การผลิตชิป: อุปกรณ์และกระบวนการแกะสลัก

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์การแกะสลักเทคโนโลยีเป็นกระบวนการสำคัญที่ใช้ในการกำจัดวัสดุที่ไม่ต้องการบนพื้นผิวอย่างแม่นยำเพื่อสร้างรูปแบบวงจรที่ซับซ้อน บทความนี้จะแนะนำเทคโนโลยีการแกะสลักพลาสมากระแสหลักสองแบบโดยละเอียด ได้แก่ การกัดพลาสมาแบบควบคู่ด้วยความจุ (CCP) และการกัดพลาสมาแบบเหนี่ยวนำคู่แบบเหนี่ยวนำ (ไอซีพี) และสำรวจการประยุกต์ใช้ในการแกะสลักวัสดุต่างๆ

การแกะสลักพลาสมาควบคู่แบบคาปาซิทีฟ (CCP)

การกัดพลาสมาควบคู่แบบคาปาซิทีฟ (CCP) ทำได้โดยการใช้แรงดันไฟฟ้า RF กับอิเล็กโทรดแผ่นขนานสองตัวผ่านตัวจับคู่และตัวเก็บประจุบล็อก DC อิเล็กโทรดทั้งสองและพลาสมารวมกันเป็นตัวเก็บประจุที่เท่ากัน ในกระบวนการนี้ แรงดันไฟฟ้า RF จะสร้างปลอกตัวเก็บประจุใกล้กับอิเล็กโทรด และขอบเขตของปลอกจะเปลี่ยนไปตามการสั่นอย่างรวดเร็วของแรงดันไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนไปถึงเปลือกที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว พวกมันจะถูกสะท้อนและได้รับพลังงาน ซึ่งในทางกลับกันจะกระตุ้นให้โมเลกุลของก๊าซแตกตัวหรือแตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างพลาสมา การกัดแบบ CCP มักจะใช้กับวัสดุที่มีพลังงานพันธะเคมีสูงกว่า เช่น ไดอิเล็กทริก แต่เนื่องจากมีอัตราการกัดที่ต่ำกว่า จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมอย่างละเอียด

การแกะสลักพลาสมาแบบเหนี่ยวนำคู่ (ICP)

พลาสม่าคู่แบบเหนี่ยวนำการแกะสลัก(ICP) ขึ้นอยู่กับหลักการที่ว่ากระแสสลับไหลผ่านขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำ ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กนี้ อิเล็กตรอนในห้องปฏิกิริยาจะถูกเร่งและยังคงเร่งความเร็วต่อไปในสนามไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในที่สุดก็ชนกับโมเลกุลของก๊าซปฏิกิริยา ส่งผลให้โมเลกุลแยกตัวออกหรือแตกตัวเป็นไอออนและก่อตัวเป็นพลาสมา วิธีการนี้สามารถสร้างอัตราการไอออไนเซชันได้สูงและช่วยให้สามารถปรับความหนาแน่นของพลาสมาและพลังงานการทิ้งระเบิดได้อย่างอิสระ ซึ่งทำให้การแกะสลัก ICPเหมาะมากสำหรับการแกะสลักวัสดุที่มีพลังงานพันธะเคมีต่ำ เช่น ซิลิคอนและโลหะ นอกจากนี้ เทคโนโลยี ICP ยังให้ความสม่ำเสมอและอัตราการแกะสลักที่ดีขึ้นอีกด้วย

1. การแกะสลักโลหะ

การแกะสลักโลหะส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการประมวลผลการเชื่อมต่อระหว่างกันและการเดินสายโลหะหลายชั้น ข้อกำหนดประกอบด้วย: อัตราการกัดสูง การเลือกสูง (มากกว่า 4:1 สำหรับชั้นหน้ากาก และมากกว่า 20:1 สำหรับไดอิเล็กตริกระหว่างชั้น) ความสม่ำเสมอในการกัดสูง การควบคุมมิติวิกฤตที่ดี ไม่มีความเสียหายจากพลาสมา สารปนเปื้อนที่ตกค้างน้อยลง และ ไม่มีการกัดกร่อนกับโลหะ การแกะสลักโลหะมักจะใช้อุปกรณ์การแกะสลักพลาสมาแบบเหนี่ยวนำคู่

