ترسيب البخار الكيميائي (CVD) هو عملية طلاء تستخدم تفاعلات كيميائية مستحثة حرارياً أو كهربائياً على سطح ركيزة ساخنة ، مع الكواشف التي يتم توفيرها في شكل غازي. CVD هي طريقة ترسيب تُستخدم لإنتاج مواد صلبة عالية الجودة وعالية الأداء ، وعادةً ما تكون تحت فراغ. يتم إنتاج الأغشية أو الطلاءات الرقيقة عن طريق التفكك أو التفاعلات الكيميائية للمواد المتفاعلة الغازية في بيئة نشطة (حرارة ، ضوء ، بلازما).
Epitaxy تعني&مثل ؛ على رأس&مثل ؛ أو" ؛ مخصص لـ&مثل ؛ ، ويمثل العملية التي يتم فيها إنشاء طبقة فوق طبقة أخرى وترث هيكلها البلوري. إذا كانت الطبقة المودعة من نفس المادة مثل الركيزة ، يتحدث المرء عن التكاثر المتجانس ، وإذا كانت&مادة أخرى فإنها تسمى&# 39 ؛ وتسمى التباثية غير المتجانسة. إن أهم عملية في التجانس المتجانس هي ترسيب السيليكون على السيليكون ، وعادة ما يتم ترسيب طبقة السيليكون على مادة عازلة مثل أكسيد (السيليكون على العازل: SOI). ترسيب البخار الكيميائي (CVD) هو عملية طلاء تستخدم حراريًا أو تفاعلات كيميائية مستحثة كهربائيًا على سطح ركيزة ساخنة ، مع كواشف يتم توفيرها في شكل غازي. CVD هي طريقة ترسيب تُستخدم لإنتاج مواد صلبة عالية الجودة وعالية الأداء ، وعادةً ما تكون تحت فراغ. يتم إنتاج الأغشية أو الطلاءات الرقيقة عن طريق التفكك أو التفاعلات الكيميائية للمواد المتفاعلة الغازية في بيئة نشطة (حرارة ، ضوء ، بلازما).
Homoepitaxy
اعتمادًا على العملية ، يمكن توصيل الرقائق من الشركة المصنعة للرقائق بطبقة فوقية (على سبيل المثال لتقنية CMOS) ، أو يتعين على الشركة المصنعة للرقاقة أن تصنعها بنفسها (على سبيل المثال في تقنية القطبين).
كغاز لتوليد الطبقة فوقية ، يتم استخدام الهيدروجين النقي بالتزامن مع silane (SiH4) ، ثنائي كلورو سيلان (SiH2Cl2) أو رباعي كلوريد السيليكون (SiCl4). عند حوالي 1000 درجة مئوية ، تنفصل الغازات عن السيليكون ، الذي يترسب على سطح الرقاقة. يرث السيليكون بنية الركيزة وينمو ، لأسباب تتعلق بالطاقة ، طبقة تلو الأخرى على التوالي. حتى لا ينمو السيليكون متعدد الكريستالات ، يجب أن يسود المرء دائمًا نقصًا في ذرات السيليكون ، على سبيل المثال ، دائمًا ما يكون متاحًا أقل قليلًا من السيليكون حيث يمكن للمادة أن تنمو بالفعل. عند استخدام رباعي كلوريد السيليكون ، يستمر التفاعل في خطوتين:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 سيكل2→سي + SiCl4
من أجل وراثة اتجاه الركيزة&، يجب أن يكون السطح واضحًا تمامًا. لذلك يمكن للمرء الاستفادة من تفاعل التوازن. يمكن أن يحدث كلا التفاعلين في الاتجاه الآخر ، اعتمادًا على نسبة الغازات. إذا كان هناك القليل من الهيدروجين في الغلاف الجوي ، كما هو الحال في عملية ثلاثي كلورو سيلان لتنقية السيليكون الخام ، تتم إزالة المادة من سطح رقاقة السيليكون بسبب ارتفاع تركيز الكلور. فقط مع زيادة تركيز نمو الهيدروجين يتحقق.
مع SiCl4معدل الترسيب ما يقرب من 1 إلى 2 ميكرون في الدقيقة. نظرًا لأن السيليكون أحادي البلورية ينمو فقط على السطح المكشوف ، يمكن إخفاء مناطق معينة بأكسيد حيث ينمو السيليكون على هيئة سيليكون متعدد البلورات. ومع ذلك ، يتم حفر هذا البولي سيليكون بسهولة شديدة مقارنة بالسيليكون أحادي البلورية من خلال تفاعل التشغيل العكسي. ديبوران (ب2H6) أو الفوسفين (PH3) إلى غازات العملية ، لإنشاء طبقات مخدرة ، حيث تتحلل غازات المنشطات عند درجات حرارة عالية ويتم دمج dopants في الشبكة البلورية.
