تبخیر شیمیایی برای تهیه لایه های بسیار خالص به کار می رود و به طور گسترده ای در فن‌آوری نیمه رساناها استفاده...                                   .


انباشت به روش تبخیر شیمیایی   CVD: Chemical Vapor Deposition

تبخیر شیمیایی برای تهیه لایه های بسیار خالص به کار می رود و به طور گسترده ای در فن‌آوری نیمه رساناها استفاده می شود. گستره وسیعی از مواد شامل دی الکتریک ها، مواد تک کریستالی سیلیکن، مواد پلیمری و مواد فلزی با این روش قابل لایه نشانی می باشند.
از قدیمی ترین کاربردها می 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 می 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، بین آنها واکنش صورت می گیرد. البته به دلیل ماهیت بعضی از گازها در ایجاد محصولات سمی و یا خورنده در خلال فرآیند انباشت،  می بایست در انتخاب گازهای مورد نظر توجه بسیاری انجام داد.
عمده واکنش های انجام شده در تبخیر شیمیایی عبارتند از:
1- تجزیه                                                                           
2- ترکیب                                                                                  
3- هیدرولیز                                            
4- اکسیداسیون                                                   
5- احیا                                                                  
در جدول 1،چند مثال از این واکنش ها آمده است.  
جدول 1: واکنش های متداول در لایه نشانی تبخیرشیمیایی 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، نمای شماتیک از یک سیستم CVD صنعتی را نشان می دهد. مخلوط گاز(که شامل گازهای احیا مانند هیدروژن، گاز خنثی مانند آرگن، گازهای واکنشی از قبیل هالیدهای فلزی و هیدرو کربن و نیز گازهایی مانند  می 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  

شرایط فشار و درجه حرارت سامانه برای بعضی 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 این حالت  می بایست تجهیزات پمپ را از گازهای خورنده و همچنین گرمای زیاد محافظت نمود.
علاوه بر واکنش های اصلی، ممکن است واکنش های فرعی دیگری نیز در داخل راکتور رخ دهد و در نتیجه آن محصولات ناخواسته ای بدست آیدکه گاهی موجب بروز مشکلاتی در فرآیند لایه نشانی می شود.
به عنوان مثال، مطابق شکل2، برای تشکیل لایه نازکSiO2 ، از واکنش گاز SiH4 و گاز اکسیژن داخل راکتور استفاده می شود. مشاهده می شود که علاوه برلایه نازکSiO2 ،گاز هیدروژن نیز تولید شده است که به عنوان محصول ناخواسته بوده و در نهایت به سمت خارج راکتور رانده می شود.
 
   

شکل(2): تشکیل لایه روی زیرلایه در روش لایه نشانی شیمیایی 
                                             
یکی از موارد قابل توجه در روش لایه نشانی تبخیرشیمیایی، ماهیت گازها و یا بخار مواد مورد استفاده در راکتور می باشد. از آن جمله می توان به سمی بودن، اشتعال پذیری و یا خورنده بودن بعضی از این گازها اشاره داشت. این موجب بروز مشکلات مختلف در لایه نشانی و همچنین داخل راکتورمی شود.  جدول 3، متداول ترین گاز های مورد استفاده در این سامانه ها را نشان می دهد. 
در حالت کلی می توان یک سامانهCVD ، را در سه بخش اصلی خلاصه نمود:
1- سیستم توزیع گاز
2- راکتور
3- سیستم تخلیه
سیستم های اولیه لایه نشانی تبخیری شیمیایی، همان طور که در شکل 3، نشان داده شده است، به شکل 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 ماهیت گازهای متداول در لایه نشانی تبخیری شیمیایی

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، لایه نشانی یک نمونه فرضی 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 هایی 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.
لایه نشانی تبخیری شیمیایی نیز مانند دیگر روش ها دارای مزایا و معایب مختلف می باشد. در اینجا
مزایا و معایب روش های  مختلف CVD به اختصار آمده است:

 الف) مزایای روش های تبخیر شیمیایی
- امکان ایجاد لایه های اپی تکسی بسیارکامل و بسیارخالص در این روش وجود دارد.
- با توجه به ماهیت واکنش ها، لایه نشانی روی زیرلایه های حفره دار هم به خوبی قابل انجام است. - ضخامت لایه یکنواخت و مستقل از شکل بستر است.
- سرعت لایه نشانی نسبتاً بالاست. (nm/s  100-10)
- چسبندگی آن بهتر از روش های فیزیکی است .
- این روش برای لایه نشانی های چندلایه ای، بسیار مناسب است.
 - فرآیند را در فشار معمول می توان کنترل نمود . 

 ب) معایب روش های تبخیر شیمیایی
- با توجه به این که واکنش های قابل قبول در درجه حرارت های پایین به ندرت قابل انجام است، لذا در این روش، انجام واکنش ها نیاز به درجه حرارت بالایی دارد که این موجب ایجاد تنش های حرارتی می شود که یک عامل منفی روی لایه و زیرلایه قلمداد می شود.
- در بعضی واکنش های لایه نشانی به دلیل استفاده از بخارهای خورنده امکان تخریب زیرلایه وجود دارد.
- کنترل واکنش ها و در نتیجه کنترل یکنواختی بسیار مشکل است.
- جزئیات ترمودینامیک در این روش بسیار پیچیده و کنترل آنها گاهی بسیار سخت می شود.
- امکان بروز واکنش های ناخواسته در این روش وجود دارد که گاهی ممکن است موجب اشکالات جدی در لایه نشانی و یا داخل راکتور شود.
- امکان وجود خطر انفجار هیدروژنی در راکتور وجود دارد.
- اکثر مواد واکنش دهنده گران هستند.
موارد فوق الذکر به عنوان موارد کلی لایه نشانی شیمیایی می باشد. ولی همان طور که دیدیم روش لایه نشانی تبخیر شیمیایی خود به صورت های مختلفی انجام می شود که متناسب با دقت مورد نیاز، نوع مواد هدف و محدودیت های مورد نظر انتخاب می شوند.

جدول 3 مشخصات کلی متداول ترین روش های تبخیر شیمیایی را نشان می 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