Chemical Vapor Deposition

انباشت به روش تبخیر شيميايي CVD: Chemical Vapor Deposition

تبخیر شیمیایی براي تهيه لايه هاي بسيار خالص به كار مي رود و به طور گسترده اي در فن‌آوري نيمه رساناها استفاده مي شود. گستره وسيعي از مواد شامل دی الکتریک ها، مواد تک کریستالی سیلیکن، مواد پلیمری و مواد فلزی با این روش قابل لایه نشانی مي باشند.
از قدیمی ترین کاربردها مي توان به ساخت رنگ دانه اشاره نمود. پودرهای TiO2 ، SiO2 ، Al2O3 ، Si3N4 و کربن سیاه به صورت روتین با روش CVD ساخته می شود.
به خاطر ماهیت CVD ، این روش برای انباشت فلزات خیلی خالص مورد استفاده قرار می گیرد. در لایه نشانی به روش شیمیایی مانند روش های فیزیکی پارامترهای متعددی بر کیفیت لایه تأثیر می گذارند. از مهم ترین آنها می توان به مواردی از قبیل دمای زیرلایه، غلظت مواد واکنش، فشار گاز و آهنگ جریان گاز اشاره نمود.
از نظر مقدار فشار، واکنش های شیمیایی ممکن است در فشار اتمسفر Atmospheric Pressure CVD موسوم به APCVD و یا در یک فشار پایین Low Pressure CVD موشوم به LPCVD(در حدود 0.2 تا20 تور) و حتی در خلأ فرازیادHigh Pressure CVD :HVCVD انجام شوند.
مهم ترین بخش این فرآیند واکنش های شیمیایی مي باشند که بین گازهای چشمه رخ می دهند و در نتیجه این واکنش ها، ماده جامد مورد نظر روی سطح زیرلایه ایجاد می شود. واکنش های شیمیایی ممکن است در اثر گرما (CVD )، انرژی RF :PECVD و یا بوسیله نور (PHCVD ) باشد .
در این فرآیند معمولاً یک یا چند گاز در فشار پایین وارد راکتور شده و در نتیجه تحت شرایط کنترل شده، در روی سطح و یا نزدیک زیرلایه، بين آنها واکنش صورت می گیرد. البته به دلیل ماهیت بعضی از گازها در ايجاد محصولات سمي و يا خورنده در خلال فرآيند انباشت، مي بايست در انتخاب گازهاي مورد نظر توجه بسياري انجام داد.
عمده واکنش های انجام شده در تبخیر شيميايي عبارتند از:
1- تجزيه
2- تركيب
3- هيدروليز
4- اكسيداسيون
5- احيا
در جدول 1،چند مثال از اين واكنش ها آمده است.
جدول 1: واكنش هاي متداول در لايه نشاني تبخيرشيميايي تجزیه هیدرولیز اکسیداسیون احیا

ساختار سامانه CVD
یک سیستم مدرن CVD شامل یک سیستم اندازه گیری و کنترلی برای مخلوطی مشخص از گازهای حامل و واکنشی، یک محفظه واکنش گرم شده و یک سیستم برای فعل و انفعالات و دفع گازهای خروجی است. شکل 1، نماي شماتیک از يك سیستم CVD صنعتی را نشان می دهد. مخلوط گاز(که شامل گازهای احيا مانند هیدروژن، گاز خنثي مانند آرگن، گازهای واکنشی از قبیل هالیدهای فلزی و هیدرو کربن و نيز گازهايي مانند مي باشد) به داخل محفظه واکنش حمل شده و تحت گرمای مناسب گرم می شود.

