1. مقدمة
تسمى عملية ربط المواد (المواد الخام) بسطح المواد الأساسية بطرق فيزيائية أو كيميائية بنمو الأغشية الرقيقة.
وفقًا لمبادئ العمل المختلفة، يمكن تقسيم ترسيب الأغشية الرقيقة بالدائرة المتكاملة إلى:
- ترسيب البخار الفيزيائي (PVD)؛
-ترسيب البخار الكيميائي (CVD)؛
-امتداد.
2. عملية نمو الأغشية الرقيقة
2.1 ترسيب البخار الفيزيائي وعملية الاخرق
تشير عملية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) إلى استخدام الطرق الفيزيائية مثل التبخر الفراغي، والرش، وطلاء البلازما، وتنضيد الشعاع الجزيئي لتشكيل طبقة رقيقة على سطح الرقاقة.
في صناعة VLSI، تقنية PVD الأكثر استخدامًا هي الرش، والتي تستخدم بشكل أساسي للأقطاب الكهربائية والوصلات المعدنية للدوائر المتكاملة. الاخرق هو عملية يتم فيها تأين الغازات النادرة [مثل الأرجون (Ar)] إلى أيونات (مثل Ar+) تحت تأثير مجال كهربائي خارجي تحت ظروف فراغ عالية، وقصف مصدر المادة المستهدف تحت بيئة الجهد العالي، إخراج ذرات أو جزيئات المادة المستهدفة، ثم الوصول إلى سطح الرقاقة لتكوين طبقة رقيقة بعد عملية طيران خالية من الاصطدام. يتمتع Ar بخصائص كيميائية مستقرة، ولن تتفاعل أيوناته كيميائيًا مع المادة المستهدفة والفيلم. مع دخول رقائق الدوائر المتكاملة إلى عصر التوصيل البيني النحاسي 0.13 ميكرومتر، تستخدم طبقة المادة العازلة النحاسية فيلم نيتريد التيتانيوم (TiN) أو فيلم نيتريد التنتالوم (TaN). لقد شجع الطلب على التكنولوجيا الصناعية البحث والتطوير في تكنولوجيا الرش بالتفاعل الكيميائي، أي أنه في غرفة الرش، بالإضافة إلى Ar، يوجد أيضًا غاز النيتروجين التفاعلي (N2)، بحيث يتم قصف Ti أو Ta من تتفاعل المادة المستهدفة Ti أو Ta مع N2 لتوليد فيلم TiN أو TaN المطلوب.
هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام للرش، وهي الرش بالتيار المستمر، والرش بالترددات اللاسلكية، والرش بالمغنطرون. مع استمرار زيادة تكامل الدوائر المتكاملة، يتزايد عدد طبقات الأسلاك المعدنية متعددة الطبقات، ويصبح تطبيق تقنية PVD أكثر شمولاً. تشمل مواد PVD Al-Si، Al-Cu، Al-Si-Cu، Ti، Ta، Co، TiN، TaN، Ni، WSi2، إلخ.
عادةً ما يتم الانتهاء من عمليات PVD والرش في غرفة تفاعل محكمة الغلق بدرجة فراغ تتراوح من 1×10-7 إلى 9×10-9 تور، والتي يمكن أن تضمن نقاء الغاز أثناء التفاعل؛ وفي الوقت نفسه، يلزم وجود جهد كهربائي عالي خارجي لتأين الغاز النادر لتوليد جهد كهربائي عالي بما يكفي لقصف الهدف. تشمل المعلمات الرئيسية لتقييم عمليات PVD والأخرق كمية الغبار، بالإضافة إلى قيمة المقاومة والتوحيد وسمك الانعكاس والإجهاد للفيلم المشكل.
2.2 ترسيب البخار الكيميائي وعملية الاخرق
يشير ترسيب البخار الكيميائي (CVD) إلى تقنية معالجة تتفاعل فيها مجموعة متنوعة من المواد المتفاعلة الغازية ذات ضغوط جزئية مختلفة كيميائيًا عند درجة حرارة وضغط معينين، ويتم ترسيب المواد الصلبة المتولدة على سطح مادة الركيزة للحصول على النحافة المطلوبة فيلم. في عملية تصنيع الدوائر المتكاملة التقليدية، تكون مواد الأغشية الرقيقة التي يتم الحصول عليها بشكل عام عبارة عن مركبات مثل الأكاسيد أو النتريدات أو الكربيدات أو مواد مثل السيليكون متعدد البلورات والسيليكون غير المتبلور. النمو الفوقي الانتقائي، والذي يستخدم بشكل أكثر شيوعًا بعد العقدة 45 نانومتر، مثل المصدر والصرف SiGe أو النمو الفوقي الانتقائي Si، هو أيضًا تقنية CVD.
يمكن أن تستمر هذه التقنية في تكوين مواد بلورية مفردة من نفس النوع أو ما يشبه الشبكة الأصلية على ركيزة بلورية واحدة من السيليكون أو مواد أخرى على طول الشبكة الأصلية. يستخدم CVD على نطاق واسع في نمو الأفلام العازلة العازلة (مثل SiO2 وSi3N4 وSiON، وما إلى ذلك) والأغشية المعدنية (مثل التنغستن، وما إلى ذلك).
بشكل عام، وفقًا لتصنيف الضغط، يمكن تقسيم الأمراض القلبية الوعائية إلى ترسيب البخار الكيميائي تحت الضغط الجوي (APCVD)، وترسيب البخار الكيميائي تحت الضغط الجوي (SAPCVD) وترسيب البخار الكيميائي منخفض الضغط (LPCVD).