تتحقق عملية إنشاء طبقات المنزل الفوقي في جو الفراغ. لذلك يتم تسخين غرفة المعالجة إلى 1200 درجة مئوية لإزالة الأكسيد الأصلي الموجود دائمًا على سطح السيليكون. كما ذكر أعلاه ، بسبب تركيز الهيدروجين المنخفض ، يحدث حفر خلفي على سطح السيليكون. يمكن استخدام هذا لتنظيف السطح قبل بدء العملية الفعلية. إذا تغير تركيز الغاز بعد هذا التنظيف يبدأ الترسيب.
رسم توضيحي لمفاعل أسطواني لعمليات فوقية
نظرًا لارتفاع درجات حرارة العملية هناك&يمكن أن ينتقل انتشار الشوائب في الركيزة أو الشوائب ، والتي تم استخدامها في العمليات السابقة ، إلى الركيزة. إذا SiH2Cl2أو SiH4تستخدم هناك&لا حاجة لمثل هذه درجات الحرارة المرتفعة ، لذلك يتم استخدام هذه الغازات في المقام الأول. لتحقيق عملية الحفر الخلفي لتنظيف السطح ، يجب إضافة حمض الهيدروكلوريك بشكل منفصل. عيب هذه السيلانات أنها تشكل الجراثيم في الغلاف الجوي قبل الترسيب مباشرة ، وبالتالي فإن جودة الطبقة ليست بنفس جودة SiCl.4.
غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى طبقات يمكن إنشاؤها من الركيزة مباشرة. لإيداع طبقات من نيتريد السيليكون أو أكسيد السيليكون ، يجب على المرء استخدام الغازات التي تحتوي على جميع المكونات الضرورية. تتحلل الغازات عن طريق الطاقة الحرارية. هذا&هو مبدأ ترسيب طور البخار الكيميائي: CVD. لا يتفاعل سطح الرقاقة مع الغازات ولكنه يعمل كطبقة سفلية. اعتمادًا على معلمات العملية - الضغط ودرجة الحرارة - يمكن تقسيم طريقة CVD بطرق مختلفة تختلف طبقاتها في الكثافة والتغطية. إذا كان النمو على الأسطح الأفقية مرتفعًا كما هو الحال على الأسطح الرأسية ، يكون الترسيب مطابقًا.
المطابقة K هي نسبة النمو الرأسي والأفقي ،K = Rv/Rh. إذا لم يكن الترسيب مثاليًا ، فإن المطابقة أقل من 1 (على سبيل المثالRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). لا يمكن تحقيق التوافق العالي إلا من خلال درجات حرارة عالية للعملية.
ملامح يمكن تخيلها
APCVD هي طريقة CVD تحت الضغط الطبيعي (الضغط الجوي) والتي تستخدم لترسب أكاسيد مخدرة وغير مخدرة. للأكسيد المترسب كثافة منخفضة والتغطية معتدلة بسبب درجة حرارة منخفضة نسبيًا. بسبب الأدوات المحسنة ، يخضع APCVD لنهضة. الإنتاجية العالية للبسكويت هي ميزة كبيرة لهذه العملية.
كغازات عملية silane SiH4(محذوف للغاية بالنيتروجين N2) والأكسجين O2يستخدم. تتحلل الغازات حراريًا عند حوالي 400 درجة مئوية وتتفاعل مع بعضها البعض لتشكيل الفيلم المطلوب.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° باسكال)
الأوزون المضاف O3يمكن أن يتسبب في توافق أفضل لأنه يحسن حركة الجسيمات المتراكمة. الأكسيد مسامي وغير مستقر كهربائيًا ويمكن تكثيفه بواسطة عملية درجة حرارة عالية.
لتجنب الحواف التي يمكن أن تؤدي إلى صعوبات في ترسب طبقات إضافية ، يتم استخدام زجاج سيليكات الفوسفور (PSG) للطبقات البينية. لذلك يضاف الفوسفين إلى SiH4و O2بحيث يحتوي الأكسيد المترسب على 4 إلى 8٪ من الفوسفور. تؤدي كمية عالية من الفوسفور إلى زيادة عالية في خصائص التدفق ، ومع ذلك ، يمكن تكوين حمض الفوسفوريك مما يؤدي إلى تآكل الألومنيوم (مسارات الموصلات).
نظرًا لأن التلدين يؤثر على العمليات السابقة (مثل التنشيط) ، يتم فقط التقسية القصيرة باستخدام مصابيح الأرجون القوية (العديد من hundrets kW ، أقل من 10s ، T=1100 ° C) بدلاً من التلدين في عمليات الفرن الطويلة.
يمكن إضافة التناظرية إلى البورون PSG في وقت واحد (زجاج سيليكات البورون والفوسفور ، BPSG ، 4٪ B و 4٪ P).
شكل توضيحي لمفاعل APCVD أفقي
في LPCVD يتم استخدام فراغ. أغشية رقيقة من نيتريد السيليكون (Si3N4) ، أوكسي نيتريد السيليكون (SiON) ، SiO2يمكن إنشاء und tungsten (W). تتيح عمليات LPCVD توافقًا عاليًا يبلغ 1. هذا بسبب الضغط المنخفض من 10 إلى 100 باسكال (الضغط الجوي=100.000 باسكال) مما يؤدي إلى حركة غير منتظمة للجسيمات. تنتشر الجسيمات بسبب الاصطدامات وتغطي الأسطح الرأسية وكذلك الأسطح الأفقية. المطابقة مدعومة بدرجة حرارة عالية تصل إلى 900 درجة مئوية. بالمقارنة مع APCVD ، فإن الكثافة والاستقرار مرتفعان للغاية.
