Κατανόηση της Πλήρους Διαδικασίας Κατασκευής Συσκευών Ημιαγωγών

1. Φωτολιθογραφία 

Η φωτολιθογραφία, συχνά συνώνυμη με τη δημιουργία προτύπων, είναι μια από τις πιο κρίσιμες κινητήριες δυνάμεις πίσω από την ταχεία πρόοδο της τεχνολογίας ημιαγωγών, που προέρχεται από τις διαδικασίες κατασκευής φωτογραφικών πλακών στην εκτύπωση. Αυτή η τεχνική επιτρέπει την παρουσίαση οποιουδήποτε σχεδίου σε μικρο ή νανοκλίμακα χρησιμοποιώντας φωτοανθεκτικό, και όταν συνδυάζεται με άλλες τεχνολογίες διεργασιών, μεταφέρει αυτά τα μοτίβα σε υλικά, υλοποιώντας διάφορα σχέδια και έννοιες υλικών και συσκευών ημιαγωγών. Η πηγή φωτός που χρησιμοποιείται στη φωτολιθογραφία επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια των μοτίβων, με επιλογές που κυμαίνονται από υπεριώδη, βαθιά υπεριώδη, έως ακτίνες Χ και δέσμες ηλεκτρονίων, καθεμία που αντιστοιχεί σε αυξανόμενα επίπεδα πιστότητας σχεδίων με τη σειρά που αναφέρεται.

Μια τυπική ροή διαδικασίας φωτολιθογραφίας περιλαμβάνει προετοιμασία επιφάνειας, πρόσφυση, μαλακό ψήσιμο, έκθεση, ψήσιμο μετά την έκθεση, ανάπτυξη, σκληρό ψήσιμο και επιθεώρηση.

Η επεξεργασία της επιφάνειας είναι επιβεβλημένη καθώς τα υποστρώματα απορροφούν συνήθως μόρια H2O από τον αέρα, κάτι που είναι επιζήμιο για τη φωτολιθογραφία. Επομένως, τα υποστρώματα υφίστανται αρχικά επεξεργασία αφυδάτωσης μέσω του ψησίματος.

Για τα υδρόφιλα υποστρώματα, η πρόσφυσή τους σε υδρόφοβο φωτοανθεκτικό είναι ανεπαρκής, προκαλώντας πιθανώς αποκόλληση φωτοανθεκτικού ή κακή ευθυγράμμιση του σχεδίου, επομένως την ανάγκη για έναν προαγωγέα πρόσφυσης. Επί του παρόντος, το εξαμεθυλδισιλαζάνιο (HMDS) και η τρι-μεθυλ-σιλυλ-διαιθυλ-αμίνη (TMSDEA) είναι ευρέως χρησιμοποιούμενοι ενισχυτές πρόσφυσης.

Μετά την επιφανειακή επεξεργασία, ξεκινά η εφαρμογή φωτοανθεκτικού. Το πάχος του εφαρμοζόμενου φωτοανθεκτικού δεν σχετίζεται μόνο με το ιξώδες του, αλλά επηρεάζεται επίσης από την ταχύτητα στυψίματος, γενικά αντιστρόφως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της ταχύτητας στυψίματος. Μετά την επικάλυψη, διεξάγεται ένα μαλακό ψήσιμο για να εξατμιστεί ο διαλύτης από το φωτοανθεκτικό, βελτιώνοντας την πρόσφυση σε μια διαδικασία γνωστή ως προψήσιμο.

Μόλις ολοκληρωθούν αυτά τα βήματα, πραγματοποιείται η έκθεση. Τα φωτοανθεκτικά ταξινομούνται ως θετικά ή αρνητικά, με αντίθετες ιδιότητες μετά την έκθεση.

