فهم تقنية تحضير الأغشية (MOCVD، الرش المغنطيسي، PECVD)

 

 

 

ستقدم هذه المقالة عدة طرق لتصنيع الأغشية الرقيقة. في معالجة أشباه الموصلات، التقنيات الأكثر ذكرًا هي الطباعة الحجرية والنقش، تليها عملية النمو البلوري (الغشاء).

 

لماذا تعتبر تقنية الأغشية الرقيقة ضرورية في تصنيع الرقائق؟

 

على سبيل المثال، في الحياة اليومية، يستمتع الكثير من الناس بتناول الفطائر. إذا لم يتم تتبيل فطيرة مربعة الشكل وخبزها، فلن يكون لها أي نكهة ولن يكون الملمس جيدًا. يفضل بعض الناس المذاق المالح، لذلك يضعون طبقة من معجون الفول على سطح الفطيرة. يفضل آخرون المذاق الحلو، لذلك يضعون طبقة من سكر الشعير على السطح.

 

بعد وضع الصلصة، تكون طبقة الصلصة المالحة أو الحلوة على سطح الفطيرة مثل الغشاء. وجودها يغير طعم الفطيرة بأكملها، والفطيرة نفسها تسمى القاعدة.

 

بالطبع، أثناء معالجة الرقائق، هناك أنواع عديدة من وظائف الأغشية، وتختلف أيضًا طرق تحضير الأغشية المقابلة. في هذه المقالة، سنقدم بإيجاز عدة طرق شائعة لتحضير الأغشية، بما في ذلك MOCVD، والرش المغنطيسي، و PECVD، وما إلى ذلك...

 

 

أولاً.الترسيب الكيميائي للبخار العضوي للمعادن (MOCVD)

 

 

نظام النمو البلوري MOCVD هو جهاز معقد ومتطور للغاية، والذي يلعب دورًا حاسمًا في تحضير أغشية أشباه الموصلات والهياكل النانوية عالية الجودة.

 

يتكون نظام MOCVD من خمسة مكونات أساسية، يؤدي كل منها وظائف متميزة ولكنها مترابطة، مما يضمن بشكل جماعي كفاءة وسلامة عملية نمو المواد.

 

1.1 نظام نقل الغاز:المسؤولية الرئيسية لهذا النظام الفرعي هي التحكم بدقة في توصيل المتفاعلات المختلفة إلى غرفة التفاعل، بما في ذلك قياس المتفاعلات، وتوقيت وتسلسل توصيلها، بالإضافة إلى تنظيم معدل تدفق الغاز الكلي.

 

يتكون من عدة أنظمة فرعية، بما في ذلك نظام إمداد الغاز لحمل المتفاعلات، ونظام الإمداد لتوفير مصادر عضوية معدنية (MO)، ونظام الإمداد لتوفير الهيدريدات، وصمام النمو / التهوية المتعدد للتحكم في اتجاه تدفق الغاز. كما هو موضح في الشكل أدناه، إنه الرسم التخطيطي لمسار الغاز لنظام نمو MOCVD.

 

 

 

نظام AIXTRON CCS 3 x 2" Research-grade Nitride MOCVD

 

 

 

الرسم التخطيطي لمسار الغاز لنظام MOCVD

 

1.2 نظام غرفة التفاعل:هذا هو المكون الأساسي لنظام MOCVD، وهو مسؤول عن عملية نمو المواد الفعلية.

 

يتضمن هذا القسم قاعدة جرافيت لدعم الركيزة، وسخان لتسخين الركيزة، ومستشعر درجة حرارة لمراقبة درجة حرارة بيئة النمو، ونافذة كشف بصرية، وروبوت تحميل وتفريغ أوتوماتيكي للتعامل مع الركيزة. يستخدم الأخير لأتمتة عملية التحميل والتفريغ، وبالتالي تحسين كفاءة الإنتاج. يوضح الشكل أدناه مخطط حالة التسخين لغرفة مفاعل MOCVD.

