سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد .جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778
کاربرد آرگون در صنعت نیمه‌هادی‌ها و تولید تراشه (نسخه کامل‌تر)
آرگون (Ar) به عنوان یک گاز نجیب و بی‌اثر، نقش بسیار مهمی در صنعت نیمه‌هادی‌ها ایفا می‌کند. این گاز در فرآیندهای مختلفی از جمله اچینگ، رسوب‌دهی لایه‌های نازک، و تمیزکاری پلاسما استفاده می‌شود. در این مقاله، به بررسی دقیق‌تر کاربردهای آرگون در این صنعت و مزایای استفاده از آن می‌پردازیم.
آرگون در فرآیند اچینگ
اچینگ یکی از مراحل حیاتی در تولید نیمه‌هادی‌ها است که در آن مواد اضافی از سطح ویفر حذف می‌شوند تا الگوهای مداری دقیقی ایجاد شوند. آرگون در دو نوع اصلی اچینگ، یعنی اچینگ خشک و تر، کاربرد دارد. انتخاب نوع اچینگ و گاز مورد استفاده به عواملی مانند ماده‌ای که باید حذف شود، دقت مورد نیاز، و نوع الگوی مورد نظر بستگی دارد.
1.1. اچینگ خشک (Dry Etching)
در روش اچینگ خشک، از پلاسمای آرگون برای حذف مواد از سطح ویفر استفاده می‌شود. فرآیند اچینگ خشک به دلیل دقت بسیار بالا، قابلیت کنترل دقیق ابعاد الگوها، و امکان خودکارسازی، در تولید تراشه‌های مدرن با ابعاد نانومتری بسیار رایج است. این روش برخلاف اچینگ تر، از محلول‌های شیمیایی مایع استفاده نمی‌کند، که این امر از مشکلات مربوط به انحلال یا باقی‌مانده مواد شیمیایی جلوگیری می‌کند.
در اچینگ خشک، گاز آرگون در یک محفظه خلاء قرار گرفته و تحت تأثیر میدان الکتریکی (معمولاً RF یا DC) قرار می‌گیرد. این میدان الکتریکی باعث یونیزاسیون گاز آرگون می‌شود. مولکول‌های آرگون به اتم‌های آرگون و سپس به یون‌های آرگون (Ar+) و الکترون‌های آزاد تجزیه می‌شوند. این یون‌های آرگون باردار، در اثر میدان الکتریکی شتاب داده شده و با انرژی بالایی به سطح ویفر برخورد می‌کنند. اثر این برخوردها می‌تواند فیزیکی (کندوپاش) یا شیمیایی (در صورت ترکیب با گازهای دیگر) باشد.
1.1.1. اچینگ یونی فیزیکی (Physical Ion Etching / Ion Milling / Sputter Etching):
این روش یکی از خالص‌ترین و فیزیکی‌ترین اشکال اچینگ است. در این فرآیند، تنها از گاز آرگون استفاده می‌شود و هدف اصلی، حذف مواد از طریق فرآیند کندوپاش (sputtering) است. یون‌های آرگون (Ar+) با انرژی بالا به سطح ویفر برخورد کرده و اتم‌های ماده سطح را با نیروی مکانیکی از جای خود کنده و به صورت بخار یا ذرات کوچک جدا می‌کنند. این اتم‌های جدا شده سپس توسط پمپ‌های خلاء از محفظه خارج می‌شوند.
مزایا:
یکنواختی بالا: این روش می‌تواند لایه‌ها را به صورت بسیار یکنواخت اچ کند.
کنترل دقیق ضخامت: امکان حذف مقادیر بسیار کم و دقیق از مواد وجود دارد.
عدم استفاده از مواد شیمیایی خورنده: برای موادی که نسبت به مواد شیمیایی حساس هستند، مناسب است.
حذف ذرات ناخواسته: می‌تواند ذرات سطحی و آلودگی‌های سبک را نیز حذف کند.
معایب:
نرخ برداشت پایین: در مقایسه با برخی روش‌های شیمیایی، سرعت کمتری دارد.
امکان آسیب‌رسانی به ساختار کریستالی: یون‌های پرانرژی می‌توانند باعث نقص در شبکه کریستالی مواد شوند.
انتخاب‌پذیری محدود: در حذف مواد مختلف، تمایز زیادی قائل نمی‌شود و ممکن است زیرلایه را نیز تحت تاثیر قرار دهد.
کاربردها: حذف لایه‌های نازک فلزی (مانند آلومینیوم، مس، تنگستن)، لایه‌های اکسیدی، و همچنین برای تمیزکاری سطوح قبل از رسوب‌دهی.
1.1.2. اچینگ شیمیایی پلاسما (Plasma Chemical Etching / Reactive Ion Etching – RIE):
این روش ترکیبی از اصول اچینگ خشک و شیمیایی است. در این حالت، علاوه بر گاز آرگون، گازهای واکنش‌گر دیگری مانند کلر (Cl2)، هیدروژن فلوراید (HF)، یا تری‌فلوئورومتان (CF4) به محفظه پلاسما اضافه می‌شوند. نقش آرگون در این فرآیند چندگانه است:
یونیزاسیون و ایجاد پلاسما: آرگون به ایجاد یک پلاسمای پایدار و متراکم کمک می‌کند.
