ภาพรวมที่ครอบคลุมของเทคนิคการสะสมฟิล์มบาง: MOCVD, การสปัตเตอร์แมกนีตรอน และ PECVD

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่ากระบวนการโฟโตลิโทกราฟีและการกัดกรดจะเป็นกระบวนการที่ถูกกล่าวถึงบ่อยที่สุด แต่เทคนิคการเคลือบฟิล์มบางหรือการเคลือบฟิล์มบางก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน บทความนี้จะแนะนำวิธีการเคลือบฟิล์มบางทั่วไปหลายวิธีที่ใช้ในการผลิตชิป ซึ่งรวมถึงเอ็มโอซีวีดี, การสปัตเตอร์แมกนีตรอน, และพีอีซีวีดี.

เหตุใดกระบวนการฟิล์มบางจึงมีความจำเป็นในการผลิตชิป?

ลองนึกภาพขนมปังแผ่นอบธรรมดาๆ สักแผ่น รสชาติอาจจะจืดชืดไปบ้าง แต่ถ้าทาหน้าขนมปังด้วยซอสต่างๆ เช่น ซอสเต้าเจี้ยวรสเผ็ดหรือน้ำเชื่อมมอลต์หวาน ก็สามารถเปลี่ยนแปลงรสชาติของขนมปังได้อย่างสิ้นเชิง สารเคลือบที่ช่วยเพิ่มรสชาติเหล่านี้คล้ายกับฟิล์มบางในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่ขนมปังแผ่นนั้นเป็นตัวแทนของสารตั้งต้น.

ในการผลิตชิป ฟิล์มบางมีบทบาทการทำงานมากมาย เช่น เป็นฉนวน การนำไฟฟ้า การทำให้เฉื่อย การดูดซับแสง เป็นต้น และแต่ละฟังก์ชันต้องใช้เทคนิคการเคลือบที่เฉพาะเจาะจง

1. การสะสมไอเคมีอินทรีย์และโลหะ (MOCVD)

MOCVD เป็นเทคนิคขั้นสูงและแม่นยำสูงที่ใช้สำหรับการเคลือบฟิล์มบางเซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูงและโครงสร้างนาโน มีบทบาทสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ต่างๆ เช่น LED เลเซอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

ส่วนประกอบหลักของระบบ MOCVD:

• ระบบส่งก๊าซ
  รับผิดชอบในการนำสารตั้งต้นเข้าสู่ห้องปฏิกิริยาอย่างแม่นยำ ซึ่งรวมถึงการควบคุมการไหลของ:

• ก๊าซพาหะ

• สารตั้งต้นโลหะ-อินทรีย์

• ก๊าซไฮไดรด์
  ระบบนี้มีวาล์วหลายทางสำหรับการสลับระหว่างโหมดการเจริญเติบโตและการล้าง

• ห้องปฏิกิริยา
  หัวใจของระบบที่การเจริญเติบโตของวัสดุเกิดขึ้นจริง ส่วนประกอบประกอบด้วย:

  • ตัวรับกราไฟท์ (ตัวยึดพื้นผิว)

  • เซ็นเซอร์เครื่องทำความร้อนและอุณหภูมิ

  • พอร์ตออปติคัลสำหรับการตรวจสอบในสถานที่

  • แขนหุ่นยนต์สำหรับการโหลด/ขนถ่ายเวเฟอร์อัตโนมัติ

• ระบบควบคุมการเจริญเติบโต
  ประกอบด้วยตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้และคอมพิวเตอร์โฮสต์ สิ่งเหล่านี้รับประกันการตรวจสอบที่แม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำได้ตลอดกระบวนการสะสม

• การตรวจสอบในสถานที่
  เครื่องมือวัดเช่นไพโรมิเตอร์และรีเฟลกโตมิเตอร์ใช้ในการวัด:

  • ความหนาของฟิล์ม

  • อุณหภูมิพื้นผิว

  • ความโค้งของพื้นผิว
    สิ่งเหล่านี้ช่วยให้สามารถตอบรับและปรับเปลี่ยนได้แบบเรียลไทม์

• ระบบบำบัดไอเสีย
  บำบัดผลพลอยได้ที่เป็นพิษโดยใช้การสลายตัวด้วยความร้อนหรือการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อให้แน่ใจถึงความปลอดภัยและเป็นไปตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม

การกำหนดค่าหัวฝักบัวแบบปิดคู่ (CCS):

ในเครื่องปฏิกรณ์ MOCVD แบบแนวตั้ง การออกแบบ CCS ช่วยให้สามารถฉีดก๊าซได้อย่างสม่ำเสมอผ่านหัวฉีดแบบสลับในโครงสร้างแบบฝักบัว ช่วยลดการเกิดปฏิกิริยาก่อนกำหนดและเพิ่มประสิทธิภาพการผสมให้สม่ำเสมอ

• การตัวรับกราไฟท์แบบหมุนนอกจากนี้ยังช่วยทำให้ชั้นขอบของก๊าซเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของฟิล์มทั่วทั้งเวเฟอร์

2. การสปัตเตอร์แมกนีตรอน

การสปัตเตอร์แมกนีตรอนเป็นวิธีการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสะสมฟิล์มบางและสารเคลือบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ออปติก และเซรามิก

หลักการทำงาน:

1. วัสดุเป้าหมาย
   วัสดุต้นทางที่ต้องฝากไว้—โลหะ ออกไซด์ ไนไตรด์ ฯลฯ—จะถูกตรึงไว้บนแคโทด

