عملية أشباه الموصلات: العملية الكاملة للتصوير الضوئي

يتطلب تصنيع كل منتج من منتجات أشباه الموصلات مئات العمليات. نقسم عملية التصنيع بأكملها إلى ثماني خطوات:رقاقةالمعالجة - الأكسدة - الطباعة الضوئية - الحفر - ترسيب الأغشية الرقيقة - النمو المتناحي - الانتشار - زرع الأيونات.
لمساعدتك على فهم أشباه الموصلات والعمليات ذات الصلة والتعرف عليها، سنقوم بنشر مقالات على تطبيق WeChat في كل عدد لتقديم كل خطوة من الخطوات المذكورة أعلاه واحدة تلو الأخرى.
ذُكر في المقال السابق أنه من أجل حمايةرقاقةمن خلال عملية الأكسدة، تم تكوين طبقة أكسيد من شوائب مختلفة. سنتناول اليوم عملية "الطباعة الضوئية" لتصوير دائرة تصميم أشباه الموصلات على الرقاقة بعد تكوين طبقة الأكسيد.

 

عملية الطباعة الضوئية

 

1. ما هي عملية الطباعة الضوئية؟

تُستخدم تقنية الطباعة الضوئية لصنع الدوائر والمناطق الوظيفية اللازمة لإنتاج الرقائق.
يُستخدم الضوء المنبعث من آلة الطباعة الضوئية لتعريض طبقة رقيقة مطلية بمادة مقاومة للضوء من خلال قناع ذي نقش. تتغير خصائص المادة المقاومة للضوء بعد تعرضها للضوء، بحيث يُنسخ النقش الموجود على القناع إلى الطبقة الرقيقة، فتصبح هذه الطبقة بمثابة مخطط دائرة إلكترونية. هذا هو دور الطباعة الضوئية، وهو مشابه لالتقاط الصور بالكاميرا. فالصور الملتقطة بالكاميرا تُطبع على الفيلم، بينما لا تقوم الطباعة الضوئية بنقش الصور، بل مخططات الدوائر والمكونات الإلكترونية الأخرى.

الطباعة الضوئية هي تقنية تصنيع دقيقة على المستوى الميكروي

الطباعة الضوئية التقليدية هي عملية تستخدم ضوءًا فوق بنفسجيًا بطول موجي يتراوح من 2000 إلى 4500 أنجستروم كناقل لمعلومات الصورة، وتستخدم مادة مقاومة للضوء كوسيط (لتسجيل الصور) لتحقيق تحويل ونقل ومعالجة الرسومات، وفي النهاية تنقل معلومات الصورة إلى الشريحة (شريحة السيليكون بشكل أساسي) أو الطبقة العازلة.
يمكن القول إن الطباعة الضوئية هي أساس صناعات أشباه الموصلات والإلكترونيات الدقيقة والمعلومات الحديثة، وتحدد الطباعة الضوئية بشكل مباشر مستوى تطور هذه التقنيات.
في غضون أكثر من ستين عامًا منذ اختراع الدوائر المتكاملة بنجاح عام 1959، انخفض عرض خطوطها الرسومية بنحو أربعة أضعاف، وتحسّن تكامل الدوائر بأكثر من ستة أضعاف. ويعزى التقدم السريع لهذه التقنيات بشكل رئيسي إلى تطوير الطباعة الضوئية.

(متطلبات تقنية الطباعة الضوئية في مختلف مراحل تطوير تصنيع الدوائر المتكاملة)

 

2. المبادئ الأساسية للطباعة الضوئية

تشير مواد الطباعة الضوئية عمومًا إلى المقاومات الضوئية، وهي من أهم المواد الوظيفية في هذه التقنية. تتميز هذه المواد بتفاعلها مع الضوء (بما في ذلك الضوء المرئي، والأشعة فوق البنفسجية، وشعاع الإلكترون، وغيرها). بعد التفاعل الكيميائي الضوئي، تتغير قابليتها للذوبان بشكل ملحوظ.
من بينها، تزداد قابلية ذوبان المقاوم الضوئي الموجب في المُظهِر، ويكون النمط الناتج مطابقًا للقناع؛ أما المقاوم الضوئي السالب، فتكون قابليته للذوبان أقل أو حتى غير قابلة للذوبان بعد تعرضه للمُظهِر، ويكون النمط الناتج معاكسًا للقناع. تختلف مجالات استخدام كلا النوعين من المقاوم الضوئي. يُستخدم المقاوم الضوئي الموجب بشكل أكثر شيوعًا، حيث يُمثل أكثر من 80% من إجمالي الاستخدام.

الرسم التخطيطي أعلاه هو رسم توضيحي لعملية الطباعة الضوئية

 

(1) اللصق:

أي، تكوين طبقة مقاومة ضوئية ذات سماكة منتظمة، والتصاق قوي، وخالية من العيوب على رقاقة السيليكون. ولتحسين الالتصاق بين طبقة المقاومة الضوئية ورقاقة السيليكون، غالباً ما يكون من الضروري تعديل سطح رقاقة السيليكون أولاً بمواد مثل سداسي ميثيل ثنائي سيلازان (HMDS) وثلاثي ميثيل سيليل ثنائي إيثيل أمين (TMSDEA). بعد ذلك، تُحضّر طبقة المقاومة الضوئية بتقنية الطلاء الدوراني.

