آشنایی با فرآیند کامل ساخت دستگاه نیمه هادی

1. فتولیتوگرافی 

فتولیتوگرافی که اغلب مترادف با تولید الگو است، یکی از حیاتی ترین نیروهای محرکه در پس پیشرفت سریع فناوری نیمه هادی است که از فرآیندهای تولید صفحات عکاسی در چاپ نشات می گیرد. این تکنیک امکان ارائه هر الگوی را در مقیاس میکرو یا نانو با استفاده از مقاومت نوری، و هنگامی که با سایر فناوری های فرآیند ترکیب می شود، این الگوها را به مواد منتقل می کند و طرح ها و مفاهیم مختلفی از مواد و دستگاه های نیمه هادی را درک می کند. منبع نور مورد استفاده در فتولیتوگرافی مستقیماً بر دقت الگوها تأثیر می گذارد، با گزینه هایی از اشعه ماوراء بنفش، فرابنفش عمیق، اشعه ایکس و پرتوهای الکترونی، که هر کدام با افزایش سطوح وفاداری الگو به ترتیب ذکر شده مطابقت دارند.

یک جریان فرآیند فتولیتوگرافی استاندارد شامل آماده سازی سطح، چسبندگی، پخت نرم، نوردهی، پخت پس از نوردهی، توسعه، پخت سخت و بازرسی است.

تصفیه سطح ضروری است زیرا بسترها معمولاً مولکول های H2O را از هوا جذب می کنند که برای فوتولیتوگرافی مضر است. بنابراین، بسترها در ابتدا از طریق پخت تحت پردازش کم آبی قرار می گیرند.

برای بسترهای آبدوست، چسبندگی آنها به نورگریز آبگریز ناکافی است، که به طور بالقوه باعث جدا شدن نور مقاوم یا ناهماهنگی الگو می شود، بنابراین نیاز به یک تقویت کننده چسبندگی است. در حال حاضر هگزامتیل دیسیلازان (HMDS) و تری متیل-سیلیل-دی اتیل آمین (TMSDEA) به طور گسترده ای از تقویت کننده های چسبندگی استفاده می شوند.

پس از عملیات سطحی، استفاده از فوتوریست شروع می شود. ضخامت مقاومت نوری اعمال شده نه تنها به ویسکوزیته آن مربوط می شود، بلکه تحت تأثیر سرعت پوشش اسپین نیز قرار می گیرد که به طور کلی با جذر سرعت چرخش نسبت عکس دارد. پس از پوشش دهی، پخت نرمی برای تبخیر حلال از فترزیست انجام می شود که در فرآیندی به نام پیش پخت، چسبندگی را بهبود می بخشد.

پس از تکمیل این مراحل، نوردهی صورت می گیرد. فتورزیست ها به دو دسته مثبت یا منفی طبقه بندی می شوند که پس از قرار گرفتن در معرض خواص مخالف هستند.

به عنوان مثال نور مقاوم به نور مثبت را در نظر بگیرید، جایی که نور مقاوم در معرض نوردهی نشده در سازنده نامحلول است، اما پس از قرار گرفتن در معرض محلول می شود. در طول نوردهی، منبع نور، با عبور از یک ماسک طرح‌دار، بستر پوشش‌داده‌شده را روشن می‌کند و مقاومت نوری را الگوبرداری می‌کند. به طور معمول، بستر باید قبل از قرار گرفتن در معرض ماسک با ماسک هماهنگ شود تا موقعیت نوردهی دقیقاً کنترل شود. مدت زمان نوردهی باید به شدت مدیریت شود تا از اعوجاج الگو جلوگیری شود. ممکن است پس از قرار گرفتن در معرض، پخت اضافی برای کاهش اثرات موج ایستاده مورد نیاز باشد، اگرچه این مرحله اختیاری است و می توان آن را به نفع توسعه مستقیم دور زد. توسعه مقاومت نوری در معرض نور را حل می کند و الگوی ماسک را به طور دقیق روی لایه مقاوم به نور منتقل می کند. زمان توسعه نیز حیاتی است - خیلی کوتاه منجر به توسعه ناقص می شود، خیلی طولانی باعث اعوجاج الگو می شود.