شکل1: قسمت های مختلف CVD که در فشار اتمسفر کار می کند: 1- راکتور 2- هیترها 3- محفظه واکنش 4- فلنج خنک شده با آب 5- کنترلر توان 6- گیج فشار 7- سنسور دما و کنترلر 8 ،10 و 11 - منبع گازها(چشمه های مورد نیاز) 9- منبع فلزبخار کننده(به صورت مایع) 12 و 13- تصفیه گاز 14- گیج نرخ گاز 15- شیر کنترل کننده نرخ 16- رگولاتور کپسول های گاز 17- نگهدارنده زیرلایه 18- زیرلایه

شرايط فشار و درجه حرارت سامانه براي بعضي از گازها در جدول2 نشان داده شده است.

جدول2: پارامترهای متداول در یک فرآیند CVD

همه سیستم های CVD به مکانیزمی برای کنترل نمودن محصولات حاصل از واکنش ها احتیاج دارند. این محصولات شامل اجزاء مختلف واکنشی و مواد خطرناک است که می بایست قبل از اینکه به سمت بیرون خارج شوند، در یک قسمت گیر افتاده و خنثی شوند. علاوه بر این، بسیاری از فرآیندهای CVD در فشار کمتر از اتمسفر انجام می شوند و در اين حالت می بایست تجهیزات پمپ را از گازهای خورنده و همچنین گرمای زیاد محافظت نمود.
علاوه بر واکنش هاي اصلي، ممکن است واکنش های فرعی دیگری نیز در داخل راکتور رخ دهد و در نتیجه آن محصولات ناخواسته ای بدست آيدكه گاهي موجب بروز مشكلاتي در فرآيند لايه نشاني مي شود.
به عنوان مثال، مطابق شکل2، براي تشكيل لایه نازکSiO2 ، از واكنش گاز SiH4 و گاز اکسیژن داخل راکتور استفاده مي شود. مشاهده مي شود كه علاوه برلایه نازکSiO2 ،گاز هیدروژن نیز توليد شده است که به عنوان محصول ناخواسته بوده و در نهايت به سمت خارج راکتور رانده می شود.

شکل(2): تشکیل لایه روی زیرلایه در روش لایه نشانی شیمیایی

يكي از موارد قابل توجه در روش لايه نشاني تبخيرشيميايي، ماهيت گازها و يا بخار مواد مورد استفاده در راكتور مي باشد. از آن جمله مي توان به سمي بودن، اشتعال پذيري و يا خورنده بودن بعضي از اين گازها اشاره داشت. اين موجب بروز مشكلات مختلف در لايه نشاني و همچنين داخل راكتورمي شود. جدول 3، متداول ترين گاز هاي مورد استفاده در اين سامانه ها را نشان مي دهد.
در حالت کلی مي توان يك سامانهCVD ، را در سه بخش اصلي خلاصه نمود:
1- سیستم توزیع گاز
2- راکتور
3- سیستم تخلیه
سیستم های اوليه لایه نشانی تبخیری شیمیایی، همان طور كه در شکل 3، نشان داده شده است، به شكل کوره لوله ای افقی ساخته می شد. مطابق شکل، دراین نوع کوره ها،از سه المان گرمایی در سه ناحیه مختلف محفظه برای گرم کردن کوره استفاده می شد. از طرف دیگر یک بخش کنترل، دمای این سه ناحیه گرم شده را کنترل می کند تا در نهایت دمای کوره تنظیم گردد و در نتیجه دمای یکنواخت تری در کل کوره داشته باشیم.
درکوره های افقی یکنواختی دما در⁰ 0.5 ±1200 سانتی گراد نیز بدست آمده است. هر چند معمولاً واکنش ها در دماهای پایین تری مورد نظر است.
همانند دما، فشار داخل کوره نیز در چند قسمت کنترل می شود. سیستم کنترل فشار اجازه می دهد که میزان فشار داخل محفظه خلأ به صورت مستقل از جریان گاز تنظیم شود. در این سیستم ها با استفاده از چند شیرMFC: Mass Flow Control ، مقدار و نرخ گازها کنترل می شود. امروزه کلیه کمیت ها از قبیل درجه حرارت، فشار و جریان گاز به کمک کامپیوترکنترل می شود.