Πάρτε για παράδειγμα το θετικό φωτοανθεκτικό, όπου το μη εκτεθειμένο φωτοανθεκτικό είναι αδιάλυτο στον προγραμματιστή, αλλά γίνεται διαλυτό μετά την έκθεση. Κατά τη διάρκεια της έκθεσης, η πηγή φωτός, περνώντας μέσα από μια μάσκα με μοτίβο, φωτίζει το επικαλυμμένο υπόστρωμα, σχηματίζοντας μοτίβα το φωτοανθεκτικό. Συνήθως, το υπόστρωμα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένο με τη μάσκα πριν από την έκθεση για να ελέγχεται με ακρίβεια η θέση έκθεσης. Η διάρκεια της έκθεσης πρέπει να ελέγχεται αυστηρά για να αποφευχθεί η παραμόρφωση του σχεδίου. Μετά την έκθεση, ενδέχεται να απαιτηθεί πρόσθετο ψήσιμο για τον μετριασμό των επιπτώσεων των στάσιμων κυμάτων, αν και αυτό το βήμα είναι προαιρετικό και μπορεί να παρακαμφθεί υπέρ της άμεσης ανάπτυξης. Η ανάπτυξη διαλύει το εκτεθειμένο φωτοανθεκτικό, μεταφέροντας το σχέδιο της μάσκας με ακρίβεια στο στρώμα φωτοανθεκτικού. Ο χρόνος ανάπτυξης είναι επίσης κρίσιμος - ο πολύ μικρός οδηγεί σε ατελή ανάπτυξη, ο πολύ μεγάλος χρόνος προκαλεί παραμόρφωση του μοτίβου.

Στη συνέχεια, το σκληρό ψήσιμο ενισχύει την προσκόλληση της φωτοανθεκτικής μεμβράνης στο υπόστρωμα και βελτιώνει την αντίστασή της στην χάραξη. Η θερμοκρασία σκληρού ψησίματος είναι γενικά ελαφρώς υψηλότερη από αυτή του προψημένου.

Τέλος, η μικροσκοπική επιθεώρηση επαληθεύει εάν το σχέδιο ευθυγραμμίζεται με τις προσδοκίες. Αφού το σχέδιο μεταφερθεί στο υλικό με άλλες διεργασίες, το φωτοανθεκτικό έχει εξυπηρετήσει το σκοπό του και πρέπει να αφαιρεθεί. Οι μέθοδοι απογύμνωσης περιλαμβάνουν την υγρή (χρησιμοποιώντας ισχυρούς οργανικούς διαλύτες όπως η ακετόνη) και την ξηρή (χρήση πλάσματος οξυγόνου για την χάραξη του φιλμ).

2. Τεχνικές Ντόπινγκ 

Το ντόπινγκ είναι απαραίτητο στην τεχνολογία ημιαγωγών, αλλάζοντας τις ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών ημιαγωγών όπως απαιτείται. Οι συνήθεις μέθοδοι ντόπινγκ περιλαμβάνουν τη θερμική διάχυση και την εμφύτευση ιόντων.

(1) Εμφύτευση ιόντων 

Η εμφύτευση ιόντων ρυπαίνει το υπόστρωμα του ημιαγωγού βομβαρδίζοντάς το με ιόντα υψηλής ενέργειας. Σε σύγκριση με τη θερμική διάχυση, έχει πολλά πλεονεκτήματα. Τα ιόντα, που επιλέγονται από έναν αναλυτή μάζας, εξασφαλίζουν υψηλή καθαρότητα ντόπινγκ. Καθ' όλη τη διάρκεια της εμφύτευσης, το υπόστρωμα παραμένει σε θερμοκρασία δωματίου ή λίγο παραπάνω. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές μεμβράνες κάλυψης, όπως το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) και το φωτοανθεκτικό, παρέχοντας υψηλή ευελιξία με τεχνικές αυτοευθυγραμμισμένης μάσκας. Οι δόσεις των εμφυτευμάτων ελέγχονται με ακρίβεια και η κατανομή ιόντων της εμφυτευμένης ακαθαρσίας είναι ομοιόμορφη εντός του ίδιου επιπέδου, με αποτέλεσμα υψηλή επαναληψιμότητα.

