تُعرف عملية ترسيب الأغشية الرقيقة بتغطية المادة الأساسية لأشباه الموصلات بطبقة رقيقة من الفيلم. ويمكن تصنيع هذه الطبقة من مواد مختلفة، مثل مركب السيليكون العازل، أو السيليكون متعدد التبلور، أو النحاس المعدني، وغيرها. ويُطلق على المعدات المستخدمة في عملية التغطية اسم معدات ترسيب الأغشية الرقيقة.
من منظور عملية تصنيع رقائق أشباه الموصلات، يقع ذلك في عملية الواجهة الأمامية.
يمكن تقسيم عملية تحضير الأغشية الرقيقة إلى فئتين وفقًا لطريقة تشكيل الغشاء: الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) والترسيب الكيميائي للبخار(CVD)، والتي تشكل معدات عملية الترسيب الكيميائي للبخار نسبة أعلى من بينها.
يشير الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) إلى تبخير سطح مصدر المادة وترسيبها على سطح الركيزة من خلال غاز/بلازما منخفض الضغط، بما في ذلك التبخير والرش وشعاع الأيونات وما إلى ذلك؛
الترسيب الكيميائي للبخار (أمراض القلب والأوعية الدمويةيشير مصطلح (الترسيب الكيميائي للبخار) إلى عملية ترسيب طبقة صلبة على سطح رقاقة السيليكون من خلال تفاعل كيميائي لخليط غازي. ووفقًا لظروف التفاعل (الضغط، المادة الأولية)، ينقسم إلى ترسيب تحت الضغط الجوي.أمراض القلب والأوعية الدموية(APCVD)، ضغط منخفضأمراض القلب والأوعية الدموية(LPCVD)، وPECVD، وHDPCVD، وترسيب الطبقات الذرية (ALD).
الترسيب الكيميائي للبخار عند ضغط منخفض (LPCVD): يتميز هذا النوع من الترسيب بقدرة تغطية أفضل للطبقات، وتحكم دقيق في التركيب والبنية، ومعدل ترسيب وإنتاجية عاليين، كما يقلل بشكل كبير من مصادر تلوث الجسيمات. ويعتمد على معدات التسخين كمصدر للحرارة للحفاظ على التفاعل، لذا يُعد التحكم في درجة الحرارة وضغط الغاز أمرًا بالغ الأهمية. ويُستخدم على نطاق واسع في تصنيع طبقات البوليمر لخلايا توبكون.
تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (PECVD): تعتمد هذه التقنية على البلازما المتولدة بواسطة الحث بترددات الراديو لتحقيق درجة حرارة منخفضة (أقل من 450 درجة مئوية) لعملية ترسيب الأغشية الرقيقة. يُعدّ الترسيب عند درجة حرارة منخفضة ميزتها الرئيسية، مما يوفر الطاقة، ويقلل التكاليف، ويزيد الطاقة الإنتاجية، ويقلل من تدهور عمر حاملات الشحنة الثانوية في رقائق السيليكون الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. ويمكن تطبيقها في عمليات تصنيع أنواع مختلفة من الخلايا، مثل خلايا PERC وTOPCON وHJT.
تتميز تقنية الترسيب الذري الطبقي (ALD) بتجانس طبقة عالية، وكثافة ممتازة، وخلوها من الثقوب، وتغطية جيدة للطبقات، وإمكانية إجرائها في درجات حرارة منخفضة (من درجة حرارة الغرفة إلى 400 درجة مئوية)، وإمكانية التحكم بسهولة ودقة في سمك الطبقة، وتطبيقها الواسع على ركائز ذات أشكال مختلفة، وعدم الحاجة إلى التحكم في تجانس تدفق المواد المتفاعلة. إلا أن عيبها يكمن في بطء سرعة تكوين الطبقة. ومن الأمثلة على ذلك طبقة كبريتيد الزنك (ZnS) الباعثة للضوء المستخدمة في إنتاج العوازل النانوية (Al2O3/TiO2) وشاشات العرض الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة (TFEL).
الترسيب الطبقي الذري (ALD) هو عملية طلاء فراغي تُشكّل طبقة رقيقة على سطح الركيزة طبقةً تلو الأخرى، على شكل طبقة ذرية واحدة. في عام 1974، طوّر الفيزيائي الفنلندي تومو سونتولا هذه التقنية، وحصل على جائزة الألفية للتكنولوجيا وقيمتها مليون يورو. استُخدمت تقنية ALD في البداية لشاشات العرض الكهروضوئية المسطحة، لكنها لم تُستخدم على نطاق واسع. لم يبدأ اعتمادها في صناعة أشباه الموصلات إلا مع بداية القرن الحادي والعشرين. من خلال تصنيع مواد عازلة فائقة الرقة كبديل لأكسيد السيليكون التقليدي، نجحت هذه التقنية في حل مشكلة تيار التسريب الناتجة عن تقليل عرض خطوط ترانزستورات تأثير المجال، مما ساهم في تطوير قانون مور نحو خطوط أصغر. وقد صرّح الدكتور تومو سونتولا ذات مرة بأن تقنية ALD قادرة على زيادة كثافة تكامل المكونات بشكل ملحوظ.
