تدفق عملية أشباه الموصلات

يمكنك فهم هذا الشرح حتى لو لم تدرس الفيزياء أو الرياضيات من قبل، ولكنه مبسط للغاية ومناسب للمبتدئين. إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن تقنية CMOS، فعليك قراءة محتوى هذا العدد، لأنه بعد فهم آلية التصنيع (أي عملية إنتاج الثنائي) ستتمكن من متابعة فهم المحتوى التالي. لنتعرف الآن في هذا العدد على كيفية إنتاج هذه التقنية في مصانع أشباه الموصلات (مع الأخذ في الاعتبار عملية التصنيع غير المتقدمة كمثال، حيث تختلف تقنية CMOS المتقدمة في بنيتها ومبدأ إنتاجها).

أولاً وقبل كل شيء، يجب أن تعلم أن الرقائق التي تحصل عليها المسبكة من المورد (رقاقة السيليكونالمورد) واحداً تلو الآخر، بنصف قطر 200 مم (8 بوصة(المصنع) أو 300 مم (12 بوصةالمصنع). كما هو موضح في الشكل أدناه، فهو يشبه في الواقع كعكة كبيرة، والتي نسميها الركيزة.

لكن ليس من المناسب لنا النظر إلى الأمر بهذه الطريقة. ننظر من الأسفل إلى الأعلى وننظر إلى المقطع العرضي، والذي يصبح الشكل التالي.

والآن، دعونا نرى كيف يبدو نموذج CMOS. بما أن العملية الفعلية تتطلب آلاف الخطوات، فسأتحدث هنا عن الخطوات الرئيسية لأبسط رقاقة سيليكون بحجم 8 بوصات.

 

 

تكوين البئر وطبقة الانعكاس:

أي أن البئر تُزرع في الركيزة بتقنية زرع الأيونات (يُشار إليها فيما يلي بـ "زرع الأيونات"). لصنع ترانزستور NMOS، يلزم زرع آبار من النوع P. أما لصنع ترانزستور PMOS، فيلزم زرع آبار من النوع N. ولتسهيل الأمر، لنأخذ ترانزستور NMOS كمثال. تقوم آلة زرع الأيونات بزرع عناصر النوع P المراد زرعها في الركيزة إلى عمق محدد، ثم تسخنها في درجة حرارة عالية داخل أنبوب الفرن لتنشيط الأيونات ونشرها. بذلك تكتمل عملية تصنيع البئر. هذا هو شكلها بعد اكتمال التصنيع.

بعد إنشاء البئر، توجد خطوات أخرى لزرع الأيونات، هدفها التحكم في قيمة تيار القناة وجهد العتبة. يمكن تسمية هذه الطبقة بطبقة الانعكاس. في حالة تصنيع ترانزستور NMOS، تُزرع طبقة الانعكاس بأيونات من النوع P، أما في حالة تصنيع ترانزستور PMOS، فتُزرع بأيونات من النوع N. بعد الزرع، يكون الشكل النهائي كما يلي.

هناك الكثير من المحتويات هنا، مثل الطاقة والزاوية وتركيز الأيونات أثناء زرع الأيونات، وما إلى ذلك، والتي لم يتم تضمينها في هذا العدد، وأعتقد أنه إذا كنت تعرف هذه الأشياء، فلا بد أنك مطلع على بواطن الأمور، ولا بد أن لديك طريقة لتعلمها.

 

صنع ثاني أكسيد السيليكون:

سيتم تصنيع ثاني أكسيد السيليكون (SiO2، ويُشار إليه فيما يلي بالأكسيد) لاحقًا. في عملية إنتاج CMOS، توجد طرق عديدة لتصنيع الأكسيد. هنا، يُستخدم SiO2 أسفل البوابة، ويؤثر سمكه بشكل مباشر على قيمة جهد العتبة وتيار القناة. لذلك، تختار معظم مصانع أشباه الموصلات طريقة الأكسدة في أنبوب الفرن لما توفره من أعلى جودة، وأدق تحكم في السمك، وأفضل تجانس في هذه المرحلة. في الواقع، هي طريقة بسيطة للغاية، حيث يتم تسخين أنبوب فرن يحتوي على الأكسجين إلى درجة حرارة عالية للسماح للأكسجين والسيليكون بالتفاعل كيميائيًا لتكوين SiO2. وبهذه الطريقة، تتكون طبقة رقيقة من SiO2 على سطح السيليكون، كما هو موضح في الشكل أدناه.