Το βάθος εμφύτευσης καθορίζεται από την ενέργεια των ιόντων. Ρυθμίζοντας την ενέργεια και τη δόση, η κατανομή των ιόντων ακαθαρσίας στο υπόστρωμα μετά την εμφύτευση μπορεί να τροποποιηθεί. Πολλαπλές εμφυτεύσεις με ποικίλα σχήματα μπορούν να εκτελούνται συνεχώς για την επίτευξη διαφόρων προφίλ ακαθαρσιών. Συγκεκριμένα, σε μονοκρυσταλλικά υποστρώματα, εάν η κατεύθυνση εμφύτευσης είναι παράλληλη με την κρυσταλλογραφική κατεύθυνση, συμβαίνουν φαινόμενα διοχέτευσης - ορισμένα ιόντα θα ταξιδεύουν κατά μήκος των καναλιών, καθιστώντας τον έλεγχο του βάθους πρόκληση.

Για να αποφευχθεί η διοχέτευση, η εμφύτευση συνήθως διεξάγεται σε γωνία περίπου 7° ως προς τον κύριο άξονα του μονοκρυσταλλικού υποστρώματος ή καλύπτοντας το υπόστρωμα με ένα άμορφο στρώμα.

Ωστόσο, η εμφύτευση ιόντων μπορεί να βλάψει σημαντικά την κρυσταλλική δομή του υποστρώματος. Τα ιόντα υψηλής ενέργειας, κατά τη σύγκρουση, μεταφέρουν ενέργεια στους πυρήνες και τα ηλεκτρόνια του υποστρώματος, αναγκάζοντάς τους να εγκαταλείψουν το πλέγμα και να σχηματίσουν ζεύγη ελαττωμάτων διάμεσης κενής θέσης. Σε σοβαρές περιπτώσεις, η κρυσταλλική δομή σε ορισμένες περιοχές μπορεί να καταστραφεί, σχηματίζοντας άμορφες ζώνες.

Η βλάβη του πλέγματος επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού ημιαγωγού, όπως η μείωση της κινητικότητας του φορέα ή η διάρκεια ζωής των φορέων που δεν βρίσκονται σε ισορροπία. Το πιο σημαντικό, η πλειονότητα των εμφυτευμένων ακαθαρσιών καταλαμβάνει ακανόνιστες ενδιάμεσες θέσεις, αποτυγχάνοντας να σχηματίσουν αποτελεσματικό ντόπινγκ. Ως εκ τούτου, η αποκατάσταση της βλάβης του πλέγματος μετά την εμφύτευση και η ηλεκτρική ενεργοποίηση των ακαθαρσιών είναι απαραίτητες.

(2)Ταχεία θερμική επεξεργασία (RTP)

 Η θερμική ανόπτηση είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την αντιμετώπιση της βλάβης του πλέγματος που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων και τις ηλεκτρικές ακαθαρσίες. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα ζεύγη ελαττωμάτων διάμεσης κενής θέσης στο κρυσταλλικό πλέγμα του υποστρώματος θα ανασυνδυαστούν και θα εξαφανιστούν. άμορφες περιοχές θα ανακρυσταλλωθούν επίσης από το όριο με μονοκρυσταλλικές περιοχές μέσω επιταξίας στερεάς φάσης. Για να αποτραπεί η οξείδωση του υλικού του υποστρώματος σε υψηλές θερμοκρασίες, η θερμική ανόπτηση πρέπει να διεξάγεται σε ατμόσφαιρα κενού ή αδρανούς αερίου. Η παραδοσιακή ανόπτηση διαρκεί πολύ και μπορεί να προκαλέσει σημαντική ανακατανομή ακαθαρσιών λόγω διάχυσης.

Η έλευση τουΤεχνολογία RTPαντιμετωπίζει αυτό το ζήτημα, επιτυγχάνοντας σε μεγάλο βαθμό την επιδιόρθωση ζημιών του πλέγματος και την ενεργοποίηση ακαθαρσιών μέσα σε μια συντομευμένη διάρκεια ανόπτησης.