متعاقباً، پخت سخت، اتصال لایه مقاوم به نور را به بستر تقویت می‌کند و مقاومت آن را در برابر اچ بهبود می‌بخشد. دمای پخت سخت معمولاً کمی بالاتر از دمای پیش پخت است.

در نهایت، بازرسی میکروسکوپی تأیید می کند که آیا الگو با انتظارات مطابقت دارد یا خیر. پس از اینکه الگوی توسط فرآیندهای دیگر بر روی ماده منتقل شد، مقاومت نوری به هدف خود عمل کرد و باید حذف شود. روش‌های جداسازی شامل مرطوب (با استفاده از حلال‌های آلی قوی مانند استون) و خشک (استفاده از پلاسمای اکسیژن برای حکاکی کردن فیلم) است.

2. تکنیک های دوپینگ 

دوپینگ در فناوری نیمه هادی ها ضروری است و خواص الکتریکی مواد نیمه هادی را در صورت نیاز تغییر می دهد. روش های رایج دوپینگ شامل انتشار حرارتی و کاشت یون می باشد.

(1) کاشت یون 

کاشت یون، بستر نیمه هادی را با بمباران آن با یون های پر انرژی، دوپ می کند. در مقایسه با انتشار حرارتی، مزایای زیادی دارد. یون هایی که توسط یک آنالایزر جرم انتخاب می شوند، خلوص دوپینگ بالایی را تضمین می کنند. در طول کاشت، بستر در دمای اتاق یا کمی بالاتر باقی می ماند. می‌توان از بسیاری از فیلم‌های پوشاننده مانند دی اکسید سیلیکون (SiO2)، نیترید سیلیکون (Si3N4) و مقاوم در برابر نور استفاده کرد که انعطاف‌پذیری بالایی را با تکنیک‌های ماسک خود تراز می‌کنند. دوز ایمپلنت دقیقاً کنترل می شود و توزیع یون ناخالصی کاشته شده در همان صفحه یکنواخت است و در نتیجه تکرارپذیری بالایی دارد.

عمق کاشت توسط انرژی یون ها تعیین می شود. با تنظیم انرژی و دوز، توزیع یون های ناخالصی در بستر پس از کاشت قابل دستکاری است. کاشت های متعدد با طرح های متنوع ممکن است به طور مداوم برای دستیابی به پروفایل های ناخالصی مختلف انجام شود. به طور قابل توجهی، در بسترهای تک کریستالی، اگر جهت کاشت موازی با جهت کریستالوگرافی باشد، اثرات کانال‌سازی رخ می‌دهد - برخی از یون‌ها در طول کانال‌ها حرکت می‌کنند و کنترل عمق را به چالش می‌کشند.

برای جلوگیری از کانال کشی، کاشت معمولاً با زاویه 7 درجه نسبت به محور اصلی بستر تک کریستالی یا با پوشاندن بستر با یک لایه آمورف انجام می شود.

با این حال، کاشت یون می تواند به طور قابل توجهی به ساختار کریستالی زیرلایه آسیب برساند. یون‌های پرانرژی، هنگام برخورد، انرژی را به هسته‌ها و الکترون‌های زیرلایه منتقل می‌کنند و باعث می‌شوند که آنها از شبکه خارج شوند و جفت‌های نقص بین‌بافتی-خالی تشکیل دهند. در موارد شدید، ساختار کریستالی در برخی مناطق ممکن است از بین برود و مناطق آمورف را تشکیل دهند.