وفقًا لتصنيف درجة الحرارة، يمكن تقسيم الأمراض القلبية الوعائية إلى ترسيب البخار الكيميائي بغشاء أكسيد ذو درجة حرارة عالية/درجة حرارة منخفضة (HTO/LTO CVD) وترسيب البخار الكيميائي الحراري السريع (Rapid Thermal CVD، RTCVD)؛
وفقًا لمصدر التفاعل، يمكن تقسيم الأمراض القلبية الوعائية إلى أمراض القلب والأوعية الدموية القائمة على السيلان، والأمراض القلبية الوعائية القائمة على البوليستر (الأمراض القلبية الوعائية المستندة إلى TEOS) وترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD)؛
وفقًا لتصنيف الطاقة، يمكن تقسيم الأمراض القلبية الوعائية إلى ترسيب البخار الكيميائي الحراري (Thermal CVD)، وترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (Plasma Enhanced CVD، PECVD) وترسيب البخار الكيميائي للبلازما عالي الكثافة (High Density Plasma CVD، HDPCVD). في الآونة الأخيرة، تم أيضًا تطوير ترسيب البخار الكيميائي القابل للتدفق (CVD، FCVD) مع قدرة ممتازة على ملء الفجوات.
تتميز الأغشية المختلفة التي يتم إنتاجها بتقنية CVD بخصائص مختلفة (مثل التركيب الكيميائي، وثابت العزل الكهربائي، والتوتر، والإجهاد، وجهد الانهيار) ويمكن استخدامها بشكل منفصل وفقًا لمتطلبات العملية المختلفة (مثل درجة الحرارة، وتغطية الخطوة، ومتطلبات التعبئة، وما إلى ذلك).
2.3 عملية ترسيب الطبقة الذرية
يشير ترسيب الطبقة الذرية (ALD) إلى ترسيب الذرات طبقة بعد طبقة على مادة ركيزة عن طريق تنمية طبقة ذرية واحدة طبقة بعد طبقة. يعتمد ALD النموذجي طريقة إدخال السلائف الغازية في المفاعل بطريقة نبضية متناوبة.
على سبيل المثال، أولاً، يتم إدخال سلائف التفاعل 1 إلى سطح الركيزة، وبعد الامتزاز الكيميائي، يتم تشكيل طبقة ذرية واحدة على سطح الركيزة؛ ثم يتم ضخ السلائف 1 المتبقية على سطح الركيزة وفي غرفة التفاعل بواسطة مضخة هواء؛ ثم يتم إدخال سلائف التفاعل 2 إلى سطح الركيزة، ويتفاعل كيميائيًا مع السلائف 1 الممتصة على سطح الركيزة لتوليد مادة الأغشية الرقيقة المقابلة والمنتجات الثانوية المقابلة على سطح الركيزة؛ عندما يتفاعل السلائف 1 بشكل كامل، سينتهي التفاعل تلقائيًا، وهي خاصية التحديد الذاتي لـ ALD، ومن ثم يتم استخراج المواد المتفاعلة والمنتجات الثانوية المتبقية للتحضير للمرحلة التالية من النمو؛ من خلال تكرار العملية المذكورة أعلاه بشكل مستمر، يمكن تحقيق ترسيب مواد الأغشية الرقيقة المزروعة طبقة بعد طبقة باستخدام ذرات مفردة.
يعد كل من ALD وCVD طريقتين لإدخال مصدر تفاعل كيميائي غازي للتفاعل كيميائيًا على سطح الركيزة، لكن الفرق هو أن مصدر التفاعل الغازي لـ CVD لا يتمتع بخاصية النمو الذاتي التحديد. يمكن ملاحظة أن مفتاح تطوير تقنية ALD هو العثور على سلائف ذات خصائص تفاعل ذاتية التحديد.
2.4 العملية الفوقي
تشير العملية الفوقي إلى عملية نمو طبقة بلورية مفردة مرتبة بالكامل على الركيزة. بشكل عام، تتمثل العملية الفوقي في تكوين طبقة بلورية بنفس اتجاه الشبكة مثل الركيزة الأصلية على ركيزة بلورية واحدة. تُستخدم العملية الفوقي على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات، مثل رقائق السيليكون الفوقي في صناعة الدوائر المتكاملة، والمصدر المضمن والنمو الفوقي لترانزستورات MOS، والنمو الفوقي على ركائز LED، وما إلى ذلك.
وفقًا لحالات الطور المختلفة لمصدر النمو، يمكن تقسيم طرق النمو الفوقي إلى نضوج الطور الصلب، ونضوع الطور السائل، ونضوع الطور البخاري. في تصنيع الدوائر المتكاملة، الطرق الفوقي شائعة الاستخدام هي الفوقي في الطور الصلب والطور الفوقي في الطور البخاري.
تنضيد الطور الصلب: يشير إلى نمو طبقة بلورية واحدة على الركيزة باستخدام مصدر صلب. على سبيل المثال، التلدين الحراري بعد زرع الأيونات هو في الواقع عملية تنضيد في الطور الصلب. أثناء زرع الأيونات، يتم قصف ذرات السيليكون في رقاقة السيليكون بواسطة أيونات مزروعة عالية الطاقة، تاركة مواقعها الشبكية الأصلية وتصبح غير متبلورة، وتشكل طبقة سيليكون سطحية غير متبلورة. بعد التلدين الحراري بدرجة حرارة عالية، تعود الذرات غير المتبلورة إلى مواقعها الشبكية وتبقى متسقة مع اتجاه البلورة الذرية داخل الركيزة.
تشتمل طرق نمو طور البخار الكيميائي على طور البخار الكيميائي، وفوق الشعاع الجزيئي، وفوق الطبقة الذرية، وما إلى ذلك. في تصنيع الدوائر المتكاملة، يكون طور البخار الكيميائي هو الأكثر استخدامًا. مبدأ تنضيد طور البخار الكيميائي هو في الأساس نفس مبدأ ترسيب البخار الكيميائي. كلتا العمليتين تعملان على ترسيب أغشية رقيقة عن طريق التفاعل الكيميائي على سطح الرقائق بعد خلط الغاز.
الفرق هو أنه نظرًا لأن تنضيد طور البخار الكيميائي ينمو بطبقة بلورية واحدة، فإنه يتطلب متطلبات أعلى لمحتوى الشوائب في المعدات ونظافة سطح الرقاقة. يجب تنفيذ عملية السيليكون الفوقي لمرحلة البخار الكيميائي المبكرة في ظل ظروف درجة حرارة عالية (أكبر من 1000 درجة مئوية). مع تحسين معدات العملية، وخاصة اعتماد تكنولوجيا غرفة التبادل الفراغي، تم تحسين نظافة تجويف المعدات وسطح رقاقة السيليكون بشكل كبير، ويمكن إجراء تنقيح السيليكون عند درجة حرارة أقل (600-700 درجة مئوية) ج). تتمثل عملية رقاقة السيليكون الفوقي في تنمية طبقة من السيليكون البلوري الأحادي على سطح رقاقة السيليكون.
