Tinjauan Komprehensif Teknik Deposisi Lapisan Tipis: MOCVD, Magnetron Sputtering, dan PECVD

Dalam manufaktur semikonduktor, meskipun fotolitografi dan etsa merupakan proses yang paling sering disebutkan, teknik epitaksial atau deposisi lapisan tipis juga sama pentingnya. Artikel ini memperkenalkan beberapa metode deposisi lapisan tipis yang umum digunakan dalam fabrikasi chip, termasuk:MOCVD, penyemprotan magnetron, DanPECVD.

Mengapa Proses Lapisan Tipis Penting dalam Pembuatan Chip?

Sebagai ilustrasi, bayangkan roti pipih panggang biasa. Rasanya mungkin hambar jika dimakan begitu saja. Namun, dengan mengoleskan berbagai saus—seperti pasta kacang gurih atau sirup malt manis—pada permukaannya, Anda dapat mengubah rasanya sepenuhnya. Lapisan penguat rasa ini mirip denganlapisan tipisdalam proses semikonduktor, sementara roti pipih itu sendiri mewakilisubstrat.

Dalam fabrikasi chip, film tipis memiliki banyak peran fungsional—isolasi, konduktivitas, pasivasi, penyerapan cahaya, dll.—dan setiap fungsi memerlukan teknik deposisi spesifik.

1. Deposisi Uap Kimia Organik Logam (MOCVD)

MOCVD adalah teknik yang sangat canggih dan presisi yang digunakan untuk deposisi lapisan tipis semikonduktor dan nanostruktur berkualitas tinggi. Teknik ini memainkan peran penting dalam fabrikasi perangkat seperti LED, laser, dan elektronika daya.

Komponen Utama Sistem MOCVD:

• Sistem Pengiriman Gas
  Bertanggung jawab atas pemasukan reaktan yang tepat ke dalam ruang reaksi. Ini mencakup kontrol aliran:

• Gas pembawa

• Prekursor logam-organik

• Gas hidrida
  Sistem ini dilengkapi katup multi-arah untuk beralih antara mode pertumbuhan dan pembersihan.

• Ruang Reaksi
  Inti sistem tempat pertumbuhan material yang sesungguhnya terjadi. Komponen-komponennya meliputi:

  • Suseptor grafit (pemegang substrat)

  • Sensor pemanas dan suhu

  • Port optik untuk pemantauan in-situ

  • Lengan robot untuk pemuatan/pembongkaran wafer otomatis

• Sistem Pengendalian Pertumbuhan
  Terdiri dari pengontrol logika terprogram dan komputer induk. Ini memastikan pemantauan yang presisi dan pengulangan di seluruh proses deposisi.

• Pemantauan In-situ
  Alat seperti pirometer dan reflektometer mengukur:

  • Ketebalan film

  • Suhu permukaan

  • Kelengkungan substrat
    Ini memungkinkan umpan balik dan penyesuaian secara real-time.

• Sistem Pengolahan Pembuangan
  Mengolah produk sampingan beracun menggunakan dekomposisi termal atau katalisis kimia untuk memastikan keselamatan dan kepatuhan lingkungan.

Konfigurasi Kepala Pancuran Tertutup (CCS):

Pada reaktor MOCVD vertikal, desain CCS memungkinkan gas diinjeksikan secara merata melalui nosel bergantian dalam struktur kepala pancuran. Hal ini meminimalkan reaksi prematur dan meningkatkan pencampuran yang merata.

• Itususceptor grafit berputarselanjutnya membantu menghomogenkan lapisan batas gas, meningkatkan keseragaman film di seluruh wafer.

2. Penyemprotan Magnetron

Sputtering magnetron merupakan metode deposisi uap fisik (PVD) yang digunakan secara luas untuk mendepositkan film tipis dan pelapis, khususnya dalam bidang elektronik, optik, dan keramik.