 

 

 

الرسم التخطيطي لمبدأ النمو داخل الغرفة لـ MOCVD

 

1.3 نظام التحكم في النمو:يتكون من وحدة تحكم قابلة للبرمجة وجهاز كمبيوتر للتحكم، وهو مسؤول عن التحكم الدقيق ومراقبة عملية نمو MOCVD بأكملها.

 

تتحمل وحدة التحكم مسؤولية جمع ومعالجة وإخراج الإشارات المختلفة، بينما يتحمل جهاز الكمبيوتر للتحكم مسؤولية تسجيل ومراقبة كل مرحلة من مراحل نمو المواد، مما يضمن استقرار العملية وقابليتها للتكرار.

 

 

 

1.4 نظام المراقبة في الموقع:يتكون من مقاييس حرارة الأشعة تحت الحمراء المصححة للانعكاس، ومعدات مراقبة الانعكاس، وأجهزة مراقبة الاعوجاج.

 

يمكن لهذا النظام مراقبة المعلمات الرئيسية أثناء عملية نمو المواد في الوقت الفعلي، مثل سمك الغشاء وتوحيده، بالإضافة إلى درجة حرارة الركيزة. وبالتالي، فإنه يتيح إجراء تعديلات وتحسينات فورية لعملية النمو.

 

 

1.5 نظام معالجة غاز العادم:مسؤول عن التعامل مع الجسيمات والغازات السامة المتولدة أثناء عملية التفاعل.

 

عن طريق وسائل مثل التكسير أو التحفيز الكيميائي، يمكن تحليل هذه المواد الضارة وامتصاصها بشكل فعال، مما يضمن سلامة بيئة التشغيل والامتثال لمعايير حماية البيئة.

 

علاوة على ذلك، يتم تثبيت معدات MOCVD عادةً في غرف فائقة النظافة مجهزة بأنظمة إنذار أمان متقدمة، وأجهزة تهوية فعالة، وأنظمة تحكم صارمة في درجة الحرارة والرطوبة. لا تضمن هذه المرافق المساعدة وتدابير السلامة سلامة المشغلين فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين استقرار عملية النمو وجودة المنتجات النهائية.

 

يعكس تصميم وتشغيل نظام MOCVD المعايير العالية للدقة والتكرار والسلامة المطلوبة في مجال تصنيع مواد أشباه الموصلات. إنها واحدة من التقنيات الرئيسية لتصنيع الأجهزة الإلكترونية والكهرضوئية عالية الأداء.

 

يستخدم نظام رأس الرش الرأسي المقترن عن قرب (Closed-Coupled-Showerhead، CCS) MOCVD في غرفة المعدات لزراعة الأغشية البلورية.

 

تم تصميم هذا النظام بهيكل رأس رش فريد من نوعه. تكمن ميزته الأساسية في القدرة على تقليل التفاعلات المسبقة بشكل فعال وتحقيق خلط غاز فعال. يتم حقن هذه الغازات في غرفة التفاعل من خلال ثقوب الرش المتشابكة الموجودة على رأس الرش، حيث تختلط بالكامل وبالتالي تحسين توحيد وكفاءة التفاعل.

 

يتيح تصميم هيكل رأس الرش توزيع غاز التفاعل بالتساوي على الركيزة الموجودة أسفله، مما يضمن اتساق تركيز غاز التفاعل في جميع المواقع على الركيزة. هذا أمر بالغ الأهمية لتشكيل غشاء بلوري بسمك موحد.

 

علاوة على ذلك، يعزز دوران القرص الجرافيتي بشكل أكبر توحيد طبقة حدود التفاعل الكيميائي، مما يتيح نموًا أكثر اتساقًا للغشاء البلوري. تساعد هذه الآلية الدورانية، عن طريق تقليل الطبقة الحدودية للتفاعل الكيميائي الرقيق، على تقليل اختلافات التركيز المحلية، وبالتالي تعزيز التوحيد العام لنمو الغشاء.

 

 

 

(أ) رأس الرش الفعلي وصورته المكبرة جزئيًا، (ب) القصد من الهيكل الداخلي لرأس الرش

 

 

 

 

ثانيًا.الرش المغنطيسي

 

 

الرش المغنطيسي هو تقنية ترسيب بالبخار الفيزيائي تستخدم عادة لترسيب الأغشية الرقيقة والطلاء السطحي.

