فهم تقنية النقش الجاف في صناعة أشباه الموصلات

يشير النقش إلى تقنية إزالة المواد بشكل انتقائي من خلال الوسائل الفيزيائية أو الكيميائية لتحقيق الأنماط الهيكلية المصممة.

حاليًا، تستخدم العديد من أجهزة أشباه الموصلات هياكل جهاز ميسا، والتي يتم إنشاؤها في الغالب من خلال نوعين من النقش:النقش الرطب والنقش الجاف. في حين أن النقش الرطب البسيط والسريع يلعب دورًا مهمًا في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات، إلا أنه له عيوب متأصلة مثل النقش المتناحي وضعف التوحيد، مما يؤدي إلى تحكم محدود عند نقل أنماط صغيرة الحجم. ومع ذلك، أصبح النقش الجاف، مع تباينه العالي، وتوحيده الجيد، وقابليته للتكرار، بارزًا في عمليات تصنيع أجهزة أشباه الموصلات. يشير مصطلح "النقش الجاف" على نطاق واسع إلى أي تقنية حفر غير مبللة تستخدم لإزالة المواد السطحية ونقل الأنماط الدقيقة والنانو، بما في ذلك النقش بالليزر، والحفر بالبلازما، والحفر بالبخار الكيميائي. يتعلق النقش الجاف الذي تمت مناقشته في هذا النص على وجه التحديد بالتطبيق الضيق للعمليات التي تستخدم تفريغ البلازما - سواء كانت فيزيائية أو كيميائية - لتعديل أسطح المواد. ويغطي العديد من تقنيات الحفر الصناعية الشائعة، بما في ذلكالنقش بالشعاع الأيوني (IBE)، النقش الأيوني التفاعلي (RIE)، النقش بالبلازما بالرنين السيكلتروني الإلكتروني (ECR)، النقش بالبلازما المقترنة حثيًا (ICP).

1. النقش بالشعاع الأيوني (IBE)

يُعرف IBE أيضًا باسم الطحن الأيوني، وقد تم تطويره في السبعينيات كطريقة حفر فيزيائية بحتة. تتضمن العملية حزمًا أيونية يتم إنشاؤها من غازات خاملة (مثل Ar وXe) يتم تسريعها بواسطة الجهد الكهربي لقصف سطح المادة المستهدفة. تنقل الأيونات الطاقة إلى الذرات السطحية، مما يتسبب في تناثر تلك الأيونات التي تتجاوز طاقتها طاقة الارتباط. تستخدم هذه التقنية الجهد المتسارع للتحكم في اتجاه وطاقة الشعاع الأيوني، مما يؤدي إلى تباين ممتاز للحفر وإمكانية التحكم في المعدل. في حين أنه مثالي لحفر المواد المستقرة كيميائيًا مثل السيراميك وبعض المعادن، فإن الحاجة إلى أقنعة أكثر سمكًا للحفر الأعمق قد تؤثر على دقة النقش، وقد يتسبب القصف الأيوني عالي الطاقة في حدوث أضرار كهربائية لا يمكن تجنبها بسبب اضطرابات الشبكة.

2. النقش الأيوني التفاعلي (RIE)

تم تطوير RIE من IBE، وهو يجمع بين التفاعلات الكيميائية والقصف الأيوني الفيزيائي. بالمقارنة مع IBE، توفر RIE معدلات حفر أعلى وتباينًا وتوحيدًا ممتازين عبر مساحات كبيرة، مما يجعلها واحدة من تقنيات الحفر الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في التصنيع الدقيق والنانو. تتضمن العملية تطبيق جهد التردد الراديوي (RF) على أقطاب الصفائح المتوازية، مما يتسبب في تسريع الإلكترونات الموجودة في الحجرة وتأيين غازات التفاعل، مما يؤدي إلى حالة بلازما مستقرة على جانب واحد من الصفائح. تحمل البلازما إمكانات إيجابية نتيجة لانجذاب الإلكترونات إلى الكاثود وتثبيتها عند الأنود، مما يؤدي إلى إنشاء مجال كهربائي عبر الحجرة. تتسارع البلازما المشحونة إيجابيًا نحو الركيزة المرتبطة بالكاثود، مما يؤدي إلى حفرها بشكل فعال.

أثناء عملية الحفر، تحافظ الغرفة على بيئة منخفضة الضغط (0.1 ~ 10 باسكال)، مما يعزز معدل التأين لغازات التفاعل ويسرع عملية التفاعل الكيميائي على سطح الركيزة. بشكل عام، تتطلب عملية RIE أن تكون المنتجات الثانوية للتفاعل متطايرة ليتم إزالتها بكفاءة بواسطة نظام التفريغ، مما يضمن دقة الحفر العالية. يحدد مستوى طاقة التردد اللاسلكي بشكل مباشر كثافة البلازما وجهد انحياز التسارع، وبالتالي التحكم في معدل الحفر. ومع ذلك، مع زيادة كثافة البلازما، يزيد RIE أيضًا من جهد التحيز، مما قد يتسبب في تلف الشبكة وتقليل انتقائية القناع، مما يفرض قيودًا على تطبيقات النقش. مع التطور السريع للدوائر المتكاملة واسعة النطاق وتناقص حجم الترانزستورات، كان هناك طلب أكبر على الدقة ونسب العرض إلى الارتفاع في التصنيع الصغير والنانو، مما أدى إلى ظهور تقنيات الحفر الجاف عالية الكثافة القائمة على البلازما، وتوفير فرص جديدة للنهوض بتكنولوجيا المعلومات الإلكترونية.

