Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) είναι μια διαδικασία επικάλυψης που χρησιμοποιεί θερμικά ή ηλεκτρικά επαγόμενες χημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια ενός θερμαινόμενου υποστρώματος, με αντιδραστήρια που παρέχονται σε αέρια μορφή. Το CVD είναι μια μέθοδος εναπόθεσης που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υψηλής ποιότητας, υψηλής απόδοσης, στερεών υλικών, συνήθως υπό κενό. Λεπτές μεμβράνες ή επικαλύψεις παράγονται με τη διάσταση ή τις χημικές αντιδράσεις των αερίων αντιδρώντων σε ένα ενεργοποιημένο περιβάλλον (θερμότητα, φως, πλάσμα)
Επιταξία σημαίνει&«στην κορυφή &»; ή&«εκχωρείται στο &», και αντιπροσωπεύει μια διαδικασία κατά την οποία ένα στρώμα δημιουργείται πάνω από ένα άλλο στρώμα και κληρονομεί την κρυσταλλική του δομή. Εάν το αποτιθέμενο στρώμα είναι από το ίδιο υλικό με το υπόστρωμα, κάποιος μιλάει για ομοεπιταξία, αν&# 39 είναι άλλο υλικό, αυτό ονομάζεται ετεροεπιταξία&# 39. Η πιο σημαντική διαδικασία στο homepepitaxy είναι η εναπόθεση του πυριτίου στο πυρίτιο, στο heteroepitaxy συνήθως ένα στρώμα πυριτίου εναποτίθεται σε έναν μονωτή όπως το οξείδιο (Silicon On Insulator: SOI). Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) είναι μια διαδικασία επικάλυψης που χρησιμοποιεί θερμικά ή ηλεκτρικά επαγόμενες χημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια ενός θερμαινόμενου υποστρώματος, με αντιδραστήρια που παρέχονται σε αέρια μορφή. Το CVD είναι μια μέθοδος εναπόθεσης που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υψηλής ποιότητας, υψηλής απόδοσης, στερεών υλικών, συνήθως υπό κενό. Λεπτές μεμβράνες ή επικαλύψεις παράγονται με τη διάσταση ή τις χημικές αντιδράσεις των αερίων αντιδρώντων σε ένα ενεργοποιημένο περιβάλλον (θερμότητα, φως, πλάσμα)
Ομοεπιταξία
Ανάλογα με τη διαδικασία, οι γκοφρέτες μπορούν να παραδοθούν από τον κατασκευαστή γκοφρετών με ένα επιταξιακό στρώμα (π.χ. για τεχνολογία CMOS), ή ο κατασκευαστής τσιπ πρέπει να το κάνει ο ίδιος (για παράδειγμα στη διπολική τεχνολογία).
Ως αέριο για την παραγωγή της επιτακτικής στιβάδας, καθαρό υδρογόνο χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με σιλάνιο (SiH4), διχλωροσιλάνιο (SiH2Κλ2) ή τετραχλωριούχο πυρίτιο (SiCl4). Σε περίπου 1000 ° C, τα αέρια διασπώνται από το πυρίτιο, το οποίο εναποτίθεται στην επιφάνεια της γκοφρέτας. Το πυρίτιο κληρονομεί τη δομή του υποστρώματος και αναπτύσσεται διαδοχικά, για ενεργειακούς λόγους. Για να μην μεγαλώσει ένα πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, πρέπει πάντα να επικρατήσει η έλλειψη ατόμων πυριτίου, π.χ. είναι πάντα λίγο λιγότερο πυρίτιο διαθέσιμο καθώς το υλικό θα μπορούσε πραγματικά να μεγαλώσει. Όταν χρησιμοποιείται τετραχλωριούχο πυρίτιο, η αντίδραση προχωρά σε δύο στάδια:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Προκειμένου να κληρονομήσει τον προσανατολισμό του υποστρώματος&# 39, η επιφάνεια πρέπει να είναι απολύτως καθαρή. Έτσι μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει την αντίδραση ισορροπίας. Και οι δύο αντιδράσεις μπορούν να συμβούν στην άλλη κατεύθυνση, ανάλογα με την αναλογία των αερίων. Εάν υπάρχει μόνο λίγο υδρογόνο στην ατμόσφαιρα, όπως στη διαδικασία τριχλωροσιλανίου για τον καθαρισμό ακατέργαστου πυριτίου, το υλικό απομακρύνεται από την επιφάνεια της γκοφρέτας πυριτίου λόγω της υψηλής συγκέντρωσης χλωρίου. Επιτυγχάνεται μόνο με αυξανόμενη συγκέντρωση υδρογόνου.