 

يستخدم مجالًا مغناطيسيًا لتحرير الذرات أو الجزيئات من مادة مستهدفة من سطح الهدف، ثم يشكل غشاءً على سطح مادة الركيزة.

 

تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات، والطلاءات البصرية، والطلاءات الخزفية، وغيرها من المجالات.

 

 

 

الرسم التخطيطي لمبدأ الرش المغنطيسي

 

 

 

مبدأ الرش المغنطيسي هو كما يلي:

 

1. اختيار المادة المستهدفة:المادة المستهدفة هي المادة التي سيتم ترسيبها على مادة الركيزة. يمكن أن تكون معادن أو سبائك أو أكاسيد أو نتريدات، إلخ. عادةً ما يتم تثبيت المادة المستهدفة على جهاز يسمى مسدس الهدف.

 

2. بيئة الفراغ:يجب إجراء عملية الرش في بيئة فراغ عالية لمنع التفاعل بين جزيئات الغاز والمادة المستهدفة. يساعد هذا في ضمان نقاء وتوحيد الغشاء المترسب.

 

3. الغاز المؤين:أثناء عملية الرش، يتم عادةً إدخال غاز خامل (مثل الأرجون) لتأيينه في بلازما. تشكل هذه الأيونات، تحت تأثير المجال المغناطيسي، سحابة إلكترونية، تسمى "بلازما السحابة الإلكترونية".

 

4. تطبيق المجال المغناطيسي:يتم تطبيق مجال مغناطيسي بين المادة المستهدفة ومادة الركيزة. يحصر هذا المجال المغناطيسي بلازما السحابة الإلكترونية على سطح المادة المستهدفة، وبالتالي الحفاظ على حالة طاقة عالية.

 

5. عملية الرش:عن طريق تطبيق بلازما سحابة إلكترونية عالية الطاقة، يتم ضرب الذرات أو الجزيئات من المادة المستهدفة، وبالتالي يتم إطلاقها. ستترسب هذه الذرات أو الجزيئات المطلقة في شكل بخار على سطح مادة الركيزة، مما يشكل غشاءً.

 

 

تشمل مزايا الرش المغنطيسي:

 

1. توحيد الغشاء المترسب:يمكن أن يساعد المجال المغناطيسي في التحكم في انتقال الأيونات، وبالتالي تحقيق ترسيب غشاء موحد، مما يضمن بقاء سمك وخصائص الغشاء متسقة في جميع أنحاء سطح الركيزة بأكمله.

 

2. تحضير السبائك والمركبات المعقدة:يمكن استخدام الرش المغنطيسي لتصنيع سبائك ومركبات معقدة، والتي قد يكون من الصعب تحقيقها من خلال تقنيات الترسيب الأخرى.

 

3. القدرة على التحكم والتعديل:عن طريق تعديل معلمات مثل تكوين المادة المستهدفة، وضغط الغاز، ومعدل الترسيب، يمكن التحكم بدقة في خصائص الغشاء، بما في ذلك السمك والتركيب والبنية الدقيقة.

 

4. أغشية عالية الجودة:يمكن للرش المغنطيسي عادةً إنتاج أغشية عالية الجودة وكثيفة وموحدة ذات التصاق وخصائص ميكانيكية ممتازة.

 

5. متعدد الوظائف:إنه قابل للتطبيق على أنواع مختلفة من المواد، بما في ذلك المعادن والأكاسيد والنتريدات، إلخ. لذلك، لديه تطبيقات واسعة في مجالات مختلفة.

 

6. الترسيب في درجة حرارة منخفضة:بالمقارنة مع التقنيات الأخرى، يمكن إجراء الرش المغنطيسي في درجات حرارة منخفضة أو حتى في درجة حرارة الغرفة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تكون فيها مادة الركيزة حساسة لدرجة الحرارة.