بالمقارنة مع ركيزة السيليكون الأصلية، تتمتع طبقة السيليكون الفوقي بنقاء أعلى وعيوب شبكية أقل، وبالتالي تحسين إنتاجية تصنيع أشباه الموصلات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصميم سماكة النمو وتركيز المنشطات لطبقة السيليكون الفوقي المزروعة على رقاقة السيليكون بشكل مرن، مما يجلب المرونة لتصميم الجهاز، مثل تقليل مقاومة الركيزة وتعزيز عزل الركيزة. تعد العملية الفوقي لاستنزاف المصدر المضمنة تقنية مستخدمة على نطاق واسع في عقد تكنولوجيا المنطق المتقدمة.
يشير إلى عملية نمو سيليكون الجرمانيوم المخدر أو السيليكون في مناطق المصدر والصرف لترانزستورات MOS. تشمل المزايا الرئيسية لإدخال العملية الفوقي لاستنزاف المصدر المضمن ما يلي: زراعة طبقة بلورية كاذبة تحتوي على إجهاد بسبب تكيف الشبكة، وتحسين حركة حامل القناة؛ يمكن أن يؤدي تعاطي المنشطات في الموقع للمصدر والصرف إلى تقليل المقاومة الطفيلية لوصلة استنزاف المصدر وتقليل عيوب زرع الأيونات عالية الطاقة.
3. معدات نمو الأغشية الرقيقة
3.1 معدات التبخير الفراغي
التبخر الفراغي عبارة عن طريقة طلاء تعمل على تسخين المواد الصلبة في حجرة مفرغة لتتسبب في تبخرها أو تبخيرها أو تساميها، ثم تتكثف وتترسب على سطح مادة الركيزة عند درجة حرارة معينة.
عادة ما يتكون من ثلاثة أجزاء، وهي نظام الفراغ ونظام التبخر ونظام التدفئة. يتكون نظام التفريغ من أنابيب تفريغ ومضخات تفريغ، وتتمثل وظيفتها الرئيسية في توفير بيئة تفريغ مؤهلة للتبخر. يتكون نظام التبخر من جدول التبخر ومكون التسخين ومكون قياس درجة الحرارة.
يتم وضع المادة المستهدفة المراد تبخيرها (مثل Ag، Al، إلخ) على طاولة التبخير؛ مكون قياس التسخين ودرجة الحرارة عبارة عن نظام حلقة مغلقة يستخدم للتحكم في درجة حرارة التبخر لضمان التبخر السلس. يتكون نظام التسخين من مرحلة الويفر ومكون التسخين. يتم استخدام مرحلة الرقاقة لوضع الركيزة التي يجب أن يتم تبخير الطبقة الرقيقة عليها، ويتم استخدام مكون التسخين لتحقيق تسخين الركيزة والتحكم في ردود الفعل لقياس درجة الحرارة.
تعد بيئة الفراغ شرطًا مهمًا جدًا في عملية التبخر الفراغي، والتي ترتبط بمعدل التبخر وجودة الفيلم. إذا كانت درجة الفراغ لا تلبي المتطلبات، فإن الذرات أو الجزيئات المتبخرة سوف تصطدم بشكل متكرر مع جزيئات الغاز المتبقية، مما يجعل متوسط مسارها الحر أصغر، وسوف تتناثر الذرات أو الجزيئات بشدة، وبالتالي يتغير اتجاه الحركة ويقلل الفيلم معدل التكوين.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لوجود جزيئات غاز شوائب متبقية، فإن الفيلم المترسب يكون ملوثًا بشكل خطير وذات نوعية رديئة، خاصة عندما لا يفي معدل ارتفاع الضغط في الغرفة بالمعايير ويكون هناك تسرب، وسوف يتسرب الهواء إلى غرفة التفريغ مما سيكون له تأثير خطير على جودة الفيلم.
تحدد الخصائص الهيكلية لمعدات التبخير الفراغي أن تجانس الطلاء على ركائز كبيرة الحجم ضعيف. من أجل تحسين توحيدها، يتم اعتماد طريقة زيادة المسافة بين المصدر والركيزة وتدوير الركيزة بشكل عام، ولكن زيادة مسافة المصدر والركيزة سوف تضحي بمعدل النمو ونقاء الفيلم. وفي الوقت نفسه، بسبب الزيادة في مساحة الفراغ، يتم تقليل معدل استخدام المواد المتبخرة.
3.2 معدات ترسيب البخار الفيزيائي بالتيار المستمر
يُعرف أيضًا ترسيب البخار الفيزيائي الحالي المباشر (DCPVD) باسم رش الكاثود أو رش الفراغ على مرحلتين DC. يتم استخدام المادة المستهدفة للفراغ DC الاخرق كالكاثود ويتم استخدام الركيزة كالأنود. يهدف الرش الفراغي إلى تكوين بلازما عن طريق تأين غاز العملية.
يتم تسريع الجسيمات المشحونة في البلازما في المجال الكهربائي للحصول على كمية معينة من الطاقة. تقصف الجسيمات ذات الطاقة الكافية سطح المادة المستهدفة، بحيث تتناثر ذرات الهدف؛ تتحرك الذرات المتناثرة ذات طاقة حركية معينة نحو الركيزة لتشكل طبقة رقيقة على سطح الركيزة. الغاز المستخدم في الرش هو بشكل عام غاز نادر، مثل الأرجون (Ar)، وبالتالي فإن الفيلم الذي يتكون من الرش لن يكون ملوثًا؛ بالإضافة إلى ذلك، نصف القطر الذري للأرجون أكثر ملاءمة للاخرق.