شکل(3): سیستم لایه نشانی شیمیایی با کوره افقی

جدول 3 ماهيت گازهاي متداول در لايه نشاني تبخيري شيميايي

خنثی	N₂	Nitrogrn	خنثی	Ar	Argon
اکسیدکننده	N₂O	Nitrogrn Oxide	سمی	AsH₃	Arsine
اکسیدکننده	O₂	Oxygen	سمی، اشتعال پذیر	B₂H₆	Diborane
سمی، خورنده	PH₃	Phosphine	اشتعال پذیر	H₂	Hydrogen
سمی، خورنده	SiH₄	Silane	سمی، خورنده	HCL	Hydrogen chloride

برای نمونه، لايه نشاني يك نمونه فرضي را در یک محفظه تک ویفری(زیرلایه) که برای لایه نشانی های زیر میکرونی استفاده می شود، مورد توجه قرار می دهیم:
ابتدا ویفر داخل سیستم قرار داده شده و سپس محفظه توسط پمپ های خلأ، تخلیه می شود. در این حال لامپ های گرمایی که در زیر ویفر قرار دارند، روشن شده و گرما به سمت بالا و زیر ویفر هدایت می شود. در ادامه گازها از بالای محفظه وارد شده و به سمت پایین جریان می یابند و از طریق سوراخ هايی به سمت زیرلایه توزیع می شوند. گازها روی ویفری که در حال گرم شدن است واکنش داده و لایه مورد نظر تشکیل می شود. دیوارهای محفظه برای جلوگیری از تشکیل لایه روی آنها، خنک نگه داشته شده و در نتیجه، ذرات جذب شده به کمترین مقدار می رسند.
چنین روش هایی معمولاً ساده هستند. در لایه نشانی شیمیایی، لایه های بدست آمده دارای یکنواختی عالی می باشند. مهم ترین مسأله در این فرآیند، دمای بالا( بیش از 600 درجه سانتیگراد) و آهنگ انباشت پایین است.
در دهه های اخیر روش های متفاوتی از جمله سیستم با درجه حرارت میانی Moderate Temperature CVD موسوم به MTCVD،استفاده از پلاسما Plasma Enhanced CVD موسوم به PECVD، و اخیراً استفاده از لیزر (LASER CVD ) مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است.
درMTCVD ، با استفاده از ترکیبات آلی - فلز به عنوان پیش ماده درجه حرارت تا 850 درجه سانتی گراد کاهش می یابد که در این شرایط به تکنیک Metal Organic CVD و یا MOCVD معروف است.
لايه نشاني تبخيري شيميايي نيز مانند ديگر روش ها داراي مزايا و معايب مختلف مي باشد. در اينجا
مزايا و معايب روش هاي مختلف CVD به اختصار آمده است:

الف) مزاياي روش هاي تبخير شيميايي
- امکان ایجاد لایه های اپی تکسی بسیارکامل و بسیارخالص در اين روش وجود دارد.
- با توجه به ماهیت واکنش ها، لایه نشانی روی زیرلایه های حفره دار هم به خوبی قابل انجام است. - ضخامت لايه يكنواخت و مستقل از شكل بستر است.
- سرعت لايه نشاني نسبتاً بالاست. (nm/s 100-10)
- چسبندگي آن بهتر از روش هاي فيزيكي است .
- اين روش براي لایه نشانی های چندلایه اي، بسيار مناسب است.
- فرآيند را در فشار معمول مي توان كنترل نمود .