Με SiCl4ο ρυθμός εναπόθεσης είναι περίπου 1 έως 2 μικρά ανά λεπτό. Δεδομένου ότι το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο αναπτύσσεται μόνο στην γυμνή επιφάνεια, ορισμένες περιοχές μπορούν να καλυφθούν με οξείδιο όπου το πυρίτιο αναπτύσσεται ως πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Αυτό το πολυπυρίτιο, ωστόσο, χαράσσεται πολύ εύκολα σε σύγκριση με το μονό-κρυσταλλικό πυρίτιο μέσω της αντίδρασης προς τα πίσω. Diborane (Β2H6) ή φωσφίνη (PH3) προστίθενται στα αέρια διεργασίας, για να δημιουργηθούν στρωματοποιημένα στρώματα, καθώς τα αέρια ντόπινγκ αποσυντίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες και τα προσβλητικά ενσωματώνονται στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Η διαδικασία δημιουργίας επιθηκών στο σπίτι πραγματοποιείται υπό ατμόσφαιρα κενού. Γι 'αυτό ο θάλαμος επεξεργασίας θερμαίνεται στους 1200 ° C για την απομάκρυνση του φυσικού οξειδίου, το οποίο υπάρχει πάντα στην επιφάνεια του πυριτίου. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, λόγω της χαμηλής συγκέντρωσης υδρογόνου εμφανίζεται μια πίσω χαρακτική στην επιφάνεια του πυριτίου. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό της επιφάνειας πριν ξεκινήσει η πραγματική διαδικασία. Εάν η συγκέντρωση αερίου μεταβάλλεται μετά τον καθαρισμό, αρχίζει η απόθεση.
Απεικόνιση αντιδραστήρα βαρελιών για επιτακτικές διαδικασίες
Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών διεργασίας, υπάρχει μια διάχυση των προσμείξεων στο υπόστρωμα ή οι ακαθαρσίες, που έχουν χρησιμοποιηθεί σε προηγούμενες διεργασίες, μπορούν να μετακινηθούν στο υπόστρωμα. Εάν η SiH2Κλ2ή SiH4χρησιμοποιούνται εκεί' δεν χρειάζονται τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες, επομένως αυτά τα αέρια χρησιμοποιούνται κυρίως. Για να επιτευχθεί η διαδικασία χαράξεως για τον καθαρισμό της επιφάνειας, το HCl πρέπει να προστεθεί ξεχωριστά. Το μειονέκτημα αυτών των σιλανίων είναι ότι σχηματίζουν μικρόβια στην ατμόσφαιρα ακριβώς πριν από την απόθεση, και έτσι η ποιότητα του στρώματος δεν είναι τόσο καλή όσο με το SiCl4.
Συχνά υπάρχει ανάγκη για στρώματα που δεν μπορούν να δημιουργηθούν απευθείας από το υπόστρωμα. Για την εναπόθεση στρωμάτων νιτριδίου του πυριτίου ή οξυνιτριδίου πυριτίου πρέπει κανείς να χρησιμοποιήσει αέρια που περιέχουν όλα τα απαραίτητα συστατικά. Τα αέρια αποσυντίθενται μέσω θερμικής ενέργειας. Αυτή είναι η αρχή της εναπόθεσης φάσης χημικών ατμών: CVD. Η επιφάνεια της γκοφρέτας&# 39 δεν αντιδρά με τα αέρια αλλά χρησιμεύει ως κατώτερη στρώση. Ανάλογα με τις παραμέτρους της διαδικασίας - πίεση, θερμοκρασία - η μέθοδος CVD μπορεί να διαχωριστεί σε διαφορετικές μεθόδους των οποίων τα επίπεδα διαφέρουν ως προς την πυκνότητα και την κάλυψη. Εάν η ανάπτυξη σε οριζόντιες επιφάνειες είναι τόσο υψηλή όσο σε κάθετες επιφάνειες, η απόθεση είναι σύμφωνη.
Η συμμόρφωση K είναι η αναλογία κάθετης και οριζόντιας ανάπτυξης,K = Rv/Rh. Εάν η απόθεση δεν είναι ιδανική, η συμμόρφωση είναι μικρότερη από 1 (π.χ.Rv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Η υψηλή συμμόρφωση μπορεί να επιτευχθεί μόνο με υψηλές θερμοκρασίες διεργασίας.
Προφίλ που μπορούν να φανταστούν
Το APCVD είναι μια μέθοδος CVD σε κανονική πίεση (ατμοσφαιρική πίεση) η οποία χρησιμοποιείται για την εναπόθεση οξειδίων με πρόσμιξη και χωρίς προσβολή. Το εναποτιθέμενο οξείδιο έχει χαμηλή πυκνότητα και η κάλυψη είναι μέτρια λόγω μιας σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Λόγω βελτιωμένων εργαλείων, το APCVD υφίσταται αναγέννηση. Η υψηλή απόδοση της γκοφρέτας είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της διαδικασίας.