(2) الخبز المسبق:

بعد عملية الطلاء بالدوران، لا يزال غشاء المقاوم الضوئي يحتوي على كمية معينة من المذيب. بعد الخبز في درجة حرارة أعلى، يمكن إزالة المذيب بأقل قدر ممكن. بعد الخبز المسبق، ينخفض ​​محتوى المقاوم الضوئي إلى حوالي 5%.

(3) التعرض:

أي أن المادة المقاومة للضوء تتعرض للضوء. في هذه اللحظة، يحدث تفاعل ضوئي، ويحدث اختلاف في الذوبانية بين الجزء المضاء والجزء غير المضاء.

(4) التطوير والتصلب:

يُغمر المنتج في محلول التظهير. في هذه المرحلة، تذوب المنطقة المعرضة للضوء من طبقة المقاوم الضوئي الموجبة والمنطقة غير المعرضة للضوء من طبقة المقاوم الضوئي السالبة في محلول التظهير، مما يُشكل نمطًا ثلاثي الأبعاد. بعد التظهير، تحتاج الشريحة إلى معالجة حرارية عالية الحرارة لتكوين طبقة صلبة، والتي تهدف أساسًا إلى تعزيز التصاق طبقة المقاوم الضوئي بالركيزة.

(5) الحفر:

تُحفر المادة الموجودة أسفل طبقة المقاوم الضوئي. وتشمل هذه العملية الحفر الرطب السائل والحفر الجاف الغازي. فعلى سبيل المثال، يُستخدم محلول مائي حمضي من حمض الهيدروفلوريك في الحفر الرطب للسيليكون؛ بينما يُستخدم محلول حمضي قوي مثل حمض النيتريك وحمض الكبريتيك في الحفر الرطب للنحاس، أما الحفر الجاف فيعتمد غالبًا على البلازما أو حزم الأيونات عالية الطاقة لإتلاف سطح المادة وحفرها.

(6) إزالة الصمغ:

وأخيراً، يجب إزالة طبقة المقاوم الضوئي من سطح العدسة. وتسمى هذه الخطوة إزالة الصمغ.

تُعدّ السلامة أهمّ مسألة في جميع عمليات إنتاج أشباه الموصلات. وفيما يلي أهمّ الغازات الخطرة والضارة في عملية الطباعة الضوئية للرقائق:

 

1. بيروكسيد الهيدروجين

يُعد بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) عامل مؤكسد قوي. وقد يتسبب التلامس المباشر معه في التهاب الجلد والعينين والحروق.

 

2. الزيلين

الزيلين مذيب ومُظهِر يُستخدم في الطباعة الحجرية السلبية. وهو قابل للاشتعال، ودرجة اشتعاله منخفضة جدًا، إذ تبلغ 27.3 درجة مئوية فقط (أي ما يُقارب درجة حرارة الغرفة). ويُصبح قابلاً للانفجار عندما يتراوح تركيزه في الهواء بين 1% و7%. وقد يُسبب التلامس المتكرر مع الزيلين التهابًا جلديًا. بخار الزيلين ذو رائحة حلوة تُشبه رائحة مُلصقات الطائرات؛ وقد يُسبب التعرض له التهابًا في العينين والأنف والحلق. كما قد يُسبب استنشاق الغاز الصداع والدوار وفقدان الشهية والإرهاق.

 

3. سداسي ميثيل ثنائي سيلازان (HMDS)

يُستخدم سداسي ميثيل ثنائي سيلازان (HMDS) عادةً كطبقة أساسية لزيادة التصاق المقاوم الضوئي بسطح المنتج. وهو مادة قابلة للاشتعال، وتبلغ درجة وميضها 6.7 درجة مئوية. ويُصبح قابلاً للانفجار عندما يتراوح تركيزه في الهواء بين 0.8% و16%. يتفاعل HMDS بشدة مع الماء والكحول والأحماض المعدنية مُطلقًا الأمونيا.

 

4. هيدروكسيد رباعي ميثيل الأمونيوم

يُستخدم هيدروكسيد رباعي ميثيل الأمونيوم (TMAH) على نطاق واسع كمُظهِر في الطباعة الحجرية الإيجابية. وهو مادة سامة ومُؤذية، وقد يكون قاتلاً عند ابتلاعه أو ملامسته المباشرة للجلد. كما أن ملامسة غبار أو رذاذ TMAH قد تُسبب التهابات في العينين والجلد والأنف والحلق. ويؤدي استنشاق تركيزات عالية من TMAH إلى الوفاة.