ب) معايب روش هاي تبخير شيميايي
- با توجه به اين كه واكنش هاي قابل قبول در درجه حرارت هاي پايين به ندرت قابل انجام است، لذا در اين روش، انجام واکنش ها نياز به درجه حرارت بالایی دارد که این موجب ایجاد تنش های حرارتی مي شود كه يك عامل منفي روي لايه و زيرلايه قلمداد مي شود.
- در بعضی واکنش های لايه نشاني به دليل استفاده از بخارهاي خورنده امكان تخریب زيرلايه وجود دارد.
- كنترل واکنش ها و در نتیجه کنترل يكنواختي بسيار مشكل است.
- جزئيات ترموديناميك در اين روش بسيار پيچيده و کنترل آنها گاهی بسیار سخت می شود.
- امکان بروز واكنش های ناخواسته در اين روش وجود دارد که گاهی ممکن است موجب اشکالات جدی در لایه نشانی و یا داخل راکتور شود.
- امکان وجود خطر انفجار هيدروژني در راكتور وجود دارد.
- اكثر مواد واكنش دهنده گران هستند.
موارد فوق الذكر به عنوان موارد كلي لايه نشاني شيميايي مي باشد. ولي همان طور كه ديديم روش لايه نشاني تبخير شيميايي خود به صورت هاي مختلفي انجام مي شود كه متناسب با دقت مورد نياز، نوع مواد هدف و محدوديت هاي مورد نظر انتخاب مي شوند.

جدول 3 مشخصات كلي متداول ترين روش هاي تبخير شيميايي را نشان مي دهد.

*	APCVD	LPCVD	MOCVD	PECVD
مزایا	ساده، آهنگ انباشت بالا، ارزان	یکنواختی عالی، خلوص بالا	قابل استفاده برای فلزات، نیمرساناها و دی الکتریک ها	دمای کم برای انجام لایه نشانی چسبندگی بالا
معایب	یکنواختی کمتر، خلوص کمتر	آهنگ انباشت پایین	بسیارسمی، گران قیمت	پلاسما گاهی موجب تخریب لایه و حتی نمونه می شود
کاربرد عمده	لایه های اکسیدی ضخیم	لایه نشانی دی الکتریک ها، پلی سیلیکن	ساخت LED ، دیود لیزرها، نیمرساناها	لایه نشانی دی الکتریک

منبع : کتاب مبانی لایه نشانی و آنالیز نانو ساختار تالیف آقای جهانبخش مشایخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی

فیلم آموزشی در مورد روش تبخیر شیمیایی

مطالب بیشتر ...توسط آقای مهندس ابوالحسن علیمرادی

مبانی لایه نشانی شیمیایی

آنالیزهای سطح و لایه   نازک

برهم کنش بین ذرات باردار با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو ایکس با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو نور با    لایه نازک

میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری    TEM

میکروسکوپ پروبی روبشی    SPM

میکروسکوپ پروبی روبشی    AFM

میکروسکوپ روبشی تونلینگ    STM

آنالیز سطح و لایه به روش SIMS

آنالیز سطح و لایه به روش    RBS

آنالیز سطح و لایه به روش    XRD

آنالیز سطح و لایه به روش    XPS

آنالیزطیفی به روش بیضی سنجی

آنالیزطیفی به روش اسپکتروفتومتر

لایه نشانی و پارامترهای آن

ساختار    تشکیل       لایه

روش تفنگ الکترونی E_Beam Gun

روش تبخیر مقاومتی    Resistant Ev

روش کندوپاش       Sputtering

لایه نشانی به روش لیرزی    PLD

لایه نشانی به روش       MBE

لایه نشانی شیمیایی       CVD

لایه نشانی شیمیایی        PECVD

لایه نشانی شیمیایی     MOCVD

درباره                            خلاء

پمپ روتاری    Rotary Pump

پمپ توربومولکولارTurbomolecular

پمپ کرایوجنیک Cryojenic Pump

پمپ دیفیوژن    Diffusion Pump

تاریخچه فشارسنج های نخستین

فشارسنجهای محدوده خلاء پایین

فشارسنج یونی کاتد سرد و گرم

کنترل ضخامت

ضخامت سنجی اپتیکی

ضخامت سنجی کریستالیQCM