بالطبع، هناك أيضاً الكثير من المعلومات المحددة هنا، مثل عدد الدرجات المطلوبة، وكمية تركيز الأكسجين المطلوبة، ومدة الحاجة إلى درجة الحرارة العالية، وما إلى ذلك. هذه ليست الأمور التي نأخذها في الاعتبار الآن، فهي معلومات محددة للغاية.

تكوين نهاية البوابة بولي:

لكن الأمر لم ينتهِ بعد. ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) أشبه بخيط، ولم تبدأ عملية تصنيع البوابة الحقيقية (البولي سيليكون) بعد. لذا، خطوتنا التالية هي وضع طبقة من البولي سيليكون على ثاني أكسيد السيليكون (يتكون البولي سيليكون أيضًا من عنصر سيليكون واحد، لكن ترتيب الشبكة البلورية مختلف. لا تسألني لماذا تُستخدم السيليكون أحادي البلورة في الركيزة بينما تُستخدم البولي سيليكون في البوابة. هناك كتاب بعنوان "فيزياء أشباه الموصلات". يمكنك الاطلاع عليه. إنه أمر محرج!). يُعد البولي سيليكون أيضًا حلقة وصل بالغة الأهمية في تقنية CMOS، لكن مكونه هو السيليكون، ولا يمكن إنتاجه عن طريق التفاعل المباشر مع ركيزة السيليكون كما هو الحال في إنتاج ثاني أكسيد السيليكون. يتطلب هذا تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) الشهيرة، والتي تعتمد على التفاعل الكيميائي في الفراغ وترسيب المادة المُنتجة على الرقاقة. في هذا المثال، المادة المتولدة هي البولي سيليكون، ثم تترسب على الرقاقة (هنا يجب أن أقول أن البولي يتم توليده في أنبوب فرن بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار، لذلك فإن توليد البولي لا يتم بواسطة آلة الترسيب الكيميائي للبخار النقية).

لكن البولي سيليكون المتكون بهذه الطريقة سيترسب على الرقاقة بأكملها، ويبدو هكذا بعد الترسيب.

 

التعرض للبولي وثاني أكسيد السيليكون:

في هذه المرحلة، يكون الهيكل العمودي المطلوب قد تشكل بالفعل، حيث توجد طبقة البولي في الأعلى، وثاني أكسيد السيليكون في الأسفل، والركيزة في الأسفل. الآن، أصبحت الرقاقة بأكملها على هذا النحو، وما نحتاجه هو موضع محدد ليكون بمثابة "الصنبور". لذا، تأتي هنا أهم خطوة في العملية برمتها - وهي التعريض الضوئي.
نقوم أولاً بنشر طبقة من مادة مقاومة الضوء على سطح الرقاقة، فتصبح على هذا النحو.

ثم ضع القناع المحدد (الذي يحمل نمط الدائرة الكهربائية) عليه، وأخيرًا قم بتعريضه لضوء ذي طول موجي محدد. سيتنشط المقاوم الضوئي في المنطقة المعرضة للضوء. وبما أن المنطقة المحجوبة بالقناع لا تصلها أشعة الضوء، فإن هذه القطعة من المقاوم الضوئي لن تتنشط.

بما أن المقاوم الضوئي المنشط يسهل غسله بشكل خاص بواسطة سائل كيميائي معين، بينما لا يمكن غسل المقاوم الضوئي غير المنشط، فبعد التشعيع، يتم استخدام سائل معين لغسل المقاوم الضوئي المنشط، وفي النهاية يصبح الأمر على هذا النحو، تاركًا المقاوم الضوئي حيث يجب الاحتفاظ بالبولي وثاني أكسيد السيليكون، وإزالة المقاوم الضوئي حيث لا يلزم الاحتفاظ به.