3. النقش بالبلازما بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR).

تستخدم تقنية ECR، وهي طريقة مبكرة لتحقيق بلازما عالية الكثافة، طاقة الموجات الدقيقة للتردد مع الإلكترونات داخل الحجرة، معززة بمجال مغناطيسي مطبق خارجيًا ومطابق للتردد للحث على رنين السيكلوترون الإلكتروني. تحقق هذه الطريقة كثافات بلازما أعلى بكثير من كثافة RIE، مما يعزز معدل النقش وانتقائية القناع، وبالتالي تسهيل نقش الهياكل ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية جدًا. ومع ذلك، فإن تعقيد النظام، الذي يعتمد على وظيفة منسقة لمصادر الموجات الدقيقة، ومصادر الترددات اللاسلكية، والمجالات المغناطيسية، يفرض تحديات تشغيلية. وسرعان ما تبع ظهور حفر البلازما المقترنة حثيًا (ICP) كتبسيط على ECR.

4. النقش بالبلازما المقترنة حثياً (ICP).

تعمل تقنية النقش ICP على تبسيط النظام المعتمد على تقنية ECR باستخدام مصدرين للترددات اللاسلكية بتردد 13.56 ميجاهرتز للتحكم في كل من توليد البلازما وجهد انحياز التسارع. بدلاً من المجال المغناطيسي الخارجي المستخدم في ECR، يقوم الملف الحلزوني بإحداث مجال كهرومغناطيسي متناوب، كما هو موضح في المخطط. تنقل مصادر التردد الراديوي الطاقة من خلال الاقتران الكهرومغناطيسي إلى الإلكترونات الداخلية، التي تتحرك بحركة سيكلوترونية داخل المجال المستحث، وتتصادم مع غازات التفاعل لتسبب التأين. يحقق هذا الإعداد كثافات البلازما المماثلة لـ ECR. يجمع حفر ICP بين مزايا أنظمة الحفر المختلفة، مما يلبي احتياجات معدلات الحفر العالية، والانتقائية العالية، والتوحيد في منطقة كبيرة، وهيكل المعدات البسيط الذي يمكن التحكم فيه، وبالتالي يصبح سريعًا الخيار المفضل لجيل جديد من تقنيات حفر البلازما عالية الكثافة. .

5. خصائص الحفر الجاف

لقد اتخذت تقنية النقش الجاف موقعًا رئيسيًا بسرعة في التصنيع الجزئي والتصنيع النانوي نظرًا لتباينها الفائق ومعدلات النقش العالية، لتحل محل النقش الرطب. تتضمن معايير تقييم تقنية النقش الجاف الجيدة انتقائية القناع، وتباين الخواص، ومعدل النقش، والتوحيد العام، ونعومة السطح من تلف الشبكة. مع العديد من معايير التقييم، يجب النظر في الوضع المحدد على أساس احتياجات التصنيع. المؤشرات الأكثر مباشرة للحفر الجاف هي مورفولوجيا السطح، بما في ذلك تسطيح الأرضية المحفورة والجدران الجانبية وتباين المدرجات المحفورة، والتي يمكن التحكم فيها عن طريق ضبط نسبة التفاعلات الكيميائية إلى القصف المادي. عادةً ما يتم إجراء التوصيف المجهري بعد النقش باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح ومجهر القوة الذرية. تعد انتقائية القناع، وهي نسبة عمق حفر القناع إلى عمق المادة تحت نفس ظروف الحفر والوقت، أمرًا بالغ الأهمية. بشكل عام، كلما زادت الانتقائية، كانت دقة نقل النمط أفضل. تشمل الأقنعة الشائعة المستخدمة في النقش ICP مقاوم الضوء والمعادن والأفلام العازلة. يتميز مقاوم الضوء بانتقائية ضعيفة ويمكن أن يتحلل تحت درجات الحرارة المرتفعة أو القصف النشط؛ توفر المعادن انتقائية عالية ولكنها تشكل تحديات في إزالة القناع وغالبًا ما تتطلب تقنيات إخفاء متعددة الطبقات. بالإضافة إلى ذلك، قد تلتصق الأقنعة المعدنية بالجدران الجانبية أثناء الحفر، مما يشكل مسارات للتسرب. لذلك، يعد اختيار تقنية القناع المناسب أمرًا مهمًا بشكل خاص للحفر، ويجب تحديد اختيار مواد القناع بناءً على متطلبات الأداء المحددة للأجهزة.**