قد يكون حفر البلازما هو العملية الأكثر أهمية في تصنيع أشباه الموصلات، ويمكن أن يكون أيضًا أحد أكثر العمليات تعقيدًا في جميع عمليات تصنيع الرقاقات، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الطباعة الحجرية. ما يقرب من نصف خطوات تصنيع الرقائق تعتمد على البلازما، وهو غاز مؤين عالي الطاقة، لأداء مهامها.

وعلى الرغم من التقلص المستمر للترانزستورات ووحدات التخزين، لا يزال المهندسون يعملون على توفير عمليات نقش موثوقة.

صرح توماس بوندور، نائب رئيس التسويق لمجموعة منتجات Etch التابعة لشركة Lam Research، قائلاً: "من أجل تصنيع الرقائق بشكل مستدام بدقة مستوى النانومتر والهياكل الصحيحة، يحتاج مصنعو المعدات الخاصة بمصانع أشباه الموصلات إلى اختراق حدود فيزياء البلازما، وهندسة المواد، وعلوم البيانات لتوفير حلول المعدات المطلوبة. ويتجلى هذا بشكل خاص في النقش بالبلازما، الذي يعمل جنبًا إلى جنب مع الطباعة الحجرية لإنشاء ميزات دقيقة وقابلة للتكرار على الرقاقات.

يفحص هذا التقرير خطوات النقش الرئيسية في 3D NAND وDRAM وnanosheet FET والوصلات البينية، ويتطلع أيضًا إلى الأجهزة ثنائية الأبعاد ومعالجة الواجهة الخلفية. تسعى الصناعة أيضًا إلى اتباع كيمياء الحفر الأكثر استدامة لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المكافئة من مصانع الرقائق الخاصة بها.

بالنسبة للعديد من الشركات المصنعة للأدوات، تلعب نمذجة العمليات دورًا حاسمًا في تطوير عملية الحفر. الهدف هو تقصير وقت الوصول إلى السوق مع تقليل تكاليف الرقاقات والقناع.

وقال باريت فينش، المدير الأول للتسويق في شركة Lam Research: "قد يستغرق تحسين عملية الحفر لبعض الخطوات الأكثر تحديًا عامًا أو أكثر حتى يكتمل. لقد أكملنا مؤخرًا بعض عمليات محاكاة العمليات في غضون ثلاثة أسابيع، والتي كان من المتوقع أن تستغرق ثلاثة أشهر باستخدام الاختبار والتطوير النموذجي المعتمد على السيليكون.

وفيما يتعلق بتكاليف الأقنعة والرقائق وحدها، يمكن أن يصل هذا إلى مئات الآلاف أو حتى ملايين الدولارات لمصنعي المعدات.

أساسيات النقش

تعمل عمليات النقش وتقنيات الطباعة الحجرية معًا في تصنيع أشباه الموصلات. يتم إجراء التنميش عادة قبل ترسيب الأغشية الرقيقة (عن طريق ترسيب البخار أو ترسيب البخار الكيميائي أو الفيزيائي، وما إلى ذلك). بشكل عام، يتم طلاء فيلم CVD بمادة مقاومة للضوء، ثم يتم استخدام الطباعة الحجرية الضوئية (248 نانومتر أو 193 نانومتر فوق البنفسجية، 13.5 نانومتر فوق البنفسجية) لكشف النمط من خلال قناع ضوئي. ثم يتم تطوير المقاومة للكشف عن النمط. في غرفة حفر البلازما ذات الرقاقة الواحدة، تُستخدم عادةً مواد النقش الكيميائية والقصف الأيوني لإزالة فيلم الأمراض القلبية الوعائية باستخدام قناع مقاوم الضوء كدليل (في مقاومات النغمة الإيجابية). بعد النقش، يتم سحق المقاومة، يليها التنظيف الكيميائي الرطب و/أو النقش الرطب لإزالة البقايا.

يمكن تصنيف عمليات حفر البلازما تقريبًا إلى حفر عازل أو سيليكون أو موصل. من الأفضل حفر المواد العازلة مثل ثاني أكسيد السيليكون ونيتريد السيليكون باستخدام الغازات المعتمدة على الفلور، بينما تتفاعل طبقات السيليكون والمعادن بشكل أفضل مع الكلور. هناك أساسًا ثلاثة أوضاع للنقش الجاف - النقش الأيوني التفاعلي، والنقش بالبلازما، والنقش بالرش (شعاع الأيون). تتضمن عمليات الحفر تفاعلات معقدة بين الأنواع التفاعلية والبلازما ومواد الرقائق. عندما يتم تطبيق انحياز التردد الراديوي على الغاز التفاعلي، تقوم الإلكترونات والأيونات الموجبة الشحنة بإزالة المواد (الحفر) فعليًا من خلال القصف، بينما تتفاعل الأنواع الكيميائية والجذور مع المواد المكشوفة لتكوين منتجات ثانوية متطايرة. يمكن أن يكون التنميش متناحيًا (معدلات تفاعل رأسية وجانبية متساوية)، أو متباين الخواص (عموديًا فقط)، أو شيئًا بينهما.

الشكل 1: يؤدي الانتقال من finFET إلى GAA إلى الحاجة الماسة إلى النقش الانتقائي الخواص. المصدر: لام للأبحاث.

المقاييس الرئيسية التي يهتم بها مهندسو الحفر هي معدل الحفر، والتحكم في الملف الشخصي، والتوحيد (عبر الرقاقة بأكملها)، وانتقائية الحفر، حيث تؤثر هذه العوامل على الإنتاجية والإنتاجية. تشير انتقائية الحفر إلى معدل إزالة المادة التي يتم حفرها مقارنة بالطبقة الأساسية لها، مثل SiO2 على السيليكون. ومن المفيد أيضًا عدم إزالة مقاوم الضوء الزائد أثناء عملية النقش. ومع ذلك، في مثل هذه الحالات، يتم نقله عادةً إلى قناع صلب (ثاني أكسيد السيليكون، نيتريد السيليكون، SiOC، TiN) قبل نقل النمط إلى الفيلم الأساسي.
تتراوح المواصفات الانتقائية من 2:1 إلى 1000:1 (حفر انتقائي للغاية). مع كل عقدة جديدة، تصبح هذه المواصفات أكثر صرامة. صرّح فيليب بيزارد، مهندس البحث والتطوير في مجال الحفر الجاف في شركة imec: "مع استبدال تقنية EUV التقليدية بتقنية EUV عالية الكثافة خلال السنوات الأربع المقبلة، سينخفض التركيز بشكل كبير، وبالتالي لن تتمكن من تعريض مقاومات ضوئية سميكة - عندما أقول سميكة، أعني 30 نانومترًا." وأضاف: "لكنك لا تزال بحاجة إلى نقش بنفس سمك الغشاء تحتها. لذا، ستحتاج الآن إلى انتقائية أعلى لأننا نحتاج إلى تحقيق 10:1 بدلاً من 2:1، وهو ما يمثل زيادة مفاجئة في الانتقائية بمقدار 4 إلى 5 مرات."

يتبع...