آسیب شبکه تا حد زیادی بر خواص الکتریکی مواد نیمه هادی مانند کاهش تحرک حامل یا طول عمر حامل های غیرتعادلی تأثیر می گذارد. مهمتر از همه، اکثر ناخالصی های کاشته شده، محل های بینابینی نامنظم را اشغال می کنند، و نمی توانند دوپینگ موثر ایجاد کنند. بنابراین، ترمیم آسیب شبکه پس از کاشت و فعال سازی الکتریکی ناخالصی ها ضروری است.

(2)پردازش حرارتی سریع (RTP)

 آنیل حرارتی موثرترین روش برای اصلاح آسیب شبکه ناشی از کاشت یون و ناخالصی های فعال کننده الکتریکی است. در دماهای بالا، جفت‌های نقص بینابینی در شبکه کریستالی زیرلایه دوباره ترکیب شده و ناپدید می‌شوند. نواحی آمورف نیز از مرز با نواحی تک کریستالی از طریق اپیتاکسی فاز جامد تبلور مجدد خواهند یافت. برای جلوگیری از اکسید شدن مواد زیرلایه در دماهای بالا، بازپخت حرارتی باید در فضای خلاء یا گاز بی اثر انجام شود. بازپخت سنتی زمان زیادی طول می کشد و ممکن است به دلیل انتشار باعث توزیع مجدد ناخالصی قابل توجهی شود.

ظهورتکنولوژی RTPاین مشکل را برطرف می‌کند و تا حد زیادی ترمیم آسیب شبکه و فعال‌سازی ناخالصی را در مدت زمان بازپخت کوتاه‌تر انجام می‌دهد.

بسته به منبع گرما،RTPبه چند نوع طبقه بندی می شود: اسکن پرتو الکترونی، پرتوهای الکترونی و یونی پالسی، لیزرهای پالسی، لیزرهای موج پیوسته، و منابع نوری نامنسجم باند پهن (لامپ های هالوژن، گرم کننده های گرافیتی، لامپ های قوس الکتریکی)، که دومی بیشترین استفاده را دارد. این منابع می توانند بستر را تا دمای مورد نیاز در یک لحظه گرم کنند و در زمان کوتاهی عملیات بازپخت را کامل کرده و به طور موثر انتشار ناخالصی را کاهش دهند.

3. تکنیک های رسوب فیلم

(1) رسوب دهی بخار شیمیایی با پلاسما (PECVD)

PECVD یکی از روش‌های رسوب بخار شیمیایی (CVD) برای رسوب فیلم است که دو روش دیگر CVD با فشار اتمسفر (APCVD) و CVD کم فشار (LPCVD) هستند.

در حال حاضر، PECVD بیشترین کاربرد را در بین این سه نوع دارد. از پلاسمای فرکانس رادیویی (RF) برای شروع و حفظ واکنش‌های شیمیایی در دماهای نسبتاً پایین استفاده می‌کند، بنابراین رسوب فیلم در دمای پایین را با نرخ‌های رسوب بالا تسهیل می‌کند. شماتیک تجهیزات آن همانطور که نشان داده شده است. 

فیلم‌های تولید شده از طریق این روش، چسبندگی و خواص الکتریکی استثنایی، حداقل ریزتخلخل، یکنواختی بالا، و قابلیت‌های پرکننده قوی در مقیاس کوچک را نشان می‌دهند. عوامل موثر بر کیفیت رسوب PECVD عبارتند از دمای بستر، سرعت جریان گاز، فشار، توان RF و فرکانس.

(2) کندوپاش کردن 

کندوپاش یک روش رسوب بخار فیزیکی (PVD) است. یون های باردار (معمولاً یون های آرگون، Ar+) در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند و انرژی جنبشی به دست می آورند. آنها به سمت مواد هدف هدایت می شوند و با مولکول های هدف برخورد می کنند و باعث می شوند که آنها از جای خود خارج شوند و به دور بروند. این مولکول ها همچنین دارای انرژی جنبشی قابل توجهی هستند و به سمت بستر حرکت می کنند و روی آن رسوب می کنند.