-การกัดอะลูมิเนียม: อะลูมิเนียมเป็นวัสดุลวดที่สำคัญที่สุดในขั้นตอนกลางและด้านหลังของการผลิตเศษ โดยมีข้อดีคือ มีความต้านทานต่ำ สะสมและกัดได้ง่าย การกัดอะลูมิเนียมมักใช้พลาสมาที่เกิดจากก๊าซคลอไรด์ (เช่น Cl2) อลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับคลอรีนเพื่อผลิตอะลูมิเนียมคลอไรด์ระเหยง่าย (AlCl3) นอกจากนี้ ยังสามารถเติมเฮไลด์อื่นๆ เช่น SiCl4, BCl3, BBr3, CCl4, CHF3 ฯลฯ เพื่อขจัดชั้นออกไซด์บนพื้นผิวอลูมิเนียมเพื่อให้แน่ใจว่ามีการกัดเซาะตามปกติ

• การกัดด้วยทังสเตน: ในโครงสร้างการเชื่อมต่อด้วยลวดโลหะหลายชั้น ทังสเตนเป็นโลหะหลักที่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อส่วนตรงกลางของชิป ก๊าซที่มีฟลูออรีนหรือคลอรีนสามารถใช้กัดทังสเตนโลหะได้ แต่ก๊าซที่มีฟลูออรีนมีความสามารถในการคัดเลือกซิลิคอนออกไซด์ได้ไม่ดี ในขณะที่ก๊าซที่มีคลอรีน (เช่น CCl4) มีความสามารถในการคัดเลือกได้ดีกว่า โดยปกติแล้ว ไนโตรเจนจะถูกเติมลงในก๊าซปฏิกิริยาเพื่อให้ได้กาวที่มีความสามารถในการกัดกร่อนสูง และเติมออกซิเจนเพื่อลดการสะสมของคาร์บอน การกัดทังสเตนด้วยก๊าซที่มีคลอรีนเป็นองค์ประกอบหลักสามารถทำให้เกิดการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกและการเลือกสรรสูง ก๊าซที่ใช้ในการกัดแบบแห้งของทังสเตนส่วนใหญ่เป็น SF6, Ar และ O2 ซึ่ง SF6 สามารถสลายตัวในพลาสมาเพื่อให้อะตอมของฟลูออรีน และทังสเตนสำหรับปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อผลิตฟลูออไรด์

• การกัดกรดไทเทเนียมไนไตรด์: ไทเทเนียมไนไตรด์เป็นวัสดุปิดบังแบบแข็ง แทนที่หน้ากากซิลิคอนไนไตรด์หรือออกไซด์แบบเดิมในกระบวนการดามัสซีนคู่ การกัดไทเทเนียมไนไตรด์ส่วนใหญ่จะใช้ในกระบวนการเปิดฮาร์ดมาสก์ และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาหลักคือ TiCl4 การเลือกระหว่างมาสก์แบบดั้งเดิมและชั้นอิเล็กทริก low-k นั้นไม่สูง ซึ่งจะนำไปสู่การปรากฏตัวของโปรไฟล์รูปทรงโค้งที่ด้านบนของชั้นอิเล็กทริก low-k และการขยายความกว้างของร่องหลังจากการแกะสลัก ระยะห่างระหว่างเส้นโลหะที่สะสมมีขนาดเล็กเกินไป ซึ่งเสี่ยงต่อการรั่วซึมของสะพานหรือการพังทลายโดยตรง

2. การแกะสลักฉนวน

เป้าหมายของการแกะสลักฉนวนมักจะเป็นวัสดุอิเล็กทริก เช่น ซิลิคอนไดออกไซด์หรือซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างรูสัมผัสและรูช่องเพื่อเชื่อมต่อชั้นวงจรต่างๆ การกัดด้วยอิเล็กทริกมักจะใช้เครื่องกัดตามหลักการของการกัดด้วยพลาสมาแบบตัวเก็บประจุ

• การกัดด้วยพลาสมาของฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์: ฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์มักจะถูกกัดโดยใช้ก๊าซกัดกร่อนที่มีฟลูออรีน เช่น CF4, CHF3, C2F6, SF6 และ C3F8 คาร์บอนที่มีอยู่ในก๊าซกัดกร่อนสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในชั้นออกไซด์เพื่อสร้างผลพลอยได้ CO และ CO2 ซึ่งจะช่วยขจัดออกซิเจนในชั้นออกไซด์ออกไป CF4 เป็นก๊าซกัดกร่อนที่ใช้กันมากที่สุด เมื่อ CF4 ชนกับอิเล็กตรอนพลังงานสูง จะเกิดไอออน อนุมูล อะตอม และอนุมูลอิสระต่างๆ ขึ้นมา อนุมูลอิสระของฟลูออรีนสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับ SiO2 และ Si เพื่อผลิตซิลิคอนเตตราฟลูออไรด์ที่ระเหยได้ (SiF4)