يجب أن يكون حجم الجسيمات المتطايرة قريبًا من حجم الذرات المستهدفة المراد رشها. إذا كانت الجزيئات كبيرة جدًا أو صغيرة جدًا، فلا يمكن تشكيل الرش الفعال. بالإضافة إلى عامل حجم الذرة، فإن عامل كتلة الذرة سوف يؤثر أيضا على نوعية الاخرق. إذا كان مصدر الجسيمات الاخرق خفيف جدا، فلن تتناثر الذرات المستهدفة؛ إذا كانت جزيئات الاخرق ثقيلة جدًا، فسيتم "ثني" الهدف ولن يتم تناثر الهدف.
يجب أن تكون المادة المستهدفة المستخدمة في DCPVD موصلاً. وذلك لأنه عندما تقصف أيونات الأرجون الموجودة في غاز العملية المادة المستهدفة، فسوف تتحد مرة أخرى مع الإلكترونات الموجودة على سطح المادة المستهدفة. عندما تكون المادة المستهدفة موصلة مثل المعدن، فإن الإلكترونات التي تستهلكها عملية إعادة التركيب هذه يتم تجديدها بسهولة أكبر عن طريق مصدر الطاقة والإلكترونات الحرة في أجزاء أخرى من المادة المستهدفة من خلال التوصيل الكهربائي، بحيث يصبح سطح المادة المستهدفة بمثابة يظل الكل مشحونًا بشكل سلبي ويتم الحفاظ على الاخرق.
على العكس من ذلك، إذا كانت المادة المستهدفة عازلًا، فبعد إعادة اتحاد الإلكترونات الموجودة على سطح المادة المستهدفة، لا يمكن تجديد الإلكترونات الحرة الموجودة في أجزاء أخرى من المادة المستهدفة عن طريق التوصيل الكهربائي، وحتى الشحنات الموجبة سوف تتراكم على المادة المستهدفة. سطح المادة المستهدفة، مما يؤدي إلى ارتفاع إمكانات المادة المستهدفة، وتضعف الشحنة السالبة للمادة المستهدفة حتى تختفي، مما يؤدي في النهاية إلى إنهاء الاخرق.
لذلك، من أجل جعل المواد العازلة قابلة للاستخدام أيضًا في الرش، من الضروري إيجاد طريقة أخرى للرش. يعد رش الترددات الراديوية طريقة رش مناسبة لكل من الأهداف الموصلة وغير الموصلة.
عيب آخر لـ DCPVD هو أن جهد الإشعال مرتفع وأن القصف الإلكتروني على الركيزة قوي. إحدى الطرق الفعالة لحل هذه المشكلة هي استخدام رش المغنطرون، لذا فإن رش المغنطرون له قيمة عملية حقًا في مجال الدوائر المتكاملة.
3.3 معدات ترسيب البخار الفيزيائي للترددات اللاسلكية
يستخدم ترسيب البخار الفيزيائي للترددات الراديوية (RFPVD) طاقة الترددات الراديوية كمصدر للإثارة وهي طريقة PVD مناسبة لمجموعة متنوعة من المواد المعدنية وغير المعدنية.
الترددات الشائعة لمصدر طاقة التردد اللاسلكي المستخدم في RFPVD هي 13.56 ميجا هرتز، 20 ميجا هرتز، و60 ميجا هرتز. تظهر الدورات الإيجابية والسلبية لمصدر طاقة التردد اللاسلكي بالتناوب. عندما يكون هدف PVD في نصف الدورة الموجبة، لأن السطح المستهدف يكون عند جهد موجب، فإن الإلكترونات الموجودة في جو العملية سوف تتدفق إلى السطح المستهدف لتحييد الشحنة الموجبة المتراكمة على سطحه، وحتى الاستمرار في تجميع الإلكترونات، مما يجعل سطحه متحيزاً سلباً؛ عندما يكون هدف الرش في نصف الدورة السالبة، ستتحرك الأيونات الموجبة نحو الهدف ويتم تحييدها جزئيًا على سطح الهدف.
الأمر الأكثر أهمية هو أن سرعة حركة الإلكترونات في المجال الكهربائي للترددات الراديوية أسرع بكثير من سرعة حركة الأيونات الموجبة، في حين أن زمن نصف الدورات الموجبة والسالبة هو نفسه، لذلك بعد دورة كاملة، سيكون السطح المستهدف "صافي" مشحونة سلبا. لذلك، في الدورات القليلة الأولى، تظهر الشحنة السالبة للسطح المستهدف اتجاهًا متزايدًا؛ وبعد ذلك، يصل السطح المستهدف إلى إمكانات سلبية مستقرة؛ بعد ذلك، نظرًا لأن الشحنة السالبة للهدف لها تأثير تنافر على الإلكترونات، فإن كمية الشحنات الموجبة والسالبة التي يتلقاها القطب الكهربائي المستهدف تميل إلى التوازن، ويقدم الهدف شحنة سالبة مستقرة.
من العملية المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن عملية تكوين الجهد السلبي لا علاقة لها بخصائص المادة المستهدفة نفسها، وبالتالي فإن طريقة RFPVD لا يمكنها حل مشكلة تناثر الأهداف العازلة فحسب، ولكنها أيضًا متوافقة جيدًا مع أهداف الموصلات المعدنية التقليدية.
3.4 معدات الرش المغنطروني
الرش المغنطروني عبارة عن طريقة PVD تضيف مغناطيسًا إلى الجزء الخلفي من الهدف. تشكل المغناطيسات المضافة ونظام مصدر طاقة التيار المستمر (أو مصدر طاقة التيار المتردد) مصدرًا للرذاذ المغنطروني. يتم استخدام مصدر الاخرق لتشكيل مجال كهرومغناطيسي تفاعلي في الحجرة، والتقاط والحد من نطاق حركة الإلكترونات في البلازما داخل الحجرة، وتوسيع مسار حركة الإلكترونات، وبالتالي زيادة تركيز البلازما، وتحقيق المزيد في نهاية المطاف ترسب.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لارتباط المزيد من الإلكترونات بالقرب من سطح الهدف، يقل قصف الركيزة بالإلكترونات، كما تنخفض درجة حرارة الركيزة. بالمقارنة مع تقنية DCPVD ذات اللوحة المسطحة، فإن إحدى الميزات الأكثر وضوحًا لتقنية ترسيب البخار الفيزيائي المغنطرون هي أن جهد تفريغ الإشعال أقل وأكثر استقرارًا.