 

5. الكلور والفلور

يُستخدم كلٌّ من الكلور (Cl2) والفلور (F2) في ليزرات الإكسيمر كمصدر للأشعة فوق البنفسجية العميقة والأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV). كلا الغازين سامّان، ولهما لون أخضر فاتح، ورائحة نفاذة مزعجة. استنشاق تركيزات عالية من هذا الغاز يؤدي إلى الوفاة. قد يتفاعل غاز الفلور مع الماء لإنتاج غاز فلوريد الهيدروجين. غاز فلوريد الهيدروجين حمض قوي يُهيّج الجلد والعينين والجهاز التنفسي، وقد يُسبب أعراضًا مثل الحروق وصعوبة التنفس. يمكن أن تُسبب التركيزات العالية من الفلوريد تسممًا في جسم الإنسان، مُسببةً أعراضًا مثل الصداع والقيء والإسهال والغيبوبة.

 

6. الأرجون

الأرجون (Ar) غاز خامل لا يُسبب عادةً ضرراً مباشراً لجسم الإنسان. في الظروف الطبيعية، يحتوي الهواء الذي نتنفسه على حوالي 0.93% من الأرجون، وهذا التركيز لا يُؤثر بشكل ملحوظ على جسم الإنسان. مع ذلك، في بعض الحالات، قد يُسبب الأرجون ضرراً لجسم الإنسان.
فيما يلي بعض الحالات المحتملة: في الأماكن المغلقة، قد يرتفع تركيز غاز الأرجون، مما يقلل من تركيز الأكسجين في الهواء ويسبب نقص التأكسج. وقد يؤدي ذلك إلى ظهور أعراض مثل الدوخة والإرهاق وضيق التنفس. إضافةً إلى ذلك، يُعد الأرجون غازًا خاملًا، ولكنه قد ينفجر تحت درجات حرارة أو ضغوط عالية.

 

7. نيون

النيون (Ne) غاز مستقر، عديم اللون والرائحة، ولا يشارك في عملية التنفس البشري. لذا، فإن استنشاق تركيز عالٍ منه يُسبب نقص الأكسجين. إذا استمر نقص الأكسجين لفترة طويلة، فقد تظهر أعراض مثل الصداع والغثيان والقيء. إضافةً إلى ذلك، قد يتفاعل غاز النيون مع مواد أخرى تحت درجات حرارة أو ضغوط عالية، مما قد يُسبب حريقًا أو انفجارًا.

 

8. غاز الزينون

غاز الزينون (Xe) غاز مستقر، عديم اللون والرائحة، لا يشارك في عملية التنفس البشري، لذا فإن استنشاق تركيز عالٍ منه يُسبب نقص الأكسجين. إذا استمر نقص الأكسجين لفترة طويلة، فقد تُعاني من أعراض مثل الصداع والغثيان والقيء. إضافةً إلى ذلك، قد يتفاعل غاز الزينون مع مواد أخرى تحت درجات حرارة أو ضغوط عالية مُسبباً حريقاً أو انفجاراً.

 

9. غاز الكريبتون

غاز الكريبتون (Kr) غاز مستقر، عديم اللون والرائحة، لا يشارك في عملية التنفس البشري، لذا فإن استنشاق تركيز عالٍ منه يُسبب نقص الأكسجين. إذا استمر نقص الأكسجين لفترة طويلة، فقد تُعاني من أعراض مثل الصداع والغثيان والقيء. إضافةً إلى ذلك، قد يتفاعل غاز الكريبتون مع مواد أخرى تحت درجات حرارة أو ضغوط عالية مُسبباً حريقاً أو انفجاراً.

 

حلول الكشف عن الغازات الخطرة لصناعة أشباه الموصلات

تشمل صناعة أشباه الموصلات إنتاج وتصنيع ومعالجة الغازات القابلة للاشتعال والانفجار والسامة والضارة. وبصفتهم مستخدمين للغازات في مصانع تصنيع أشباه الموصلات، يجب على كل فرد من أفراد الطاقم فهم بيانات السلامة الخاصة بمختلف الغازات الخطرة قبل استخدامها، ومعرفة كيفية التعامل مع إجراءات الطوارئ في حال تسرب هذه الغازات.
في إنتاج وتصنيع وتخزين صناعة أشباه الموصلات، ولتجنب الخسائر في الأرواح والممتلكات الناجمة عن تسرب هذه الغازات الخطرة، من الضروري تركيب أجهزة الكشف عن الغاز للكشف عن الغاز المستهدف.

أصبحت أجهزة الكشف عن الغاز أدوات أساسية لمراقبة البيئة في صناعة أشباه الموصلات اليوم، وهي أيضًا أكثر أدوات المراقبة مباشرة.
لطالما أولت شركة Riken Keiki اهتماماً كبيراً بالتطوير الآمن لصناعة تصنيع أشباه الموصلات، انطلاقاً من مهمتها المتمثلة في خلق بيئة عمل آمنة للأفراد، وقد كرست نفسها لتطوير أجهزة استشعار الغاز المناسبة لصناعة أشباه الموصلات، وتقديم حلول معقولة لمختلف المشاكل التي يواجهها المستخدمون، والترقية المستمرة لوظائف المنتج وتحسين الأنظمة.