تشير البيانات العامة إلى أن تقنية الترسيب الذري الطبقي (ALD) ابتكرها الدكتور تومو سونتولا من شركة بيكوسون في فنلندا عام 1974، وقد تم تطبيقها صناعيًا في الخارج، كما هو الحال في طبقة العزل الكهربائي العالية المستخدمة في رقاقة 45/32 نانومتر التي طورتها شركة إنتل. في الصين، أدخلت بلادي تقنية ALD بعد أكثر من 30 عامًا من دخول الدول الأخرى. في أكتوبر 2010، استضافت شركة بيكوسون في فنلندا وجامعة فودان أول اجتماع تبادل أكاديمي محلي حول تقنية ALD، حيث تم تقديم هذه التقنية إلى الصين لأول مرة.
بالمقارنة مع الترسيب الكيميائي للبخار التقليدي (أمراض القلب والأوعية الدموية) والترسيب الفيزيائي للبخار (PVD)، تتمثل مزايا ALD في التوافق ثلاثي الأبعاد الممتاز، وتجانس الفيلم على مساحة كبيرة، والتحكم الدقيق في السماكة، وهي مناسبة لنمو الأغشية الرقيقة للغاية على أشكال الأسطح المعقدة والهياكل ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية.
—مصدر البيانات: منصة المعالجة الدقيقة والنانوية بجامعة تسينغهوا—
في حقبة ما بعد مور، شهدت عملية تصنيع الرقائق الإلكترونية تحسناً كبيراً من حيث التعقيد وحجم العمليات. فعلى سبيل المثال، في رقائق المنطق، ومع ازدياد عدد خطوط الإنتاج التي تستخدم عمليات تصنيع بتقنيات أقل من 45 نانومتر، وخاصةً تلك التي تستخدم تقنيات 28 نانومتر وما دون، ارتفعت متطلبات التحكم في سُمك الطلاء ودقته. وبعد إدخال تقنية التعريض المتعدد، ازداد عدد خطوات عملية الترسيب الذري الطبقي (ALD) والمعدات اللازمة لها بشكل ملحوظ. وفي مجال رقائق الذاكرة، تطورت عملية التصنيع السائدة من بنية NAND ثنائية الأبعاد إلى بنية NAND ثلاثية الأبعاد، واستمر عدد الطبقات الداخلية في الازدياد، وأصبحت المكونات تتميز تدريجياً ببنية عالية الكثافة ونسبة أبعاد عالية، مما أدى إلى بروز الدور المحوري لتقنية الترسيب الذري الطبقي. ومن منظور التطور المستقبلي لأشباه الموصلات، ستلعب تقنية الترسيب الذري الطبقي دوراً متزايد الأهمية في حقبة ما بعد مور.
على سبيل المثال، تُعدّ تقنية الترسيب الذري الطبقي (ALD) التقنية الوحيدة القادرة على تلبية متطلبات التغطية وأداء الأغشية في الهياكل ثلاثية الأبعاد المعقدة (مثل ذاكرة NAND ثلاثية الأبعاد). ويتضح ذلك جليًا في الشكل أدناه. فالغشاء المُرسب بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) A (باللون الأزرق) لا يُغطي الجزء السفلي من الهيكل بالكامل؛ وحتى مع إجراء بعض التعديلات على عملية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) (CVD B) لتحقيق التغطية المطلوبة، يظل أداء الغشاء والتركيب الكيميائي للمنطقة السفلية ضعيفًا للغاية (المنطقة البيضاء في الشكل). في المقابل، تُظهر تقنية الترسيب الذري الطبقي (ALD) تغطية كاملة للغشاء، مع تحقيق خصائص غشاء عالية الجودة ومتجانسة في جميع مناطق الهيكل.
—-مزايا تقنية الترسيب الذري الطبقي (ALD) مقارنةً بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) (المصدر: ASM)—-
على الرغم من أن تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لا تزال تستحوذ على الحصة السوقية الأكبر على المدى القريب، فقد أصبحت تقنية الترسيب الذري الطبقي (ALD) من أسرع قطاعات سوق معدات تصنيع الرقائق نموًا. وفي هذا السوق الواعد بتقنية ALD، والذي يتمتع بإمكانات نمو هائلة ودور محوري في تصنيع الرقائق، تُعدّ شركة ASM شركة رائدة في مجال معدات ALD.
تاريخ النشر: 12 يونيو 2024