 

بشكل عام، يعد الرش المغنطيسي تقنية تصنيع أغشية رقيقة قابلة للتحكم ومرنة للغاية، قابلة للتطبيق على مجموعة واسعة من مجالات التطبيقات، من الأجهزة الإلكترونية إلى الطلاءات البصرية، إلخ.

 

 

ثالثًا. ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما

 

 

تُستخدم تقنية ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD) على نطاق واسع في تحضير الأغشية المختلفة (مثل السيليكون، ونيتريد السيليكون، وثاني أكسيد السيليكون، وما إلى ذلك).

 

يوضح الشكل التالي الرسم التخطيطي الهيكلي لنظام PECVD.

 

 

 

الرسم التخطيطي لهيكل نظام ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما

 

المبدأ الأساسي هو كما يلي: يتم إدخال مواد غازية تحتوي على مكونات الغشاء في غرفة الترسيب. باستخدام تفريغ البلازما، تخضع المواد الغازية لتفاعلات كيميائية لتوليد البلازما. عندما تترسب هذه البلازما على الركيزة، ينمو غشاء مادي.

 

تشمل طرق بدء التفريغ المتوهج: الإثارة بتردد الراديو، والإثارة بجهد التيار المستمر العالي، والإثارة النبضية، والإثارة بالميكروويف.

 

يُظهر سمك وتركيب الأغشية المحضرة بواسطة PECVD توحيدًا ممتازًا. علاوة على ذلك، تتمتع الأغشية المترسبة بهذه الطريقة بالتصاق قوي ويمكنها تحقيق معدلات ترسيب عالية في درجات حرارة ترسيب منخفضة نسبيًا.

 

بشكل عام، يتضمن نمو الأغشية الرقيقة بشكل أساسي العمليات الثلاث التالية:

 

الخطوة الأولى هي أن الغاز التفاعلي، تحت إثارة المجال الكهرومغناطيسي، يخضع لتفريغ متوهج لتوليد البلازما.

 

أثناء هذه العملية، تتصادم الإلكترونات مع الغاز التفاعلي، مما يبدأ تفاعلًا أوليًا، مما يؤدي إلى تحلل الغاز التفاعلي وتوليد الأيونات والمجموعات التفاعلية.

 

الخطوة الثانية هي أن المنتجات المختلفة المتولدة من التفاعل الأولي تتحرك نحو الركيزة، بينما تخضع المجموعات النشطة والأيونات المختلفة لتفاعلات ثانوية لتشكيل منتجات ثانوية.

 

تتضمن الخطوة الثالثة امتصاص المنتجات الأولية والثانوية المختلفة على سطح الركيزة وتفاعلها اللاحق مع السطح. في نفس الوقت، هناك إطلاق للمواد الجزيئية الغازية.

 

 

 

رابعًا. تقنيات توصيف الأغشية الرقيقة

 

 

4.1 حيود الأشعة السينية (XRD)

 

XRD (حيود الأشعة السينية) هي تقنية شائعة الاستخدام لتحليل الهياكل البلورية.

 

يكشف عن معلومات مثل معلمات الشبكة، والبنية البلورية، والاتجاه البلوري للمادة عن طريق قياس أنماط حيود الأشعة السينية على البنية البلورية داخل المادة.

 

يستخدم XRD على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل علوم المواد، وفيزياء الحالة الصلبة، والكيمياء، والجيولوجيا.

 

 

 

الرسم التخطيطي لمبدأ اختبار XRD

 

مبدأ العمل: يعتمد المبدأ الأساسي لـ XRD على قانون براج. أي أنه عندما يتم تسليط شعاع وارد على عينة بلورية، إذا كانت الشبكة الذرية أو الأيونية في البلورة في ترتيب معين، فسيتم حيود الأشعة السينية. يمكن أن توفر زاوية وكثافة الحيود معلومات حول هيكل البلورة.

 

 

 

مقياس حيود الأشعة السينية Bruker D8 Discover

 

تكوين الأداة: تتكون أداة XRD النموذجية من المكونات التالية:

 

1. مصدر الأشعة السينية: جهاز ينبعث منه الأشعة السينية، وعادة ما يستخدم أهداف التنغستن أو النحاس لتوليد الأشعة السينية.