فعال‌سازی گازهای واکنش‌گر: یون‌های آرگون با انرژی بالا با مولکول‌های گازهای واکنش‌گر برخورد کرده و آن‌ها را شکسته و به رادیکال‌های آزاد (species با واکنش‌پذیری بالا) تبدیل می‌کنند. برای مثال، یون‌های آرگون CF4 را شکسته و رادیکال‌های F و CF3 ایجاد می‌کنند.
تسریع فرآیند کندوپاش: یون‌های آرگون با برخورد به سطح ویفر، علاوه بر کندوپاش فیزیکی، واکنش‌پذیری مواد سطحی را افزایش داده و به واکنش شیمیایی رادیکال‌ها با مواد سطح و تشکیل ترکیبات گازی کمک می‌کنند. این ترکیب از اثرات فیزیکی و شیمیایی، فرآیند اچینگ را بسیار سریع‌تر و انتخابی‌تر می‌کند.
مزایا:
نرخ برداشت بالا: به دلیل ماهیت شیمیایی، سرعت اچینگ بالاتری دارد.
انتخاب‌پذیری بالا: با انتخاب گازهای واکنش‌گر مناسب، می‌توان مواد خاصی را با دقت بالا اچ کرد.
انیسوتروپی (Anisotropy): این روش قادر به ایجاد الگوهای عمودی و با دیواره‌های صاف است که برای ساخت ترانزیستورهای مدرن حیاتی است.
معایب:
پیچیدگی فرآیند: نیاز به کنترل دقیق ترکیب گازها و پارامترهای پلاسما دارد.
خطر آسیب‌رسانی شیمیایی: گازهای واکنش‌گر ممکن است به مواد حساس یا ساختارهای زیرین آسیب برسانند.
تولید محصولات جانبی: واکنش‌های شیمیایی ممکن است محصولات جانبی ناخواسته‌ای تولید کنند که نیاز به حذف دارند.
کاربردها: اچ کردن شیارها (trenches) و پنجره‌ها (windows) در لایه‌های دی‌الکتریک (مانند SiO2)، اچ کردن فلزات (مانند مس، آلومینیوم)، و همچنین در ساخت گیت ترانزیستورها.
1.2. اچینگ تر (Wet Etching)
در اچینگ تر، از محلول‌های شیمیایی مایع مانند اسیدها (مانند HF، H3PO4) یا بازها (مانند KOH) برای حذف مواد از سطح ویفر استفاده می‌شود. آرگون به طور مستقیم در واکنش شیمیایی اچینگ تر شرکت نمی‌کند. با این حال، در برخی کاربردها، آرگون به صورت غیرمستقیم نقش ایفا می‌کند:
ایجاد محیط خنثی و محافظ: قبل یا بعد از فرآیند اچینگ تر، ممکن است ویفرها در معرض هوا یا گازهای دیگر قرار گیرند. استفاده از جریان آرگون برای شستشوی (rinsing) سطح ویفر، به حذف ذرات باقی‌مانده از محلول اچینگ و جلوگیری از آلودگی‌های سطحی کمک می‌کند.
محافظت در برابر اکسیداسیون: در برخی موارد، آرگون می‌تواند به عنوان یک گاز پوشش‌دهنده (blanketing gas) برای جلوگیری از اکسیداسیون ناخواسته سطح ویفر در دماهای بالا استفاده شود، هرچند این کاربرد بیشتر در مراحل دیگر تولید رایج است.
اچینگ تر عمدتاً ایزوتروپیک (isotropic) است، به این معنی که در تمام جهات با سرعت یکسان عمل می‌کند. این امر باعث می‌شود که برای ایجاد الگوهای با ابعاد بسیار کوچک و دقت بالا مناسب نباشد، زیرا الگوها تمایل به پهن شدن در زیر ماسک (mask) دارند.
آرگون در فرآیند رسوب‌دهی لایه‌های نازک
رسوب‌دهی لایه‌های نازک فرآیندی است که در آن یک یا چند لایه جامد از مواد مختلف با ضخامت‌های بسیار کم (از چند نانومتر تا چند میکرومتر) بر روی سطح ویفر رسوب داده می‌شوند. این لایه‌ها خواص الکتریکی، نوری، یا مکانیکی مورد نیاز برای عملکرد تراشه را فراهم می‌کنند. آرگون نقش محوری در روش‌های رسوب‌دهی فیزیکی بخار (Physical Vapor Deposition – PVD) ایفا می‌کند، به ویژه در روش اسپاترینگ.