Ως αέρια διεργασίας σιλανίου SiH4(πολύ αραιωμένο με άζωτο Ν2) και οξυγόνο O2είναι μεταχειρισμένα. Τα αέρια αποσυντίθενται θερμικά στους περίπου 400 ° C και αντιδρούν το ένα με το άλλο για να σχηματίσουν το επιθυμητό φιλμ.
ΣιΗ4+ O2→ΣιΟ2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Προστέθηκε όζον O3μπορεί να προκαλέσει καλύτερη συμμόρφωση επειδή βελτιώνει την κινητικότητα των συσσωρευμένων σωματιδίων. Το οξείδιο είναι πορώδες και ηλεκτρικό ασταθές και μπορεί να συμπυκνωθεί με διαδικασία υψηλής θερμοκρασίας.
Για να αποφευχθούν άκρα που μπορεί να οδηγήσουν σε δυσκολίες κατά την εναπόθεση επιπρόσθετων στρωμάτων, χρησιμοποιείται πυριτικό γυαλί φωσφόρου (PSG) για παρεμβολές. Γι 'αυτό προστίθεται φωσφίνη στο SiH4και Ο2, έτσι ώστε το εναποτιθέμενο οξείδιο να περιέχει 4 έως 8% φωσφόρο. Μια υψηλή ποσότητα φωσφόρου οδηγεί σε υψηλή αύξηση των ιδιοτήτων ροής, ωστόσο, μπορεί να σχηματιστεί φωσφορικό οξύ το οποίο διαβρώνει το αλουμίνιο (διαδρομές αγωγού).
Επειδή η ανόπτηση επηρεάζει παλαιότερες διεργασίες (π.χ. ντόπινγκ) γίνεται μόνο βραχυκύκλωμα με ισχυρούς λαμπτήρες αργού (αρκετά hundrets kW, λιγότερο από 10s, T=1100 ° C) αντί για ανόπτηση σε μακροχρόνιες διαδικασίες κλιβάνου.
Αναλογικό με PSG βόριο μπορεί να προστεθεί ταυτόχρονα (βόριο φωσφόρος πυριτικό γυαλί, BPSG, 4% B και 4% P).
Απεικόνιση ενός οριζόντιου αντιδραστήρα APCVD
Στο LPCVD χρησιμοποιείται κενό. Λεπτές μεμβράνες από νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4), οξυνιτρίδιο πυριτίου (SiON), SiO2und βολφράμιο (W) μπορεί να δημιουργηθεί. Οι διεργασίες LPCVD επιτρέπουν υψηλή συμμόρφωση σχεδόν 1. Αυτό οφείλεται στη χαμηλή πίεση 10 έως 100Pa (ατμοσφαιρική πίεση=100.000Pa) που οδηγεί σε μια μη ομοιόμορφη κίνηση των σωματιδίων. Τα σωματίδια διαχέονται λόγω συγκρούσεων και καλύπτουν κάθετες επιφάνειες καθώς και οριζόντιες. Η συμμόρφωση υποστηρίζεται από υψηλή θερμοκρασία έως 900 ° C. Σε σύγκριση με το APCVD, η πυκνότητα και η σταθερότητα είναι πολύ υψηλή.
Οι αντιδράσεις για τον Si3N4, SiON, SiO2και βολφράμιο έχουν ως εξής:
α) Σι3N4(850 ° C): 4ΝΗ3+ 3SiH2Κλ2→Σι3N4+ 6HCl + 6Η2
β) SiON (900 ° C): ΝΗ3+ ΣιΗ2Κλ2+ N2O→Σι3N4+ Nebenprodukte
γ) SiO2(700 ° C): SiO4C8H20→ΣιΟ2+ Nebenprodukte
δ) Wolfram (400 ° C): WF6+ 3H2→W + 6HF
Σε αντίθεση με τα αέρια πρόδρομα που χρησιμοποιούνται για το Si3N4, SiON και βολφράμιο, υγρό ορθοπυριτικό τετρααιθύλιο χρησιμοποιείται για SiO2. Εκτός αυτού υπάρχουν και άλλες πηγές υγρών όπως το DTBS (SiH2C8H20) ή τετραμεθυλοκυκλοτετρασιλοξάνη (TMTCS, Si4O4C4H16).
Ένα φιλμ βολφραμίου μπορεί να κατασκευαστεί μόνο σε γυμνό πυρίτιο. Επομένως, το σιλάνιο πρέπει να προστεθεί εάν δεν υπάρχει υπόστρωμα πυριτίου.