Ανάλογα με την πηγή θερμότητας,RTPκατηγοριοποιείται σε διάφορους τύπους: σάρωση δέσμης ηλεκτρονίων, παλμικές δέσμες ηλεκτρονίων και ιόντων, παλμικά λέιζερ, λέιζερ συνεχών κυμάτων και ευρυζωνικές πηγές ασυνάρτητου φωτός (λαμπτήρες αλογόνου, θερμαντήρες γραφίτη, λαμπτήρες τόξου), με τις τελευταίες να είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες. Αυτές οι πηγές μπορούν να θερμάνουν το υπόστρωμα στην απαιτούμενη θερμοκρασία σε μια στιγμή, ολοκληρώνοντας την ανόπτηση σε σύντομο χρονικό διάστημα και μειώνοντας αποτελεσματικά τη διάχυση ακαθαρσιών.

3. Τεχνικές εναπόθεσης φιλμ

(1) Ενισχυμένη με πλάσμα χημική εναπόθεση ατμών (PECVD)

Το PECVD είναι μια μορφή τεχνικής χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) για την εναπόθεση φιλμ, με τις άλλες δύο να είναι η ατμοσφαιρική πίεση CVD (APCVD) και η χαμηλή πίεση CVD (LPCVD).

Επί του παρόντος, το PECVD είναι το πιο ευρέως εφαρμοσμένο μεταξύ των τριών τύπων. Χρησιμοποιεί πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων (RF) για την έναρξη και τη διατήρηση χημικών αντιδράσεων σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, διευκολύνοντας έτσι την εναπόθεση φιλμ σε χαμηλή θερμοκρασία με υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης. Το σχηματικό του εξοπλισμού είναι όπως απεικονίζεται. 

Οι μεμβράνες που παράγονται μέσω αυτής της μεθόδου εμφανίζουν εξαιρετικές ιδιότητες πρόσφυσης και ηλεκτρισμού, ελάχιστο μικροπορώδες, υψηλή ομοιομορφία και στιβαρές ικανότητες πλήρωσης μικρής κλίμακας. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα της εναπόθεσης PECVD περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία του υποστρώματος, τον ρυθμό ροής αερίου, την πίεση, την ισχύ ραδιοσυχνοτήτων και τη συχνότητα.

(2) Sputtering 

Το Sputtering είναι μια μέθοδος φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD). Τα φορτισμένα ιόντα (κοινώς ιόντα αργού, Ar+) επιταχύνονται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, αποκτώντας κινητική ενέργεια. Κατευθύνονται προς το υλικό-στόχο, συγκρούονται με τα μόρια-στόχους και προκαλώντας την απομάκρυνση και την εκτόξευση τους. Αυτά τα μόρια διαθέτουν επίσης σημαντική κινητική ενέργεια και κινούνται προς το υπόστρωμα, εναποθέτοντας πάνω του.

Οι τυπικά χρησιμοποιούμενες πηγές ισχύος εκτόξευσης περιλαμβάνουν το συνεχές ρεύμα (DC) και τη ραδιοσυχνότητα (RF), όπου η διασκορπισμός συνεχούς ρεύματος μπορεί να εφαρμοστεί άμεσα σε αγώγιμα υλικά όπως τα μέταλλα, ενώ τα μονωτικά υλικά απαιτούν διασκορπισμό ραδιοσυχνοτήτων για την εναπόθεση φιλμ.

Η συμβατική εκτόξευση υποφέρει από χαμηλούς ρυθμούς εναπόθεσης και υψηλές πιέσεις εργασίας, με αποτέλεσμα χαμηλότερη ποιότητα φιλμ. Η διασκορπισμός μαγνητρονίων αντιμετωπίζει αυτά τα ζητήματα πιο ιδανικά. Χρησιμοποιεί ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο για να αλλάξει τη γραμμική τροχιά των ιόντων σε μια ελικοειδή διαδρομή γύρω από την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, επιμηκύνοντας τη διαδρομή τους και βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα της σύγκρουσης με τα μόρια-στόχους, ενισχύοντας έτσι την απόδοση εκτόξευσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αυξημένους ρυθμούς εναπόθεσης, μειωμένες πιέσεις εργασίας και σημαντικά βελτιωμένη ποιότητα φιλμ.

