(CVD)Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi

1.1 Tanım

CVD, iç katmanı kimyasal buhar tepkimesiyle ince bir film tabakasıyla kaplayan biriktirilme sürecidir. CVD reaksiyonları ısı, RF enerji (PECVD) ya da ışık (PHCVD) ile harekete geçirilebilir.

1.2 Temel Teori

CVD süreci çoğunlukla düşük basınçta reaktör içine tanımlanan bir ya da daha fazla gazları içerir. Altlık yüzeyindeki gazların tepkimesi altlık yüzeyindeki filme şekil vermektedir. Şekil 1.1 bir CVD sistem reaksiyonunun adımlarını göstermektedir.

Şekil 1.1. CVD Reaksiyon adımları

Şekil 1.1′de SiH₄ ve O₂ bir CVD reaksiyonu içinde tanımlanmaktadır. Akan gazların şekli durağan sınır tabakaya doğru ilk katman yüzeyine, sonra da difüzyona uğrayan gazlar yüzeye ulaşmaktadır. Yüzeyden emilen gazlar silisyum dioksite ile tepkimeye girerek havaya hidrojen verdikten sonra yüzeyden adsorbe olur ve difüzyona uğrar.

Reaksiyon:

SiH_{4 ( gaz)} + O_{2 ( gaz )} → SiO_{2 ( katı )} + 2H_{2 ( gaz )}

Bu örnek reaksiyon gibi daha bir çok reaksiyon vardır; başlangıç kısmında sıcaklık RF ya da ışık enerjisi ile harekete geçirilen reaksiyonlar gibi. CVD reaksiyonu bir de atmosfer basıncı ya da düşük basınçta yer alır.

1.3 Donanımlar

1.3.1.Yatay Fırın CVD Sistemi

İlk CVD sistemleri yatay tüp fırınları genleştirilmiş gaz kontrol kapasiteleri ve düşük vakum operasyonuyla biraz değiştirilmiştir. Şekil 1.2 böyle bir sistemin bugünkü şematik grafiğidir. Sistemin anahtar elementleri:

• Soğutulmuş su kapıları kuvars boru işleminde kapatılır böylece boru içinde vakum oluşturulur.

• Kuvars boru işlemi üç bölge ısıtma elementi ile çevrelenmiştir.

• 3 bölge sıcaklık denetimi merkez bölge fırın sıcaklığı ve uç bölgelerle yapılmaktadır. Uç bölgeler fırın borusu sonunda çıkan ısı kaybını karşılar ve artıp azalan fırın borusu sıcaklığının istikrarını sağlar. Yatay fırınlar +/- ½ C sıcaklıkla 1200°C gibi yüksek sıcaklıkta elde edilebilmekle birlikte CVD süreçleri genellikle düşük ısılı işlemlerdir.

• Modern yatay fırınlar manivela üzerindeki silikon devre levhasını geçici olarak durdurduğundan fırın yan duvarlarına temas edilemez. Kuvars teknelerle kullanılan eski tip fırınlarda kuvars fırın borusunun altına doğru kayar. Kuvars üzerindeki sürtünme sonucu çok sayıda parçacık meydana gelir. Manivela sistemindeki parçacıklar eski kızak tipi sistemlerden 100 ila 1000 kere küçültülmüş parçacıklardır.

• Basınç yöneticisi ve klapa valfi basınç işlem sistemi sırasında kontrol edilir. Basınç kontrol sistemi, gaz akışının hiçbir şeyden etkilenmeden hareket etmesini sağlar. Klapa valfi olmadan gazın akması ve tulumbaya çekilme hızı basınç sisteminin sonucudur. Klapa valfi vakum pompa devirleri gibi vakum pompalarının pompalama hızları değişikliğini karşılamak için kullanılmaktadır.

• Gaz kontrol sistemi valf ve kütle akış denetçileri ile birliktedir. Gaz kontrol sistemi işlem sırasında gazın akışını ve akma oranını değerlendirmektedir.

• Merkez bilgisayar işlem sırası boyunca sistemin bütün elementlerini kontrol etmektedir: sıcaklık, basınç, gaz akışı vb.

Şekil 1.2.Yatay fırın CVD sistemi.

Pişirme sistemleri ilgili birçok konu vardır. Belki de en önemlisi gazların tepkimesi ve borulardan aşağı akarak azalmasıdır. Eğimli ısı profili gazın azalması için aşağı doğru akan gaz akışının daha yüksek ısıda olmasını sağlamaktadır. Yükselen gaz akış oranı gazın azalmasının sağlanmasına yardım etmektedir. Eğimli ısı profilleri belirli boyuttaki tabakalar için değişik yoğunlukları karşılamaktadır fakat ısı faklılıkları farklı tabaka özelliklerinin borulara gitmesine neden olabilir. Tüp pişirme sistemleri kuvars sıcak duvar yapısı sonucu boru yan duvarları işleminde kayda değer tortu biriktirme söz konusudur. Yan duvar işlemi bittiğinde film gelişimi artışı sorunlu partiküllerin kabarıp dökülmeye başlamasına neden olabilmektedir.