ردود الفعل على Si3N4، سيون ، سيو2والتنغستن كالتالي:
أ) سي3N4(850 درجة مئوية): 4NH3+ 3SiH2Cl2→سي3N4+ 6HCl + 6H2
ب) SiON (900 درجة مئوية): NH3+ SiH2Cl2+ N2O→سي3N4+ Nebenprodukte
ج) SiO2(700 درجة مئوية): SiO4C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
د) ولفرام (400 درجة مئوية): WF6+ 3H2→W + 6HF
على عكس السلائف الغازية المستخدمة في Si3N4، SiON والتنغستن ، يستخدم رباعي إيثيل أورثوسيليكات السائل في SiO2. إلى جانب وجود مصادر سائلة أخرى مثل DTBS (SiH2C8H20) أو رباعي ميثيل سيكلوتيتراسيلوكسان (TMTCS ، Si4O4C4H16).
لا يمكن تصنيع فيلم التنغستن إلا على السيليكون العاري. لذلك يجب إضافة silane إذا لم يكن هناك ركيزة من السيليكون.
رسم توضيحي لمفاعل LPCVD لأفلام TEOS
يحدث PECVD عند 250 إلى 350 درجة مئوية. بسبب درجات الحرارة المنخفضة ، لا يمكن أن تتحلل غازات العملية حراريًا. بجهد عالي التردد ، يتحول الغاز إلى حالة بلازما. البلازما نشطة وتتخلص من السطح. نظرًا لأن المعدنة ، مثل الألومنيوم ، لا يمكن أن تتعرض لدرجات حرارة عالية ، يتم استخدام PECVD في SiO2وسي3N4ترسب فوق الطبقات المعدنية. بدلاً من SiH2Cl2silane ، يتم استخدامه لأنه يتحلل عند درجة حرارة منخفضة. المطابقة ليست جيدة كما في LPCVD (0.6 إلى 0.8) ، ومع ذلك ، فإن معدل الترسيب أعلى بكثير (0.5 ميكرون في الدقيقة).
رسم توضيحي لمفاعل PECVD
ترسيب الطبقة الذرية (ALD) هو عملية CVD معدلة لتصنيع أغشية رقيقة. تستخدم العملية عدة غازات يتم نقلها إلى غرفة العملية بالتناوب. يتفاعل كل غاز بطريقة تجعل السطح الحالي مشبعًا ، وبالتالي يتوقف التفاعل. الغاز البديل قادر على التفاعل مع هذا السطح بنفس الطريقة. بين تفاعلات هذه الغازات ، يتم تطهير الغرفة بغاز خامل ، مثل النيتروجين أو الأرجون. يمكن أن تبدو عملية ALD البسيطة كما يلي:
مثال محدد لعملية ALD هو ترسب أكسيد الألومنيوم ، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام ثلاثي ميثيل الألومنيوم (TMA ، C3H9Al) والماء (H2O).
الخطوة الأولى هي التخلص من ذرات الهيدروجين المرتبطة بالأكسجين على سطح الرقاقة. مجموعات الميثيل (CH3) من التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) يمكن أن يتفاعل مع الهيدروجين لتكوين الميثان (CH4). ترتبط الجزيئات المتبقية بالأكسجين غير المشبع.
إذا كانت هذه الذرات مشبعة ، فلا يمكن لجزيئات TMA أن تتفاعل على السطح.
يتم تطهير الغرفة ويتم دفع بخار الماء اللاحق إلى الغرفة. من أي وقت مضى ذرة هيدروجين من H.2يمكن لجزيئات O الآن أن تتفاعل مع ذرات السطح المترسبة السابقة لتكوين الميثان ، بينما يرتبط أنيون الهيدروكسيل بذرات الألومنيوم.
ومن ثم ، توجد ذرات هيدروجين جديدة على السطح يمكن أن تتفاعل في خطوة لاحقة مع التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) كما في البداية.
يوفر ترسيب الطبقة الذرية مزايا كبيرة مقارنة بتقنيات الترسيب الأخرى ، وبالتالي فهي&عملية مهمة جدًا لتصنيع الأغشية الرقيقة. مع ALD حتى الهياكل ثلاثية الأبعاد يمكن ترسيبها بشكل موحد للغاية. الأفلام العازلة ممكنة وكذلك الموصلة ، والتي يمكن إنشاؤها على ركائز مختلفة (أشباه الموصلات ، البوليمرات ، ...). يمكن التحكم في سماكة الفيلم بدقة شديدة من خلال عدد الدورات. نظرًا لأن الغازات التفاعلية لا يتم إدخالها إلى الغرفة في وقت واحد ، فلا يمكنها تكوين الجراثيم مباشرة قبل الترسيب الفعلي. وبالتالي فإن جودة الأفلام عالية جدًا.