 

2. منصة العينة: منصة لوضع العينات، والتي يمكن تدويرها لضبط زاوية العينات.

 

3. كاشف الأشعة السينية: يستخدم لقياس كثافة وزاوية ضوء الحيود.

 

4. نظام التحكم والتحليل: يتضمن هذا نظام البرنامج للتحكم في مصدر الأشعة السينية، واكتساب البيانات، والتحليل، والتفسير.

 

 

مجالات التطبيق: لدى XRD تطبيقات مهمة في العديد من المجالات، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر:

 

1. البحث البلوري: يستخدم لتحليل البنية البلورية للبلورات، وتحديد معلمات الشبكة والاتجاه البلوري.

 

2. توصيف المواد: تحليل معلومات مثل البنية البلورية، وتكوين الطور، وعيوب البلورات للمادة.

 

3. التحليل الكيميائي: تحديد الهياكل البلورية للمركبات غير العضوية والعضوية، ودراسة التفاعلات بين الجزيئات.

 

4. تحليل الأغشية: يستخدم لدراسة البنية البلورية، والسمك، ومطابقة الشبكة للغشاء.

 

5. علم المعادن والجيولوجيا: يستخدم لتحديد أنواع ومحتويات المعادن، ودراسة تكوين العينات الجيولوجية.

 

6. أبحاث الأدوية: يساعد تحليل البنية البلورية للدواء في فهم خصائصه وتفاعلاته.

 

بشكل عام، يعد XRD تقنية تحليلية قوية تمكن العلماء والمهندسين من اكتساب فهم عميق للبنية البلورية وخصائص المواد، وبالتالي تعزيز البحث والتطبيقات في علوم المواد والمجالات ذات الصلة.

 

 

 

صورة لمقياس حيود الأشعة السينية XRD

 

 

 

4.2 المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)

 

المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) هو نوع شائع الاستخدام من المجاهر. يستخدم حزمة إلكترونية بدلاً من حزمة ضوئية لإضاءة العينة، مما يتيح الملاحظة عالية الدقة للسطح والشكل.

 

يستخدم SEM على نطاق واسع في مجالات مثل علوم المواد، وعلم الأحياء، والجيولوجيا.

 

 

المبدأ الأساسي لعمل SEM هو كما يلي:

 

يستخدم SEM مدفعًا إلكترونيًا لتوليد حزمة إلكترونية. يشبه هذا المدفع الإلكتروني المدفع الموجود في أنبوب إلكتروني (CRT)، مما يولد إلكترونات عالية الطاقة. تمر الحزمة الإلكترونية عبر نظام محاذاة، والذي يتكون من سلسلة من العدسات الإلكترونية، للتركيز ومحاذاة الحزمة الإلكترونية، مما يضمن استقرار وتركيز الحزمة. تحت سيطرة ملف المسح، تقوم الحزمة الإلكترونية بمسح سطح العينة.

 

يمكن التحكم بدقة في موضع الحزمة الإلكترونية، وبالتالي توليد وحدات بكسل مسح ضوئي على العينة.

 

توضع العينة على مرحلة العينة الخاصة بـ SEM. يجب أن تكون العينة موصلة لأنه في SEM، تحتاج الحزمة الإلكترونية إلى التفاعل مع سطح العينة لتوليد إلكترونات ثانوية، وما إلى ذلك. عندما تضرب الحزم الإلكترونية عالية الطاقة سطح العينة، فإنها تتفاعل مع الذرات والجزيئات الموجودة في العينة. تتسبب هذه التفاعلات في تناثر الإلكترونات والهروب والإثارة، مما يؤدي إلى توليد إشارات مختلفة. يحلل كشف SEM الإشارات المختلفة المتولدة من سطح العينة، بما في ذلك بشكل أساسي الإلكترونات الثانوية (SE) والإلكترونات المتناثرة (BSE).