2.1. اسپاترینگ (Sputtering)
اسپاترینگ یکی از پرکاربردترین روش‌های PVD است که در آن اتم‌های ماده هدف (target) به صورت فیزیکی از سطح خود جدا شده و بر روی ویفر رسوب داده می‌شوند. در فرآیند اسپاترینگ، گاز آرگون به عنوان یک “بمباران‌کننده” عمل می‌کند:
یونیزاسیون آرگون: گاز آرگون به درون یک محفظه خلاء (معمولاً با فشار چند میلی‌تور) وارد شده و در اثر میدان الکتریکی (DC یا RF) یونیزه می‌شود.
بمباران هدف: یون‌های آرگون (Ar+) با انرژی بالا به سمت یک هدف (که از ماده مورد نظر برای رسوب‌دهی ساخته شده است) شتاب داده می‌شوند.
کندوپاش (Sputtering): برخورد یون‌های آرگون به سطح هدف، باعث انتقال انرژی جنبشی به اتم‌های سطح هدف شده و این اتم‌ها را از جای خود کنده و به صورت بخار اتمی یا مولکولی آزاد می‌کند.
رسوب‌دهی: اتم‌های آزاد شده از هدف، در فضای خلاء حرکت کرده و بر روی سطح ویفر که در نزدیکی هدف قرار دارد، رسوب کرده و لایه نازک مورد نظر را تشکیل می‌دهند.
مزایای اسپاترینگ:
یکنواختی بالا: لایه‌های رسوب داده شده معمولاً بسیار یکنواخت هستند.
چسبندگی خوب: لایه‌های رسوب داده شده چسبندگی خوبی به زیرلایه دارند.
قابلیت رسوب‌دهی طیف وسیعی از مواد: فلزات، آلیاژها، اکسیدها، نیتریدها و حتی سرامیک‌ها را می‌توان با این روش رسوب داد.
کنترل دقیق ضخامت و ترکیب: با تنظیم پارامترهای فرآیند، می‌توان ضخامت و ترکیب لایه را کنترل کرد.
قابلیت رسوب‌دهی مواد با نقطه ذوب بالا: برخلاف روش تبخیر حرارتی، برای مواد با نقطه ذوب بالا نیز مناسب است.
انواع اسپاترینگ:
2.1.1. اسپاترینگ DC (DC Sputtering):
این روش برای رسوب‌دهی مواد رسانا (مانند فلزات) استفاده می‌شود. در این روش، پلاسما با اعمال ولتاژ DC بین هدف رسانا و صفحه دیگر (یا دیواره محفظه) ایجاد می‌شود. یون‌های آرگون به سمت هدف رسانا که کاتد (منفی) است، شتاب داده می‌شوند.
2.1.2. اسپاترینگ RF (RF Sputtering):
این روش برای رسوب‌دهی مواد نارسانا (مانند اکسیدها، نیتریدها، سرامیک‌ها) استفاده می‌شود. از آنجایی که مواد نارسانا نمی‌توانند به طور موثر یک سطح منفی برای جذب یون‌ها ایجاد کنند، اعمال ولتاژ DC باعث ایجاد بار سطحی و توقف فرآیند می‌شود. در اسپاترینگ RF، با اعمال یک میدان الکتریکی با فرکانس رادیویی (معمولاً 13.56 مگاهرتز)، یک پلاسما قوی و پایدار ایجاد می‌شود. این میدان RF باعث حرکت سریع الکترون‌ها و یون‌ها شده و فرآیند اسپاترینگ را حتی برای مواد نارسانا نیز ممکن می‌سازد.
2.1.3. اسپاترینگ مغناطیسی (Magnetron Sputtering):
این روش بهبود یافته اسپاترینگ DC یا RF است که در آن از آهنرباها برای متمرکز کردن و افزایش چگالی پلاسما در نزدیکی سطح هدف استفاده می‌شود. این کار باعث افزایش نرخ رسوب‌دهی و کاهش احتمال آسیب‌رسانی به ویفر توسط یون‌های پرانرژی می‌شود.
2.2. رسوب‌دهی با لیزر پالسی (Pulsed Laser Deposition – PLD)
در این روش، یک لیزر پالسی با توان بالا، هدف ماده مورد نظر را مورد اصابت قرار می‌دهد. انرژی لیزر باعث تبخیر (ablation) قسمتی از ماده هدف و ایجاد یک “پلاسمای تبخیری” می‌شود. این پلاسما شامل یون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌های ماده هدف است. گاز آرگون در PLD می‌تواند نقش‌های مختلفی ایفا کند:
گاز حامل: آرگون به عنوان یک گاز خنثی و حامل، به انتقال مواد تبخیر شده از هدف به سطح ویفر کمک می‌کند.
کنترل فشار: تنظیم فشار آرگون می‌تواند بر دینامیک پلاسما و توزیع مواد رسوب داده شده تأثیر بگذارد.
فعال‌سازی: در برخی موارد، آرگون می‌تواند به فعال‌سازی شیمیایی برخی واکنش‌ها در طی فرآیند رسوب‌دهی کمک کند، اگرچه این نقش کمتر از نقشش در اچینگ شیمیایی پلاسما است.
بدون دیدگاه