نظرًا لتركيز البلازما العالي وإنتاجية الرش الأكبر، يمكنها تحقيق كفاءة ترسيب ممتازة، والتحكم في سمك الترسيب في نطاق كبير الحجم، والتحكم الدقيق في التركيب وجهد الإشعال المنخفض. ولذلك، فإن الاخرق المغنطروني هو في وضع مهيمن في الفيلم المعدني الحالي PVD. إن أبسط تصميم لمصدر الرش المغنطروني هو وضع مجموعة من المغناطيسات على الجزء الخلفي من الهدف المسطح (خارج نظام الفراغ) لتوليد مجال مغناطيسي موازٍ للسطح المستهدف في منطقة محلية على السطح المستهدف.
إذا تم وضع مغناطيس دائم، يكون مجاله المغناطيسي ثابتًا نسبيًا، مما يؤدي إلى توزيع ثابت نسبيًا للمجال المغناطيسي على السطح المستهدف في الغرفة. يتم تناثر المواد الموجودة في مناطق محددة من الهدف فقط، ويكون معدل الاستخدام المستهدف منخفضًا، ويكون تجانس الفيلم المُجهز ضعيفًا.
هناك احتمال معين بأن يترسب المعدن المتناثر أو جزيئات المواد الأخرى مرة أخرى على السطح المستهدف، وبالتالي يتجمع في جزيئات ويشكل تلوثًا عيبًا. لذلك، تستخدم مصادر رش المغنطرون التجارية في الغالب تصميمًا مغناطيسيًا دوارًا لتحسين تجانس الفيلم، ومعدل استخدام الهدف، والرش المستهدف الكامل.
ومن الأهمية بمكان تحقيق التوازن بين هذه العوامل الثلاثة. إذا لم يتم التعامل مع التوازن بشكل جيد، فقد يؤدي ذلك إلى توحيد جيد للفيلم مع تقليل معدل استخدام الهدف بشكل كبير (تقصير عمر الهدف)، أو الفشل في تحقيق رش الهدف بالكامل أو تآكل الهدف بالكامل، مما قد يسبب مشاكل في الجسيمات أثناء الرش عملية.
في تقنية Magnetron PVD، من الضروري مراعاة آلية حركة المغناطيس الدوار، وشكل الهدف، ونظام تبريد الهدف ومصدر رش المغنطرون، بالإضافة إلى التكوين الوظيفي للقاعدة التي تحمل الرقاقة، مثل امتزاز الرقاقة والتحكم في درجة الحرارة. في عملية PVD، يتم التحكم في درجة حرارة الرقاقة للحصول على البنية البلورية المطلوبة وحجم الحبوب واتجاهها، فضلاً عن استقرار الأداء.
نظرًا لأن التوصيل الحراري بين الجزء الخلفي من الرقاقة وسطح القاعدة يتطلب ضغطًا معينًا، عادةً في ترتيب عدة Torr، ويكون ضغط العمل للغرفة عادةً في ترتيب عدة mTorr، فإن الضغط على الظهر يكون الضغط على الرقاقة أكبر بكثير من الضغط على السطح العلوي للرقاقة، لذلك هناك حاجة إلى ظرف ميكانيكي أو ظرف إلكتروستاتيكي لتحديد موضع الرقاقة والحد منها.
يعتمد ظرف الظرف الميكانيكي على وزنه وحافة الرقاقة لتحقيق هذه الوظيفة. على الرغم من أنها تتمتع بمزايا البنية البسيطة وعدم الحساسية لمواد الرقاقة، إلا أن تأثير حافة الرقاقة واضح، وهو ما لا يفضي إلى التحكم الصارم في الجزيئات. ولذلك، فقد تم استبداله تدريجياً بظرف إلكتروستاتيكي في عملية تصنيع IC.
بالنسبة للعمليات التي ليست حساسة بشكل خاص لدرجة الحرارة، يمكن أيضًا استخدام طريقة رفوف غير ممتصة وغير متصلة بالحافة (لا يوجد فرق في الضغط بين الأسطح العلوية والسفلية للرقاقة). أثناء عملية PVD، سيتم ترسيب وتغطية بطانة الحجرة وسطح الأجزاء الملامسة للبلازما. عندما يتجاوز سمك الفيلم المودع الحد، فإن الفيلم سوف يتشقق ويتقشر، مما يسبب مشاكل في الجسيمات.
ولذلك، فإن المعالجة السطحية لأجزاء مثل البطانة هي المفتاح لتوسيع هذا الحد. السفع الرملي السطحي ورش الألومنيوم هما طريقتان شائعتان الاستخدام، والغرض منهما هو زيادة خشونة السطح لتعزيز الترابط بين الفيلم وسطح البطانة.
3.5 معدات ترسيب البخار الفيزيائي للتأين
مع التطور المستمر لتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة، أصبحت أحجام الميزات أصغر فأصغر. نظرًا لأن تقنية PVD لا يمكنها التحكم في اتجاه ترسيب الجسيمات، فإن قدرة PVD على الدخول عبر الثقوب والقنوات الضيقة ذات نسب العرض إلى الارتفاع العالية تكون محدودة، مما يجعل التطبيق الموسع لتقنية PVD التقليدية يواجه تحديات متزايدة. في عملية PVD، مع زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع لأخدود المسام، تنخفض التغطية في الأسفل، وتشكل بنية متدلية تشبه الأفاريز في الزاوية العلوية، وتشكل أضعف تغطية في الزاوية السفلية.
تم تطوير تقنية ترسيب البخار الفيزيائي المؤين لحل هذه المشكلة. يقوم أولاً ببلازما ذرات المعدن المنبعثة من الهدف بطرق مختلفة، ثم يضبط جهد التحيز المحمل على الرقاقة للتحكم في اتجاه وطاقة أيونات المعدن للحصول على تدفق أيون معدني اتجاهي ثابت لتحضير طبقة رقيقة، وبالتالي تحسين تغطية الجزء السفلي من الدرجات بنسبة عرض عالية من خلال الثقوب والقنوات الضيقة.
