نظرة عامة شاملة على تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة: MOCVD، والرش المغناطيسي، وPECVD

في تصنيع أشباه الموصلات، بينما تُعدّ الطباعة الضوئية والحفر العمليتين الأكثر شيوعًا، فإن تقنيات الترسيب الطبقي أو ترسيب الأغشية الرقيقة لا تقل أهمية. تُقدّم هذه المقالة العديد من طرق ترسيب الأغشية الرقيقة الشائعة المستخدمة في تصنيع الرقائق، بما في ذلكوزارة الصحة والسكان, رش المغنطرون، وPECVD.

لماذا تعتبر عمليات الأغشية الرقيقة ضرورية في تصنيع الرقائق؟

على سبيل المثال، تخيّل خبزًا مسطحًا عاديًا. قد يكون طعمه باهتًا بمفرده. مع ذلك، بدهن سطحه بصلصات مختلفة - مثل معجون الفاصولياء اللذيذ أو شراب الشعير الحلو - يمكنك تغيير نكهته تمامًا. هذه الطبقات المُحسّنة للنكهة تُشبهالأغشية الرقيقةفي عمليات أشباه الموصلات، في حين أن الخبز المسطح نفسه يمثلالركيزة.

في تصنيع الرقائق، تلعب الأغشية الرقيقة أدوارًا وظيفية عديدة - العزل، والتوصيل، والتخميد، وامتصاص الضوء، وما إلى ذلك - وكل وظيفة تتطلب تقنية ترسيب محددة.

1. الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي (MOCVD)

MOCVD تقنية متطورة ودقيقة للغاية تُستخدم لترسيب أغشية رقيقة من أشباه الموصلات عالية الجودة وهياكل نانوية. وتلعب دورًا محوريًا في تصنيع أجهزة مثل مصابيح LED والليزر وإلكترونيات الطاقة.

المكونات الرئيسية لنظام MOCVD:

• نظام توصيل الغاز
  مسؤول عن إدخال المواد المتفاعلة بدقة إلى حجرة التفاعل. ويشمل ذلك التحكم في تدفق:

• الغازات الحاملة

• المواد الأولية المعدنية العضوية

• غازات الهيدريد
  يتميز النظام بصمامات متعددة الاتجاهات للتبديل بين وضعي النمو والتطهير.

• غرفة التفاعل
  قلب النظام حيث يحدث النمو المادي الفعلي. تشمل مكوناته:

  • مستقبِل الجرافيت (حامل الركيزة)

  • أجهزة استشعار السخان ودرجة الحرارة

  • المنافذ البصرية للمراقبة في الموقع

  • أذرع روبوتية لتحميل وتفريغ الرقاقة آليًا

• نظام التحكم في النمو
  يتكون من وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة وجهاز كمبيوتر مضيف. يضمن هذا مراقبة دقيقة وإمكانية تكرار عملية الترسيب.

• المراقبة في الموقع
  تقيس أدوات مثل أجهزة قياس الحرارة وأجهزة قياس الانعكاس ما يلي:

  • سمك الفيلم

  • درجة حرارة السطح

  • انحناء الركيزة
    وهذا يتيح إمكانية الحصول على ردود الفعل والتعديل في الوقت الفعلي.

• نظام معالجة العادم
  يعالج المنتجات الثانوية السامة باستخدام التحلل الحراري أو التحفيز الكيميائي لضمان السلامة والامتثال البيئي.

تكوين رأس الدش المغلق (CCS):

في مفاعلات MOCVD العمودية، يسمح تصميم CCS بحقن الغازات بالتساوي عبر فوهات متناوبة في هيكل رأس الدش. هذا يقلل من التفاعلات المبكرة ويعزز الخلط المنتظم.

• المستقبل الجرافيت الدوارويساعد أيضًا على توحيد طبقة الحدود للغازات، مما يحسن توحيد الفيلم عبر الرقاقة.

2. الرش المغناطيسي

الرش المغناطيسي هو طريقة ترسيب بخاري فيزيائي (PVD) تستخدم على نطاق واسع لترسيب الأغشية الرقيقة والطلاءات، وخاصة في الإلكترونيات والبصريات والسيراميك.

مبدأ العمل:

1. مادة الهدف
   يتم تثبيت المادة المصدرية التي سيتم ترسيبها - المعدن، الأكسيد، النتريد، وما إلى ذلك - على الكاثود.