2. ห้องสุญญากาศ
   กระบวนการนี้ดำเนินการภายใต้สุญญากาศสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อน

3. การสร้างพลาสมา
   ก๊าซเฉื่อย โดยทั่วไปคืออาร์กอน จะถูกแตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างพลาสมา

4. การประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็ก
   สนามแม่เหล็กจะจำกัดอิเล็กตรอนไว้ใกล้เป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแตกตัวเป็นไอออน

5. กระบวนการสปัตเตอร์
   ไอออนโจมตีเป้าหมาย ทำให้อะตอมหลุดออกจากตำแหน่งที่เดินทางผ่านห้องและตกตะกอนลงบนพื้นผิว

ข้อดีของการสปัตเตอร์แมกนีตรอน:

• การเก็บฟิล์มแบบสม่ำเสมอครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่

• ความสามารถในการฝากสารประกอบเชิงซ้อนรวมถึงโลหะผสมและเซรามิก

• พารามิเตอร์กระบวนการที่ปรับแต่งได้เพื่อการควบคุมความหนา องค์ประกอบ และโครงสร้างจุลภาคอย่างแม่นยำ

• คุณภาพฟิล์มสูงด้วยการยึดเกาะที่แข็งแกร่งและความแข็งแรงเชิงกล

• ความเข้ากันได้ของวัสดุที่กว้างขวางจากโลหะไปจนถึงออกไซด์และไนไตรด์

• การทำงานที่อุณหภูมิต่ำเหมาะสำหรับวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ

3. การสะสมไอเคมีที่เสริมด้วยพลาสมา (PECVD)

PECVD ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสะสมฟิล์มบาง เช่น ซิลิกอนไนไตรด์ (SiNx), ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO₂) และซิลิกอนอะมอร์ฟัส

หลักการ:

ในระบบ PECVD ก๊าซสารตั้งต้นจะถูกนำเข้าไปในห้องสุญญากาศซึ่งมีพลาสม่าปล่อยประจุเรืองแสงถูกสร้างขึ้นโดยใช้:

• การกระตุ้น RF

• แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูง

• ไมโครเวฟหรือแหล่งกำเนิดพัลส์

พลาสม่าจะกระตุ้นปฏิกิริยาในเฟสก๊าซ ทำให้เกิดสารที่มีปฏิกิริยาซึ่งจะสะสมบนพื้นผิวจนกลายเป็นฟิล์มบางๆ

ขั้นตอนการฝาก:

1. การก่อตัวของพลาสมา
   เมื่อถูกกระตุ้นด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ก๊าซสารตั้งต้นจะแตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างอนุมูลอิสระและไอออนที่มีปฏิกิริยา

2. ปฏิกิริยาและการขนส่ง
   สิ่งมีชีวิตเหล่านี้จะมีปฏิกิริยาตอบสนองรองเมื่อเคลื่อนตัวไปยังพื้นผิว

3. ปฏิกิริยาพื้นผิว
   เมื่อถึงพื้นผิว สารเหล่านี้จะดูดซับ ทำปฏิกิริยา และก่อตัวเป็นฟิล์มแข็ง สารพลอยได้บางส่วนจะถูกปล่อยออกมาเป็นก๊าซ

ประโยชน์ของ PECVD:

• ความสม่ำเสมอที่ยอดเยี่ยมในด้านองค์ประกอบและความหนาของฟิล์ม

• การยึดเกาะที่แข็งแรงแม้ในอุณหภูมิการสะสมที่ค่อนข้างต่ำ

• อัตราการฝากสูงทำให้เหมาะกับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

4. เทคนิคการกำหนดลักษณะเฉพาะของฟิล์มบาง

การทำความเข้าใจคุณสมบัติของฟิล์มบางเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการควบคุมคุณภาพ เทคนิคทั่วไปประกอบด้วย:

(1) การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD)

• วัตถุประสงค์:วิเคราะห์โครงสร้างผลึก ค่าคงที่ของโครงตาข่าย และการวางแนว

• หลักการ:ตามกฎของแบรกก์ ใช้วัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ผ่านวัสดุผลึก

• แอปพลิเคชัน:การวิเคราะห์ผลึกศาสตร์ การวิเคราะห์เฟส การวัดความเครียด และการประเมินฟิล์มบาง

(2) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM)

• วัตถุประสงค์:สังเกตสัณฐานวิทยาและโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิว

• หลักการ:ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อสแกนพื้นผิวตัวอย่าง สัญญาณที่ตรวจพบ (เช่น อิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนที่กระเจิงกลับ) เผยให้เห็นรายละเอียดพื้นผิว

• แอปพลิเคชัน:วิทยาศาสตร์วัสดุ นาโนเทคโนโลยี ชีววิทยา และการวิเคราะห์ความล้มเหลว

(3) กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM)

• วัตถุประสงค์:ภาพที่ปรากฏมีความละเอียดระดับอะตอมหรือระดับนาโนเมตร

• หลักการ:หัววัดที่คมชัดจะสแกนพื้นผิวในขณะที่รักษาแรงโต้ตอบให้คงที่ การเคลื่อนที่ในแนวตั้งจะสร้างภูมิประเทศสามมิติ

• แอปพลิเคชัน:การวิจัยโครงสร้างนาโน การวัดความหยาบของพื้นผิว การศึกษาด้านชีวโมเลกุล