Απεικόνιση αντιδραστήρα LPCVD για ταινίες TEOS
Το PECVD λαμβάνει χώρα στους 250 έως 350 ° C. Λόγω χαμηλών θερμοκρασιών, τα αέρια διεργασίας δεν μπορούν να αποσυναρμολογηθούν θερμικά. Με τάση υψηλής συχνότητας, το αέριο μετατρέπεται σε κατάσταση πλάσματος. Το πλάσμα είναι ενεργητικό και απορρίπτεται στην επιφάνεια. Επειδή η επιμετάλλωση, όπως το αλουμίνιο, δεν μπορεί να εκτεθεί σε υψηλές θερμοκρασίες, το PECVD χρησιμοποιείται για SiO2και Σι3N4εναπόθεση πάνω από μεταλλικά στρώματα. Αντί για SiH2Cl2 χρησιμοποιείται σιλάνιο επειδή αποσυντίθεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η συμμόρφωση δεν είναι τόσο καλή όσο στο LPCVD (0,6 έως 0,8), ωστόσο, ο ρυθμός απόθεσης είναι πολύ υψηλότερος (0,5 μικρά ανά λεπτό).
Απεικόνιση ενός αντιδραστήρα PECVD
Το Atomic Layer Deposition (ALD) είναι μια τροποποιημένη διαδικασία CVD για την κατασκευή λεπτών υμενίων. Η διαδικασία χρησιμοποιεί διάφορα αέρια τα οποία οδηγούνται στον εναλλάξ θάλαμο επεξεργασίας. Κάθε αέριο αντιδρά με τέτοιο τρόπο ώστε η τρέχουσα επιφάνεια να είναι κορεσμένη, και ως εκ τούτου η αντίδραση σταματά. Το εναλλακτικό αέριο μπορεί να αντιδράσει με αυτήν την επιφάνεια με τον ίδιο τρόπο. Μεταξύ των αντιδράσεων αυτών των αερίων ο θάλαμος καθαρίζεται με αδρανές αέριο, όπως άζωτο ή αργό. Μια απλή διαδικασία ALD θα μπορούσε να μοιάζει με αυτό:
αυτοπεριοριζόμενη αντίδραση στην επιφάνεια με πρώτο αέριο
καθαρισμός με αδρανές αέριο
αυτοπεριοριζόμενη αντίδραση στην επιφάνεια με δεύτερο αέριο
καθαρισμός με αδρανές αέριο
Ένα συγκεκριμένο παράδειγμα για μια διαδικασία ALD είναι η εναπόθεση οξειδίου του αργιλίου, αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με τριμεθυλαργίλιο (TMA, C3H9Al) και νερό (Η2O).
Το πρώτο βήμα είναι η απομάκρυνση ατόμων υδρογόνου που συνδέονται με οξυγόνο στην επιφάνεια της γκοφρέτας. Οι ομάδες μεθυλίου (CH3) του TMA μπορεί να αντιδράσει με το υδρογόνο για να σχηματίσει μεθάνιο (CH4). Τα υπόλοιπα μόρια συνδέονται με το ακόρεστο οξυγόνο.
Εάν αυτά τα άτομα είναι κορεσμένα, δεν μπορούν να αντιδράσουν περισσότερα μόρια ΤΜΑ στην επιφάνεια.
Ο θάλαμος καθαρίζεται και ο επόμενος ατμός νερού οδηγείται στον θάλαμο. Πάντα ένα άτομο υδρογόνου του Η2Τα μόρια Ο μπορούν τώρα να αντιδράσουν με τα προηγούμενα αποτιθέμενα επιφανειακά άτομα για να σχηματίσουν μεθάνιο, ενώ το υδροξύλιο ανιόν συνδέεται με τα άτομα αλουμινίου.
Ως εκ τούτου, υπάρχουν νέα άτομα υδρογόνου στην επιφάνεια που μπορούν να αντιδράσουν σε ένα μεταγενέστερο βήμα με το TMA όπως στην αρχή.
Η εναπόθεση ατομικού στρώματος παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες τεχνικές εναπόθεσης, και ως εκ τούτου είναι μια πολύ σημαντική διαδικασία για την κατασκευή λεπτών υμενίων. Με ALD ακόμη και οι τρισδιάστατες δομές μπορούν να εναποτεθούν πολύ ομοιόμορφες. Οι μονωτικές μεμβράνες είναι δυνατές, καθώς και αγώγιμες, οι οποίες μπορούν να δημιουργηθούν σε διαφορετικά υποστρώματα (ημιαγωγοί, πολυμερή, ...). Το πάχος της μεμβράνης μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια από τον αριθμό των κύκλων. Δεδομένου ότι τα αντιδραστικά αέρια δεν οδηγούνται ταυτόχρονα στον θάλαμο, δεν μπορούν να σχηματίσουν μικρόβια πριν από την πραγματική εναπόθεση. Έτσι, η ποιότητα των ταινιών είναι πολύ υψηλή.