2. غرفة التفريغ
   يتم إجراء العملية تحت فراغ عالي لتجنب التلوث.

3. توليد البلازما
   يتم تأين الغاز الخامل، عادةً الأرجون، لتكوين البلازما.

4. تطبيق المجال المغناطيسي
   يقوم المجال المغناطيسي بحصر الإلكترونات بالقرب من الهدف لتعزيز كفاءة التأين.

5. عملية الرش
   تقوم الأيونات بقصف الهدف، مما يؤدي إلى إزاحة الذرات التي تنتقل عبر الغرفة وتترسب على الركيزة.

مزايا الرش المغناطيسي:

• ترسب الفيلم الموحدعبر مناطق واسعة.

• القدرة على ترسيب المركبات المعقدة، بما في ذلك السبائك والسيراميك.

• معلمات العملية القابلة للضبطللتحكم الدقيق في السُمك والتركيب والبنية الدقيقة.

• جودة الفيلم عاليةمع قوة التصاق قوية وقوة ميكانيكية.

• توافق واسع النطاق للموادمن المعادن إلى الأكاسيد والنتريدات.

• التشغيل في درجات حرارة منخفضة، مناسبة للركائز الحساسة لدرجة الحرارة.

3. الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (PECVD)

يستخدم PECVD على نطاق واسع لترسيب الأغشية الرقيقة مثل نتريد السيليكون (SiNx)، وثاني أكسيد السيليكون (SiO₂)، والسيليكون غير المتبلور.

مبدأ:

في نظام PECVD، يتم إدخال الغازات الأولية إلى غرفة التفريغ حيثبلازما التفريغ المتوهجيتم إنشاؤه باستخدام:

• إثارة الترددات الراديوية

• الجهد العالي المستمر

• مصادر الميكروويف أو النبضية

يقوم البلازما بتنشيط تفاعلات الطور الغازي، مما يؤدي إلى توليد أنواع تفاعلية تترسب على الركيزة لتكوين طبقة رقيقة.

خطوات الإيداع:

1. تكوين البلازما
   تتأين الغازات السابقة، المثارة بواسطة المجالات الكهرومغناطيسية، لتكوين الجذور والأيونات التفاعلية.

2. التفاعل والنقل
   تخضع هذه الأنواع لتفاعلات ثانوية أثناء تحركها نحو الركيزة.

3. تفاعل السطح
   عند وصولها إلى الركيزة، تمتصها وتتفاعل، وتشكل طبقة صلبة. وتنطلق بعض النواتج الثانوية على شكل غازات.

فوائد PECVD:

• توحيد ممتازفي تكوين الفيلم وسمكه.

• التصاق قويحتى في درجات حرارة الترسيب المنخفضة نسبيًا.

• معدلات ترسب عاليةمما يجعلها مناسبة للإنتاج على نطاق صناعي.

4. تقنيات توصيف الأغشية الرقيقة

يُعد فهم خصائص الأغشية الرقيقة أمرًا أساسيًا لمراقبة الجودة. تشمل التقنيات الشائعة ما يلي:

(1) حيود الأشعة السينية (XRD)

• غاية:تحليل البنية البلورية، وثوابت الشبكة، والتوجهات.

• مبدأ:بناءً على قانون براج، يقيس كيفية حيود الأشعة السينية عبر مادة بلورية.

• التطبيقات:علم البلورات، وتحليل الطور، وقياس الانفعال، وتقييم الأغشية الرقيقة.

(2) المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)

• غاية:راقب شكل السطح والبنية الدقيقة.

• مبدأيستخدم شعاعًا إلكترونيًا لمسح سطح العينة. تكشف الإشارات المكتشفة (مثل الإلكترونات الثانوية والمرتدة) تفاصيل السطح.

• التطبيقات:علم المواد، والتكنولوجيا النانوية، وعلم الأحياء، وتحليل الفشل.

(3) المجهر الذري للقوة (AFM)

• غاية:أسطح الصورة بدقة ذرية أو نانومترية.

• مبدأ:يقوم مسبار حاد بمسح السطح مع الحفاظ على قوة تفاعل ثابتة؛ وتعمل الإزاحات الرأسية على توليد تضاريس ثلاثية الأبعاد.

• التطبيقات:أبحاث البنية النانوية، وقياس خشونة السطح، والدراسات الجزيئية الحيوية.