Prinsip Kerja:

1. Bahan Sasaran
   Bahan sumber yang akan diendapkan—logam, oksida, nitrida, dsb.—dipasang pada katode.

2. Ruang Vakum
   Proses ini dilakukan dalam vakum tinggi untuk menghindari kontaminasi.

3. Pembangkit Plasma
   Gas inert, biasanya argon, diionisasi untuk membentuk plasma.

4. Aplikasi Medan Magnet
   Medan magnet membatasi elektron di dekat target untuk meningkatkan efisiensi ionisasi.

5. Proses Sputtering
   Ion membombardir target, melepaskan atom-atom yang bergerak melalui ruang dan mengendap pada substrat.

Keuntungan dari Magnetron Sputtering:

• Deposisi Film Seragamdi area yang luas.

• Kemampuan untuk Mendepositkan Senyawa Kompleks, termasuk logam paduan dan keramik.

• Parameter Proses yang Dapat Disesuaikanuntuk pengendalian ketebalan, komposisi, dan mikrostruktur secara tepat.

• Kualitas Film Tinggidengan daya rekat dan kekuatan mekanis yang kuat.

• Kompatibilitas Material yang Luas, dari logam hingga oksida dan nitrida.

• Operasi Suhu Rendah, cocok untuk substrat yang sensitif terhadap suhu.

3. Deposisi Uap Kimia yang Ditingkatkan Plasma (PECVD)

PECVD banyak digunakan untuk pengendapan film tipis seperti silikon nitrida (SiNx), silikon dioksida (SiO₂), dan silikon amorf.

Prinsip:

Dalam sistem PECVD, gas prekursor dimasukkan ke dalam ruang vakum di manaplasma pelepasan pijardihasilkan menggunakan:

• Eksitasi RF

• Tegangan tinggi DC

• Sumber gelombang mikro atau pulsa

Plasma mengaktifkan reaksi fase gas, menghasilkan spesies reaktif yang mengendap pada substrat untuk membentuk lapisan tipis.

Langkah-langkah Deposisi:

1. Pembentukan Plasma
   Dirangsang oleh medan elektromagnetik, gas prekursor terionisasi membentuk radikal dan ion reaktif.

2. Reaksi dan Transportasi
   Spesies ini mengalami reaksi sekunder saat bergerak menuju substrat.

3. Reaksi Permukaan
   Setelah mencapai substrat, mereka menyerap, bereaksi, dan membentuk lapisan padat. Beberapa produk sampingan dilepaskan sebagai gas.

Manfaat PECVD:

• Keseragaman yang Sangat Baikdalam komposisi dan ketebalan film.

• Daya Rekat Kuatbahkan pada suhu pengendapan yang relatif rendah.

• Tingkat Deposisi Tinggi, membuatnya cocok untuk produksi skala industri.

4. Teknik Karakterisasi Lapisan Tipis

Memahami sifat-sifat lapisan tipis sangat penting untuk pengendalian kualitas. Teknik-teknik umum meliputi:

(1) Difraksi Sinar-X (XRD)

• Tujuan: Menganalisis struktur kristal, konstanta kisi, dan orientasi.

• Prinsip:Berdasarkan Hukum Bragg, mengukur bagaimana sinar X terdifraksi melalui bahan kristal.

• Aplikasi: Kristalografi, analisis fase, pengukuran regangan, dan evaluasi lapisan tipis.

(2) Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM)

• Tujuan: Amati morfologi permukaan dan mikrostruktur.

• Prinsip: Menggunakan berkas elektron untuk memindai permukaan sampel. Sinyal yang terdeteksi (misalnya, elektron sekunder dan elektron hamburan balik) mengungkap detail permukaan.

• Aplikasi:Ilmu material, nanoteknologi, biologi, dan analisis kegagalan.

(3) Mikroskop Gaya Atom (AFM)

• Tujuan: Permukaan gambar pada resolusi atom atau nanometer.

• Prinsip: Sebuah probe tajam memindai permukaan sambil mempertahankan gaya interaksi yang konstan; perpindahan vertikal menghasilkan topografi 3D.

• Aplikasi: Penelitian nanostruktur, pengukuran kekasaran permukaan, studi biomolekuler.