• การแกะสลักด้วยพลาสมาของฟิล์มซิลิคอนไนไตรด์: สามารถแกะสลักฟิล์มซิลิคอนไนไตรด์ได้โดยใช้การกัดด้วยพลาสมาด้วยก๊าซผสม CF4 หรือ CF4 (ที่มี O2, SF6 และ NF3) สำหรับฟิล์ม Si3N4 เมื่อใช้พลาสมา CF4-O2 หรือพลาสมาก๊าซอื่นๆ ที่มีอะตอม F สำหรับการกัด อัตราการกัดของซิลิคอนไนไตรด์สามารถเข้าถึง 1200Å/นาที และความสามารถในการกัดแบบกัดอาจสูงถึง 20:1 ผลิตภัณฑ์หลักคือซิลิคอนเตตราฟลูออไรด์ที่ระเหยง่าย (SiF4) ซึ่งสกัดได้ง่าย

4. การแกะสลักซิลิคอนคริสตัลเดี่ยว

การกัดด้วยซิลิคอนผลึกเดี่ยวส่วนใหญ่จะใช้เพื่อสร้างการแยกร่องลึกตื้น (STI) กระบวนการนี้มักจะรวมถึงกระบวนการที่ก้าวหน้าและกระบวนการแกะสลักหลัก กระบวนการที่ก้าวหน้านี้ใช้ก๊าซ SiF4 และ NF เพื่อกำจัดชั้นออกไซด์บนพื้นผิวของซิลิคอนผลึกเดี่ยวผ่านการทิ้งระเบิดไอออนที่รุนแรงและการกระทำทางเคมีขององค์ประกอบฟลูออรีน การกัดหลักใช้ไฮโดรเจนโบรไมด์ (HBr) เป็นตัวกัดหลัก อนุมูลโบรมีนที่สลายตัวโดย HBr ในสภาพแวดล้อมพลาสมาทำปฏิกิริยากับซิลิคอนเพื่อสร้างซิลิคอนเตตราโบรไมด์ที่ระเหยง่าย (SiBr4) ดังนั้นจึงกำจัดซิลิคอนออก การแกะสลักด้วยซิลิคอนผลึกเดี่ยวมักจะใช้เครื่องแกะสลักพลาสมาแบบเหนี่ยวนำคู่

5. การแกะสลักโพลีซิลิคอน

การแกะสลักโพลีซิลิคอนเป็นหนึ่งในกระบวนการสำคัญที่กำหนดขนาดเกตของทรานซิสเตอร์ และขนาดเกตส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของวงจรรวม การแกะสลักโพลีซิลิคอนต้องใช้อัตราส่วนการเลือกที่ดี ก๊าซฮาโลเจน เช่น คลอรีน (Cl2) มักใช้เพื่อให้เกิดการกัดแบบแอนไอโซโทรปิก และมีอัตราส่วนการเลือกที่ดี (สูงถึง 10:1) ก๊าซที่มีโบรมีนเป็นส่วนประกอบหลัก เช่น ไฮโดรเจนโบรไมด์ (HBr) สามารถรับอัตราส่วนการคัดเลือกที่สูงขึ้น (สูงถึง 100:1) ส่วนผสมของ HBr กับคลอรีนและออกซิเจนสามารถเพิ่มอัตราการแกะสลักได้ ผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาของก๊าซฮาโลเจนและซิลิคอนจะสะสมอยู่บนผนังด้านข้างเพื่อมีบทบาทในการป้องกัน การแกะสลักโพลีซิลิคอนมักจะใช้เครื่องแกะสลักพลาสมาแบบเหนี่ยวนำคู่

ไม่ว่าจะเป็นการกัดพลาสมาควบคู่แบบคาปาซิทีฟ หรือการกัดพลาสมาควบคู่แบบเหนี่ยวนำ ต่างก็มีข้อดีและคุณลักษณะทางเทคนิคเฉพาะตัวของตัวเอง การเลือกเทคโนโลยีการแกะสลักที่เหมาะสมไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตเท่านั้น แต่ยังช่วยรับประกันผลผลิตของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอีกด้วย