السمة النموذجية لتكنولوجيا البلازما المعدنية المتأينة هي إضافة ملف تردد راديوي في الغرفة. أثناء العملية، يتم الحفاظ على ضغط العمل للغرفة عند مستوى مرتفع نسبيًا (5 إلى 10 أضعاف ضغط العمل العادي). أثناء PVD، يتم استخدام ملف التردد الراديوي لتوليد منطقة البلازما الثانية، حيث يزداد تركيز بلازما الأرجون مع زيادة طاقة التردد الراديوي وضغط الغاز. عندما تمر ذرات المعدن المتناثرة من الهدف عبر هذه المنطقة، فإنها تتفاعل مع بلازما الأرجون عالية الكثافة لتكوين أيونات معدنية.
يمكن أن يؤدي تطبيق مصدر RF على حامل الرقاقة (مثل ظرف إلكتروستاتيكي) إلى زيادة الانحياز السلبي على الرقاقة لجذب الأيونات المعدنية الموجبة إلى الجزء السفلي من أخدود المسام. يعمل تدفق الأيونات المعدنية الاتجاهية بشكل عمودي على سطح الرقاقة على تحسين التغطية السفلية للمسام ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية والقنوات الضيقة.
يؤدي الانحياز السلبي المطبق على الرقاقة أيضًا إلى قصف الأيونات لسطح الرقاقة (الاخرق العكسي)، مما يضعف البنية المتدلية لفوهة أخدود المسام ويرش الفيلم المترسب في الأسفل على الجدران الجانبية عند زوايا الجزء السفلي من المسام الأخدود، وبالتالي تعزيز تغطية الخطوة في الزوايا.
3.6 معدات ترسيب البخار الكيميائي للضغط الجوي
تشير معدات ترسيب البخار الكيميائي بالضغط الجوي (APCVD) إلى جهاز يقوم برش مصدر تفاعل غازي بسرعة ثابتة على سطح ركيزة صلبة ساخنة تحت بيئة ذات ضغط قريب من الضغط الجوي، مما يتسبب في تفاعل مصدر التفاعل كيميائيًا على سطح الركيزة، ويتم ترسيب منتج التفاعل على سطح الركيزة لتشكيل طبقة رقيقة.
تعد معدات APCVD من أقدم معدات الأمراض القلبية الوعائية ولا تزال تستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي والبحث العلمي. يمكن استخدام معدات APCVD لتحضير الأغشية الرقيقة مثل السيليكون البلوري الأحادي، والسيليكون متعدد البلورات، وثاني أكسيد السيليكون، وأكسيد الزنك، وثاني أكسيد التيتانيوم، وزجاج الفوسفوسيليكات، وزجاج البوروفوسفوسليكات.
3.7 معدات ترسيب البخار الكيميائي ذات الضغط المنخفض
تشير معدات ترسيب البخار الكيميائي منخفض الضغط (LPCVD) إلى المعدات التي تستخدم المواد الخام الغازية للتفاعل كيميائيًا على سطح الركيزة الصلبة تحت بيئة ساخنة (350-1100 درجة مئوية) ومنخفضة الضغط (10-100 مللي تور)، و يتم ترسيب المواد المتفاعلة على سطح الركيزة لتكوين طبقة رقيقة. تم تطوير معدات LPCVD على أساس APCVD لتحسين جودة الأغشية الرقيقة، وتحسين انتظام توزيع المعلمات المميزة مثل سمك الفيلم والمقاومة، وتحسين كفاءة الإنتاج.
السمة الرئيسية لها هي أنه في بيئة المجال الحراري منخفض الضغط، يتفاعل غاز المعالجة كيميائيًا على سطح الركيزة الرقاقة، ويتم ترسيب منتجات التفاعل على سطح الركيزة لتشكيل طبقة رقيقة. تتمتع معدات LPCVD بمزايا في تحضير الأغشية الرقيقة عالية الجودة ويمكن استخدامها لتحضير الأغشية الرقيقة مثل أكسيد السيليكون ونيتريد السيليكون والبولي سيليكون وكربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم والجرافين.
بالمقارنة مع APCVD، فإن بيئة التفاعل ذات الضغط المنخفض لمعدات LPCVD تزيد من متوسط المسار الحر ومعامل انتشار الغاز في غرفة التفاعل.
يمكن توزيع غاز التفاعل وجزيئات الغاز الحاملة في غرفة التفاعل بالتساوي في وقت قصير، وبالتالي تحسين توحيد سماكة الفيلم بشكل كبير، وتوحيد المقاومة وتغطية الخطوة للفيلم، كما أن استهلاك غاز التفاعل صغير أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، تعمل بيئة الضغط المنخفض أيضًا على تسريع سرعة نقل المواد الغازية. يمكن إخراج الشوائب ومنتجات التفاعل الثانوية المنتشرة من الركيزة بسرعة من منطقة التفاعل من خلال الطبقة الحدودية، ويمر غاز التفاعل بسرعة عبر الطبقة الحدودية للوصول إلى سطح الركيزة للتفاعل، وبالتالي قمع المنشطات الذاتية بشكل فعال، وإعداد أفلام عالية الجودة مع مناطق انتقالية شديدة الانحدار، وكذلك تحسين كفاءة الإنتاج.
3.8 معدات ترسيب البخار الكيميائي المحسنة بالبلازما
يعد ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD) وسيلة مستخدمة على نطاق واسعتكنولوجيا ترسيب فيلم هين. أثناء عملية البلازما، يتم تأين المادة الأولية الغازية تحت تأثير البلازما لتكوين مجموعات نشطة مثارة، والتي تنتشر على سطح الركيزة ثم تخضع لتفاعلات كيميائية لإكمال نمو الفيلم.
وفقا لتردد توليد البلازما، يمكن تقسيم البلازما المستخدمة في PECVD إلى نوعين: بلازما الترددات الراديوية (بلازما الترددات اللاسلكية) وبلازما الموجات الدقيقة (بلازما الميكروويف). في الوقت الحاضر، يبلغ تردد الراديو المستخدم في الصناعة بشكل عام 13.56 ميجا هرتز.