منابع انرژی کندوپاش معمولاً شامل جریان مستقیم (DC) و فرکانس رادیویی (RF) هستند، که در آن کندوپاش DC مستقیماً برای مواد رسانا مانند فلزات قابل استفاده است، در حالی که مواد عایق برای رسوب فیلم به کندوپاش RF نیاز دارند.

کندوپاش معمولی از نرخ رسوب کم و فشار کاری بالا رنج می برد که در نتیجه کیفیت فیلم پایین تر است. کندوپاش مغناطیسی به طور ایده آل تری به این مسائل می پردازد. از یک میدان مغناطیسی خارجی برای تغییر مسیر خطی یون ها به یک مسیر مارپیچ در اطراف جهت میدان مغناطیسی استفاده می کند، مسیر آنها را طولانی تر می کند و کارایی برخورد با مولکول های هدف را بهبود می بخشد و در نتیجه کارایی کندوپاش را افزایش می دهد. این منجر به افزایش نرخ رسوب، کاهش فشار کاری و بهبود قابل توجه کیفیت فیلم می شود.

4. اچ کردن تکنیک

اچینگ به دو حالت خشک و مرطوب طبقه بندی می شود که به ترتیب به دلیل استفاده (یا عدم وجود) محلول های خاص نامگذاری شده اند.

به طور معمول، اچ کردن نیاز به تهیه یک لایه ماسک (که می تواند مستقیماً مقاوم به نور باشد) برای محافظت از مناطقی است که برای اچینگ در نظر گرفته نشده اند.

(1) اچ کردن خشک

Common dry etching types include اچینگ پلاسمای جفت شده القایی (ICP).، حکاکی پرتو یونی (IBE) و حکاکی یون واکنشی (RIE).

در حکاکی ICP، پلاسمای تولید شده با تخلیه درخششی حاوی رادیکال‌های آزاد بسیار فعال شیمیایی (اتم‌های آزاد، مولکول‌ها یا گروه‌های اتمی) است که با مواد هدف واکنش شیمیایی می‌دهند و محصولات فرار را تشکیل می‌دهند و در نتیجه به اچ می‌رسند.

IBE از یون های پرانرژی (یونیزه شده از گازهای بی اثر) برای بمباران مستقیم سطح ماده مورد نظر برای حکاکی استفاده می کند که نشان دهنده یک فرآیند فیزیکی است.

RIE ترکیبی از دو مورد قبلی در نظر گرفته می شود و گاز بی اثر مورد استفاده در IBE را با گاز مورد استفاده در حکاکی ICP جایگزین می کند و در نتیجه RIE را تشکیل می دهد.

برای حکاکی خشک، نرخ اچ عمودی بسیار بیشتر از نرخ جانبی است، یعنی نسبت ابعاد بالایی دارد که امکان تکرار دقیق الگوی ماسک را فراهم می کند. با این حال، اچ کردن خشک لایه ماسک را نیز حکاکی می کند و گزینش پذیری ضعیف تری را نشان می دهد (نسبت نرخ اچ مواد هدف به لایه ماسک)، به خصوص با IBE، که ممکن است به طور غیر انتخابی در سراسر سطح ماده حک شود.

(2) حکاکی مرطوب 

حکاکی مرطوب روش حکاکی را نشان می دهد که با غوطه ور کردن ماده مورد نظر در محلولی (اچانت) که از نظر شیمیایی با آن واکنش می دهد به دست می آید.

این روش اچینگ ساده، مقرون به صرفه است و گزینش پذیری خوبی از خود نشان می دهد، اما نسبت تصویر پایینی دارد. مواد زیر لبه‌های ماسک می‌توانند خورده شوند و دقت کمتری نسبت به حکاکی خشک داشته باشند. برای کاهش اثرات منفی نسبت ابعاد پایین، باید نرخ های اچینگ مناسب انتخاب شود. عوامل موثر بر سرعت اچینگ عبارتند از غلظت اچ، زمان اچ و دمای اچ.**