 

توفر هذه الإشارات معلومات حول شكل السطح وهيكله وتكوين العينة. عن طريق التحكم في موضع المسح للحزمة الإلكترونية على العينة، يمكن لـ SEM الحصول على معلومات البكسل لسطح العينة. تتم معالجة هذه المعلومات وعرضها بواسطة جهاز كمبيوتر، مما يؤدي إلى إنشاء صور عالية الدقة لسطح العينة.

 

 

 

صورة مادية لـ SEM

 

 

 

4.3 المجهر القوة الذرية (AFM)

 

المجهر القوة الذرية (AFM) هو تقنية مجهرية عالية الدقة، تستخدم بشكل أساسي لمراقبة الميزات الذرية والنانومترية للعينة. يعتمد مبدأ عملها على التفاعل بين المسبار وسطح العينة. عن طريق قياس تغيرات موضع المسبار، يمكنه الحصول على الطبوغرافيا والمعلومات الطوبولوجية لسطح العينة.

 

في AFM، يتم استخدام مسبار دقيق جدًا، مصنوع عادةً من السيليكون أو مواد أخرى ذات طرف نانوي. يتم توصيل المسبار برأس المسح من خلال ناتئ أو جهاز كهرإجهادي، مع طرف المسبار بالقرب من سطح العينة. عندما يكون المسبار قريبًا من سطح العينة، تحدث تفاعلات بين الذرات والجزيئات الموجودة في العينة والمسبار، بما في ذلك القوى الكهروستاتيكية، وقوى فان دير فالز، وتفاعلات الروابط الكيميائية، وما إلى ذلك. يتم التحكم في حركة الناتئ أو الجهاز الكهرإجهادي للحفاظ على قوة معينة بين طرف المسبار وسطح العينة.

 

يستخدم AFM نظام ردود فعل للحفاظ على قوة ثابتة بين المسبار والعينة. عندما يتغير ارتفاع أو موضع المسبار، يقوم نظام ردود الفعل تلقائيًا بضبط موضع الناتئ للحفاظ على القوة ثابتة. يتحرك المسبار والعينة بالنسبة لبعضهما البعض، وعادةً ما يكون ذلك على شبكة ثنائية الأبعاد، مما يشكل مسحًا ضوئيًا. في كل نقطة مسح ضوئي، يتسبب عدم انتظام سطح العينة في تغيير موضع طرف المسبار. عن طريق قياس تغير موضع المسبار، يمكن الحصول على معلومات طوبولوجية لسطح العينة. أخيرًا، تتم معالجة البيانات التي تم جمعها لإنشاء صورة طوبولوجية عالية الدقة لسطح العينة.

 

يحتوي AFM على تطبيقات واسعة في مجالات متعددة. يتم استخدامه في مجالات مثل علوم المواد، وعلم الأحياء، وتكنولوجيا النانو، مما يساعد الباحثين على اكتساب فهم أعمق لشكل السطح وهيكل المواد، وحتى تمكين معالجة الهياكل النانوية.

 

تشمل مزايا AFM الدقة العالية، وعدم التدمير، وأوضاع العمل المتعددة، مما يجعلها أداة قوية للمراقبة والبحث على النطاق النانوي.

 

 

 

صورة مادية لـ AFM

 

 

 

الرسم التخطيطي لمبدأ القياس ووضع العمل للمجهر القوة الذرية

 

 

 

الخلاصة

 

 

تتخصص ZMSH في تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة المتقدمة، بما في ذلك MOCVD، والرش المغنطيسي، و PECVD، وتقدم تطوير عمليات مصممة خصيصًا لأشباه الموصلات، والإلكترونيات الضوئية، وتطبيقات الطلاء الوظيفي. تغطي خدماتنا تصميم النظام المخصص، وتحسين المعلمات، ونمو الأغشية عالية النقاء، إلى جانب مبيعات معدات الترسيب الدقيقة لتلبية احتياجات البحث والتطوير والإنتاج الصناعي.

 

 

 

فيما يلي منتجات SiC الموصى بها بواسطة ZMSH:

 

 

 

 

 

 

 

 

* يرجى الاتصال بنا لأية مخاوف تتعلق بحقوق الطبع والنشر، وسوف نعالجها على الفور.