ينقسم إدخال بلازما الترددات الراديوية عادةً إلى نوعين: الاقتران بالسعة (CCP) والاقتران الحثي (ICP). عادة ما تكون طريقة الاقتران السعوي هي طريقة تفاعل البلازما المباشرة؛ في حين أن طريقة الاقتران الحثي يمكن أن تكون طريقة البلازما المباشرة أو طريقة البلازما البعيدة.
في عمليات تصنيع أشباه الموصلات، غالبًا ما يستخدم PECVD لزراعة أغشية رقيقة على ركائز تحتوي على معادن أو هياكل أخرى حساسة للحرارة. على سبيل المثال، في مجال التوصيل البيني المعدني الخلفي للدوائر المتكاملة، حيث أن هياكل المصدر والبوابة والصرف للجهاز قد تشكلت في عملية الواجهة الأمامية، فإن نمو الأغشية الرقيقة في مجال التوصيل البيني المعدني يخضع لقيود الميزانية الحرارية الصارمة للغاية، لذلك يتم استكمالها عادةً بمساعدة البلازما. من خلال ضبط معلمات عملية البلازما، يمكن تعديل الكثافة والتركيب الكيميائي ومحتوى الشوائب والمتانة الميكانيكية ومعلمات الإجهاد للفيلم الرقيق الذي ينمو بواسطة PECVD وتحسينه ضمن نطاق معين.
3.9 معدات ترسيب الطبقة الذرية
ترسيب الطبقة الذرية (ALD) هي تقنية ترسيب الأغشية الرقيقة التي تنمو بشكل دوري على شكل طبقة شبه أحادية الذرة. ما يميزه هو أنه يمكن تعديل سمك الفيلم المودع بدقة عن طريق التحكم في عدد دورات النمو. على عكس عملية ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، فإن السلائف (أو أكثر) في عملية ALD تمر بالتناوب عبر سطح الركيزة ويتم عزلها بشكل فعال عن طريق تطهير الغاز النادر.
لن يختلط المركبان ويلتقيان في الطور الغازي ليتفاعلا كيميائيًا، ولكنهما يتفاعلان فقط من خلال الامتزاز الكيميائي على سطح الركيزة. في كل دورة ALD، ترتبط كمية السلائف الممتصة على سطح الركيزة بكثافة المجموعات النشطة على سطح الركيزة. عندما يتم استنفاد المجموعات التفاعلية على سطح الركيزة، حتى لو تم إدخال فائض من المادة الأولية، لن يحدث الامتزاز الكيميائي على سطح الركيزة.
تسمى عملية التفاعل هذه تفاعل السطح ذاتي التحديد. آلية العملية هذه تجعل سمك الفيلم المزروع في كل دورة من عملية ALD ثابتًا، وبالتالي فإن عملية ALD تتمتع بمزايا التحكم الدقيق في السمك والتغطية الجيدة لخطوات الفيلم.
3.10 معدات الشعاع الجزيئي
يشير نظام الشعاع الجزيئي (MBE) إلى جهاز الفوقي الذي يستخدم واحدًا أو أكثر من الحزم الذرية أو الحزم الجزيئية ذات الطاقة الحرارية للرش على سطح الركيزة الساخن بسرعة معينة في ظل ظروف فراغ عالية جدًا، ويمتص وينتقل على سطح الركيزة لتنمية الأغشية الرقيقة البلورية الفوقية على طول اتجاه المحور البلوري للمادة الأساسية. بشكل عام، في حالة التسخين بواسطة فرن نفاث مع درع حراري، يشكل مصدر الشعاع شعاعًا ذريًا أو شعاعًا جزيئيًا، وينمو الفيلم طبقة بعد طبقة على طول اتجاه المحور البلوري لمادة الركيزة.
خصائصه هي انخفاض درجة حرارة النمو الفوقي، ويمكن التحكم بدقة في السماكة والواجهة والتركيب الكيميائي وتركيز الشوائب على المستوى الذري. على الرغم من أن MBE نشأت من تحضير أغشية بلورية مفردة رقيقة جدًا لأشباه الموصلات، فقد توسع تطبيقها الآن ليشمل مجموعة متنوعة من أنظمة المواد مثل المعادن والعوازل الكهربائية، ويمكنها تحضير III-V وII-VI والسيليكون وجرمانيوم السيليكون (SiGe) ) والجرافين والأكاسيد والأفلام العضوية.
يتكون نظام تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE) بشكل أساسي من نظام فراغ عالي للغاية، ومصدر شعاع جزيئي، ونظام تثبيت وتسخين الركيزة، ونظام نقل العينات، ونظام مراقبة في الموقع، ونظام تحكم، واختبار نظام.
يتضمن نظام التفريغ مضخات التفريغ (المضخات الميكانيكية، المضخات الجزيئية، المضخات الأيونية، ومضخات التكثيف، إلخ) وصمامات مختلفة، والتي يمكن أن تخلق بيئة نمو فراغ عالية جدًا. درجة الفراغ التي يمكن تحقيقها بشكل عام هي 10-8 إلى 10-11 تور. يحتوي نظام التفريغ بشكل أساسي على ثلاث غرف عمل مفرغة، وهي غرفة حقن العينة، وغرفة المعالجة المسبقة وتحليل السطح، وغرفة النمو.
يتم استخدام غرفة حقن العينة لنقل العينات إلى العالم الخارجي لضمان ظروف الفراغ العالية للغرف الأخرى؛ تربط غرفة المعالجة المسبقة وتحليل السطح بين غرفة حقن العينة وغرفة النمو، وتتمثل وظيفتها الرئيسية في المعالجة المسبقة للعينة (التفريغ عند درجة حرارة عالية لضمان النظافة الكاملة لسطح الركيزة) وإجراء تحليل سطحي أولي على عينة نظيفة تعد غرفة النمو الجزء الأساسي من نظام MBE، وتتكون بشكل أساسي من فرن المصدر ومجموعة المصراع المقابلة له، ووحدة التحكم في العينة، ونظام التبريد، وحيود الإلكترون عالي الطاقة الانعكاسي (RHEED)، ونظام مراقبة في الموقع . تحتوي بعض معدات MBE الخاصة بالإنتاج على تكوينات متعددة لغرفة النمو. يظهر الرسم التخطيطي لهيكل معدات MBE أدناه:
يستخدم MBE من مادة السيليكون السيليكون عالي النقاء كمواد خام، وينمو في ظل ظروف فراغ عالي جدًا (10-10～10-11Torr)، ودرجة حرارة النمو هي 600～900°C، مع Ga (النوع P) وSb ( N-type) كمصادر المنشطات. ونادرا ما تستخدم مصادر المنشطات شائعة الاستخدام مثل P و As و B كمصادر شعاع لأنها صعبة التبخر.
