่องจากระยะเวลาการเจริญเติบโตของฟิล์ม epitaxis ของ GaAs และ GaN นั้นค่อนข้างยาว จึงมักใช้การให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำและการให้ความร้อนแบบต้านทาน ในซิลิคอน VPE การเติบโตของฟิล์ม epitaxis ที่หนาส่วนใหญ่ใช้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ การเจริญเติบโตของฟิล์ม epitaxis แบบบางส่วนใหญ่ใช้ความร้อนอินฟราเรดเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเพิ่ม/ลดอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
3.12 ระบบ Epitaxy เฟสของเหลว
ระบบ Liquid Phase Epitaxy (LPE) หมายถึงอุปกรณ์การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวซึ่งจะละลายวัสดุที่จะปลูก (เช่น Si, Ga, As, Al ฯลฯ) และสารเจือปน (เช่น Zn, Te, Sn ฯลฯ) ใน โลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า (เช่น Ga, In เป็นต้น) เพื่อให้ตัวถูกละลายอิ่มตัวหรืออิ่มตัวมากเกินไปในตัวทำละลาย จากนั้นให้สัมผัสกับสารตั้งต้นผลึกเดี่ยวกับสารละลาย และตัวถูกละลายจะตกตะกอน จากตัวทำละลายโดยค่อยๆ เย็นลง และชั้นของวัสดุคริสตัลที่มีโครงสร้างผลึกและค่าคงตัวของโครงตาข่ายคล้ายกับชั้นของสารตั้งต้นจะเติบโตขึ้นบนพื้นผิวของสารตั้งต้น
เนลสัน และคณะ เสนอวิธี LPE ในปีพ.ศ. 2506 นำไปใช้ปลูกฟิล์มบางศรีและวัสดุผลึกเดี่ยว ตลอดจนวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น หมู่ III-IV และแคดเมียมเทลลูไรด์ปรอท และสามารถนำมาใช้สร้างอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ไมโครเวฟ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และเซลล์แสงอาทิตย์ต่างๆ .
-
เซมิเซร่าสามารถให้ได้ชิ้นส่วนกราไฟท์, รู้สึกนุ่ม/แข็ง, ชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์, ชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์ CVD, และชิ้นส่วนเคลือบ SiC/TaCภายใน 30 วัน
หากคุณสนใจผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ข้างต้นโปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเราในครั้งแรก
โทร: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
เวลาโพสต์: 31 ส.ค.-2024