1.3.2 Fıçı Tipi Epitaksiyal Reaktörler

İlk olarak çok yönlü epitaksiyal silisyum reaktörler işlenmiş kapatma devre levhası zamanında fıçı ya da yassı tip reaktörlerdir. Şekil 1.3 fıçı tipi bir reaktör örneğidir. Şekil 1.3 te gösterilen epitaksiyal silisyum reaktörün içerdiği temel özellikler:

• Grafit altlık, kuvars proses döngüsü içerisine sarkıtılır ve kapatma devir levhası eğimli yüzey üzerinde grafit ile tutulur.

• Ayarlı ısı lambaları-reflektör montajı kuvars daire işlemiyle çevrelenir ve silikon devre levhalarının ısınması sağlanır.

• Fıçı tipi sistemler atmosferik basınç epitaksiyal tortu biriktirme ya da vakum pompaları ile donatıldıklarında düşük-basınç epitaksiyal tortu biriktirmede kullanılabilmektedir.

• Gaz girişleri, gazın tortu bırakılan tabakalara doğru gitmesi için hazırlanır, gazlar çembere doğru kavis sonundaki bir gaz deliğinden çıkar.

Şekil 1.3 Fıçı tipi reaktör

1.3.3 Grup Araçları

Grup araçları içinde otomatik merkez servisleri çeşitli döngüsel işlemler ve gaz delikleri yüklenip-boşaltılır. Grup araçları aynı ya da farklı işlem tipleri ile kombine edilmiş çeşitli çemberlerin tek platforma yayılmasını sağlamaktadır. Birleştirilmiş çeşitli işlem adımlarının bilgisayar kontrolü birbirini izleyen aralıksız vakum dizisi altında yapılır. Şekil 1.4 grup araçlarını göstermektedir. Şekil 1.4‘de gösterilen grup araçlarının temel özellikleri;

• Otomatik merkez girdi ve çıktı kayıtlarını ayrı işlem çemberlerinden silikon devre levhalarına nakleder. Otomatik merkez vakum altında çalıştığından silikon devre levhası tek işlem çemberinden bir sonraki hareketsiz vakum altına transfer edilebilmektedir. Girdi ve çıktı kayıtları genellikle vakum altında transfer edilirken mümkün olduğu kadar azaltılır. İdeal biçime ulaştığında otomatik merkez küme aracı ve girdi-çıktı kayıtları bütün standartlara uygun hale geldiğinden farklı makinelerin çember işlemleri en iyi türe ulaşmak için küme araçları ile karıştırılmakta ve eşleştirilmektedir.

• Grup araçlarının çeşitli işlem durumları farklı işlem modül çeşitlerine bağlı olabilmektedir. İşlem modülleri CVD modül ya da belirli düzeydeki farklı işlem tiplerinden farklı olabilmektedir. Nöbetleşe tortu bırakan modül ani termal işlem modülü ile karıştırılarak tabakalara tortu biriktirmesı sağlanır. Günümüzde küme araçları, silikon kapatma levhaları, CVD, RPT, kuru oyma ve kuru kazıma fonksiyonlarının geliştirilmesinde bir bilim dalı gibi kullanılmaktadır.

Şekil 1.4 Grup araçları

1.3.4 Tek Silikon Devre Levhası CVD Çemberi

Şekil 1.5 Tek silikon devre levhası

Şekil 1.5 tek silikon devre levhası CVD çemberi işlemini göstermektedir. Şekil 1.5’de gösterilen sistemin çalışması şöyledir:

• Silikon devre levhası, altlık silikon devre levhası geçiş kapısının içerisine doğru gider.

• Silikon devre levhası geçiş kapısı vakum çemberinde onaylanınca kapanır ve çember simetrik bir biçimde sıralanan fırlatılmış(atılmış) silikon devre levhasına doğru pompalanır.

• Isı lambaları ısıtılan silikon devre levhası altına açılır.

• Gazlar sistemin en üst bölümüne doğru tanımlanır ve “showerhead”e doğru akar. Showerhead delikleri silikon devre levhası yüzeyine gazı dağıtır(yayar).

• İstenilen(hedeflenen) tabaka tortu biriktirme sistemiyle ısıtılmış silikon devre levhalarında gazlar birbirinden etkilenir.

Soğuk çember duvarları, duvarlar üzerindeki minimize edilmiş partiküllerin tortu biriktirmesini önlemeye yardımcı olur. Çember tortu biriktirme adımları arasında yerleşik temizlemeye maruz kalabilmektedir. CVD sistemleri burada anlatıldığı gibidir, bununla birlikte saf CVD işlemleri için gerekli ısı 450 °C’dir. Genellikle sınırlı CVD metallemeden önce kullanılmaktadır.

Sıkça kullanılan CVD reaktanları

REFERANSLAR

1. Peter W. Lee, Shinsuke Mizuno, Amrita Verna, Huyen Tran and NBang Nguyen, “Dielectric Constant Sta-bility of Fluorine-Doped Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposited SiO₂ Thin Films,” J. Electrochem. Soc., p. 2015, Vol. 143, No. 6 (1996).

2. “Update,” Applied Materials, Vol. 1, Issue 1 (2002)

3. Doç. Dr. Fatih Üstel Sakarya Üniversitesi

“İnce Film Kaplamaların Üretim Teknolojileri Ders Notları”

1. Yrd. Doç. Dr. Atilla Evcin

“Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi Kaplama Teknikleri Ders Notları 2006”

Eyüp YAYLACI