تتمتع غرفة التفاعل في MBE ببيئة فراغية عالية للغاية، مما يزيد من متوسط المسار الحر للجزيئات ويقلل التلوث والأكسدة على سطح المادة المتنامية. تتميز المادة الفوقي المحضرة بتشكل سطحي وتوحيد جيد، ويمكن تحويلها إلى بنية متعددة الطبقات مع منشطات مختلفة أو مكونات مواد مختلفة.
تحقق تقنية MBE النمو المتكرر للطبقات الفوقية الرقيقة للغاية بسمك طبقة ذرية واحدة، وتكون الواجهة بين الطبقات الفوقي شديدة الانحدار. إنه يعزز نمو أشباه الموصلات III-V وغيرها من المواد غير المتجانسة متعددة المكونات. في الوقت الحاضر، أصبح نظام MBE عبارة عن معدات معالجة متقدمة لإنتاج جيل جديد من أجهزة الميكروويف والأجهزة الإلكترونية البصرية. تتمثل عيوب تقنية MBE في بطء معدل نمو الفيلم، ومتطلبات الفراغ العالية، وارتفاع تكاليف استخدام المعدات والمعدات.
3.11 نظام مرحلة البخار
يشير نظام طور البخار (VPE) إلى جهاز نمو الفوقي الذي ينقل المركبات الغازية إلى الركيزة ويحصل على طبقة مادة بلورية واحدة بنفس ترتيب الشبكة مثل الركيزة من خلال التفاعلات الكيميائية. يمكن أن تكون الطبقة الفوقي طبقة متجانسة الفوقي (Si/Si) أو طبقة مغايرة الفوقي (SiGe/Si، SiC/Si، GaN/Al2O3، إلخ). حاليًا، يتم استخدام تقنية VPE على نطاق واسع في مجالات تحضير المواد النانوية، وأجهزة الطاقة، والأجهزة الإلكترونية الضوئية شبه الموصلة، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، والدوائر المتكاملة.
يشتمل VPE النموذجي على تنضيد الضغط الجوي وتنضيد الضغط المنخفض، وترسيب البخار الكيميائي عالي الفراغ، وترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني، وما إلى ذلك. النقاط الرئيسية في تقنية VPE هي تصميم غرفة التفاعل، ووضع تدفق الغاز والتوحيد، وتوحيد درجة الحرارة والتحكم الدقيق، التحكم في الضغط واستقراره، والتحكم في الجسيمات والعيوب، وما إلى ذلك.
في الوقت الحاضر، اتجاه تطوير أنظمة VPE التجارية السائدة هو تحميل الرقاقات الكبيرة، والتحكم الآلي بالكامل، والمراقبة في الوقت الحقيقي لدرجة الحرارة وعملية النمو. تحتوي أنظمة VPE على ثلاثة هياكل: عمودي وأفقي واسطواني. تشمل طرق التسخين التسخين بالمقاومة والتسخين التعريفي عالي التردد والتسخين بالأشعة تحت الحمراء.
في الوقت الحاضر، تستخدم أنظمة VPE في الغالب هياكل الأقراص الأفقية، والتي تتميز بخصائص التوحيد الجيد لنمو الفيلم الفوقي وتحميل الرقاقات الكبيرة. تتكون أنظمة VPE عادة من أربعة أجزاء: المفاعل ونظام التدفئة ونظام مسار الغاز ونظام التحكم. نظرًا لأن وقت نمو الأفلام الفوقي GaAs و GaN طويل نسبيًا، يتم استخدام التسخين التعريفي والتسخين بالمقاومة في الغالب. في السيليكون VPE، يستخدم نمو الغشاء الفوقي السميك في الغالب التسخين التعريفي؛ يستخدم نمو الغشاء الفوقي الرقيق في الغالب التسخين بالأشعة تحت الحمراء لتحقيق غرض ارتفاع / انخفاض درجة الحرارة بسرعة.
3.12 نظام الطور السائل
يشير نظام الطور السائل (LPE) إلى معدات النمو الفوقي التي تعمل على إذابة المواد المراد زراعتها (مثل Si، Ga، As، Al، إلخ) والمنشطات (مثل Zn، Te، Sn، إلخ.) في معدن ذو نقطة انصهار أقل (مثل Ga، In، وما إلى ذلك)، بحيث يكون المذاب مشبعًا أو مفرط التشبع في المذيب، ثم يتم ملامسة الركيزة البلورية المفردة للمحلول، ويتم ترسيب المذاب من المذيب بواسطة يتم التبريد تدريجيًا، ويتم زراعة طبقة من المادة البلورية ذات بنية بلورية وثابتة شبكية مماثلة لتلك الخاصة بالركيزة على سطح الركيزة.
تم اقتراح طريقة LPE بواسطة Nelson et al. في عام 1963. يتم استخدامه لزراعة أغشية Si الرقيقة والمواد البلورية المفردة، بالإضافة إلى المواد شبه الموصلة مثل مجموعات III-IV وتيلوريد الكادميوم الزئبق، ويمكن استخدامه لصنع العديد من الأجهزة الإلكترونية الضوئية وأجهزة الميكروويف وأجهزة أشباه الموصلات والخلايا الشمسية. .
———————————————————————————————————————————— ———————————-
يمكن أن توفر Semiceraأجزاء الجرافيت, شعر ناعم/صلب, أجزاء كربيد السيليكون, أجزاء كربيد السيليكون CVD، والأجزاء المغلفة بـ SiC/TaCمع في 30 يوما.
إذا كنت مهتمًا بمنتجات أشباه الموصلات المذكورة أعلاه،من فضلك لا تتردد في الاتصال بنا في المرة الأولى.
هاتف: +86-13373889683
واتساب: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
وقت النشر: 31 أغسطس 2024