4. Χαλκογραφία Τεχνικές

Η χάραξη ταξινομείται σε ξηρή και υγρή λειτουργία, που ονομάζονται για τη χρήση (ή την έλλειψη) συγκεκριμένων διαλυμάτων αντίστοιχα.

Τυπικά, η χάραξη απαιτεί την προετοιμασία ενός στρώματος μάσκας (το οποίο μπορεί να είναι άμεσα φωτοανθεκτικό) για την προστασία των περιοχών που δεν προορίζονται για χάραξη.

(1) Ξηρή χάραξη

Οι συνήθεις τύποι ξηρής χάραξης περιλαμβάνουνΧαλκογραφία επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP)., Χάραξη δέσμης ιόντων (IBE) και χάραξη αντιδραστικών ιόντων (RIE).

Στη χάραξη ICP, το πλάσμα που παράγεται από εκκένωση λάμψης περιέχει πολυάριθμες ελεύθερες ρίζες υψηλής χημικής δράσης (ελεύθερα άτομα, μόρια ή ατομικές ομάδες), οι οποίες αντιδρούν χημικά με το υλικό στόχο για να σχηματίσουν πτητικά προϊόντα, επιτυγχάνοντας έτσι χάραξη.

Το IBE χρησιμοποιεί ιόντα υψηλής ενέργειας (ιονισμένα από αδρανή αέρια) για να βομβαρδίσει άμεσα την επιφάνεια του υλικού στόχου για χάραξη, αντιπροσωπεύοντας μια φυσική διαδικασία.

Το RIE θεωρείται ένας συνδυασμός των δύο προηγούμενων, αντικαθιστώντας το αδρανές αέριο που χρησιμοποιείται στο IBE με το αέριο που χρησιμοποιείται στη χάραξη ICP, αποτελώντας έτσι το RIE.

Για ξηρή χάραξη, ο ρυθμός κατακόρυφης χάραξης υπερβαίνει κατά πολύ τον πλευρικό ρυθμό, δηλ. έχει υψηλό λόγο διαστάσεων, επιτρέποντας ακριβή αναπαραγωγή του σχεδίου μάσκας. Ωστόσο, η ξηρή χάραξη χαράσσει επίσης το στρώμα της μάσκας, δείχνοντας μικρότερη επιλεκτικότητα (ο λόγος των ρυθμών χάραξης του υλικού στόχου προς το στρώμα μάσκας), ειδικά με το IBE, το οποίο μπορεί να χαράξει μη επιλεκτικά στην επιφάνεια του υλικού.

(2) Υγρή χάραξη 

Η υγρή χάραξη υποδηλώνει τη μέθοδο χάραξης που επιτυγχάνεται με την εμβάπτιση του υλικού στόχου σε ένα διάλυμα (χαλκτικό) που αντιδρά χημικά με αυτό.

Αυτή η μέθοδος χάραξης είναι απλή, οικονομικά αποδοτική και παρουσιάζει καλή επιλεκτικότητα, αλλά έχει χαμηλό λόγο διαστάσεων. Το υλικό κάτω από τις άκρες της μάσκας μπορεί να διαβρωθεί, καθιστώντας το λιγότερο ακριβές από την ξηρή χάραξη. Για να μετριαστούν οι αρνητικές επιπτώσεις ενός χαμηλού λόγου διαστάσεων, πρέπει να επιλεγούν οι κατάλληλοι ρυθμοί χάραξης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό χάραξης περιλαμβάνουν τη συγκέντρωση του χαρακτικού, τον χρόνο χάραξης και τη θερμοκρασία του χαρακτικού.**