Lắng đọng hơi hóa học

Sự phát triển epitaxy, thường được gọi là epitaxy, là một trong những quy trình quan trọng nhất trong việc chế tạo vật liệu và thiết bị bán dẫn. Cái gọi là sự phát triển epitaxy là quá trình phát triển một lớp màng đơn tinh thể trên chất nền đơn tinh thể trong những điều kiện nhất định; sự phát triển của màng đơn tinh thể này được gọi là lớp epitaxy. Công nghệ epitaxy xuất hiện vào đầu những năm 1960 trên cơ sở nghiên cứu màng mỏng đơn tinh thể silicon và đã phát triển gần nửa thế kỷ nay, người ta đã có thể hiện thực hóa nhiều loại màng bán dẫn trong những điều kiện nhất định bằng phương pháp phát triển epitaxy. Công nghệ epitaxy đã giải quyết nhiều vấn đề trong các linh kiện rời rạc và mạch tích hợp bán dẫn, cải thiện đáng kể hiệu suất của thiết bị. Màng epitaxy có thể kiểm soát chính xác hơn độ dày và đặc tính pha tạp của nó, đặc điểm này đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của mạch tích hợp bán dẫn, đưa nó lên một giai đoạn hoàn thiện hơn. Từ tinh thể đơn silicon được cắt lát, mài, đánh bóng và các kỹ thuật xử lý khác để thu được tấm đã được đánh bóng, người ta có thể chế tạo các linh kiện rời rạc và mạch tích hợp trên đó. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, tấm mỏng được đánh bóng này chỉ đóng vai trò như một giá đỡ cơ học cho chất nền, trong đó cần phải nuôi cấy trước một lớp màng đơn tinh thể với loại dẫn điện và điện trở suất phù hợp, sau đó mới sản xuất các linh kiện rời rạc hoặc mạch tích hợp trên màng đơn tinh thể đó. Phương pháp này được sử dụng, ví dụ, trong sản xuất các transistor silicon tần số cao, công suất cao, giải quyết mâu thuẫn giữa điện áp đánh thủng và điện trở nối tiếp. Cực góp của transistor yêu cầu điện áp đánh thủng cao, được xác định bởi điện trở suất của mối nối pn trên tấm silicon. Để đáp ứng yêu cầu này, cần có các vật liệu có điện trở cao. Người ta sử dụng vật liệu loại n được pha tạp nặng có điện trở thấp trên lớp màng mỏng loại n được pha tạp nhẹ có điện trở cao dày vài đến hàng chục micromet, sản xuất transistor trên lớp màng mỏng này, giải quyết được mâu thuẫn giữa điện áp đánh thủng cao cần thiết do điện trở suất cao và điện trở nối tiếp cực góp thấp cần thiết do điện trở suất chất nền thấp.

Phương pháp tăng trưởng epitaxy pha khí là ứng dụng sớm nhất trong lĩnh vực bán dẫn của một công nghệ tăng trưởng epitaxy hoàn thiện hơn, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học bán dẫn, góp phần to lớn vào chất lượng vật liệu và thiết bị bán dẫn cũng như việc cải thiện hiệu suất của chúng. Hiện nay, phương pháp quan trọng nhất để chế tạo màng epitaxy đơn tinh thể bán dẫn là lắng đọng hơi hóa học (CVD). CVD, hay còn gọi là lắng đọng hơi hóa học, là quá trình sử dụng các chất khí trên bề mặt rắn để thực hiện phản ứng hóa học, tạo ra các chất lắng đọng rắn. Công nghệ CVD có thể nuôi cấy các màng đơn tinh thể chất lượng cao, thu được loại pha tạp và độ dày epitaxy cần thiết, dễ dàng thực hiện sản xuất hàng loạt, và do đó đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Trong công nghiệp, tấm wafer epitaxy được chế tạo bằng CVD thường có một hoặc nhiều lớp chìm, có thể được sử dụng để kiểm soát cấu trúc thiết bị và phân bố pha tạp bằng khuếch tán hoặc cấy ion; các tính chất vật lý của lớp epitaxy CVD khác với vật liệu khối, và hàm lượng oxy và carbon của lớp epitaxy thường rất thấp, đó là ưu điểm của nó. Tuy nhiên, lớp màng mỏng CVD dễ bị tự pha tạp, trong các ứng dụng thực tế cần phải có những biện pháp nhất định để giảm thiểu hiện tượng tự pha tạp trong lớp màng mỏng. Công nghệ CVD vẫn còn ở một số khía cạnh trong giai đoạn thử nghiệm, cần nghiên cứu sâu hơn để tiếp tục phát triển công nghệ CVD.

Cơ chế tăng trưởng CVD rất phức tạp, trong phản ứng hóa học thường bao gồm nhiều thành phần và chất khác nhau, có thể tạo ra một số sản phẩm trung gian, và có nhiều biến số độc lập, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng khí, v.v., quá trình epitaxy có nhiều bước qua lại liên tiếp, cùng nhau phát triển và cải thiện. Quá trình epitaxy có nhiều bước kế tiếp, cùng nhau mở rộng và hoàn thiện. Để phân tích quá trình và cơ chế tăng trưởng epitaxy CVD, trước hết, cần làm rõ độ hòa tan của các chất phản ứng trong pha khí, áp suất riêng phần cân bằng của các loại khí khác nhau, làm rõ các quá trình động học và nhiệt động học; sau đó hiểu được sự vận chuyển khối lượng của các khí phản ứng từ pha khí đến bề mặt chất nền, sự hình thành lớp ranh giới của dòng khí và bề mặt chất nền, sự phát triển của nhân, cũng như các phản ứng bề mặt, khuếch tán và di chuyển, và do đó cuối cùng tạo ra màng mong muốn. Trong quá trình tăng trưởng CVD, sự phát triển và tiến trình của lò phản ứng đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn chất lượng của lớp epitaxy. Hình thái bề mặt của lớp màng mỏng kết tinh, các khuyết tật mạng tinh thể, sự phân bố và kiểm soát tạp chất, độ dày và tính đồng nhất của lớp màng mỏng kết tinh ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và năng suất của thiết bị.

–Bài viết này được phát hành bởiNhà sản xuất máy phủ chân khôngQuảng Đông Chấn Hoa