คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียของการกัดแบบแห้งและการกัดแบบเปียก

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ มีเทคนิคที่เรียกว่า "การกัด" ในระหว่างการประมวลผลของซับสเตรตหรือฟิล์มบางๆ ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว การพัฒนาเทคโนโลยีการกัดมีบทบาทในการทำให้เป็นจริงตามคำทำนายของ Gordon Moore ผู้ก่อตั้ง Intel ในปี 1965 ที่ว่า "ความหนาแน่นในการรวมตัวของทรานซิสเตอร์จะเพิ่มขึ้นสองเท่าใน 1.5 ถึง 2 ปี" (หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ "กฎของมัวร์")

การแกะสลักไม่ใช่กระบวนการ "เติม" เช่น การสะสมหรือการเชื่อม แต่เป็นกระบวนการ "การลบ" นอกจากนี้ตามวิธีการขูดที่แตกต่างกัน แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ “การกัดแบบเปียก” และ “การกัดแบบแห้ง” พูดง่ายๆ ก็คือ วิธีแรกคือวิธีการหลอม และวิธีหลังคือวิธีขุด

ในบทความนี้ เราจะอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับคุณลักษณะและความแตกต่างของเทคโนโลยีการกัดกรดแต่ละชนิด การกัดแบบเปียกและการกัดแบบแห้ง รวมถึงลักษณะการใช้งานที่เหมาะสม

ภาพรวมของกระบวนการแกะสลัก

กล่าวกันว่าเทคโนโลยีการแกะสลักมีต้นกำเนิดในยุโรปในช่วงกลางศตวรรษที่ 15 ในเวลานั้น กรดถูกเทลงในแผ่นทองแดงที่แกะสลักเพื่อกัดกร่อนทองแดงเปลือยจนกลายเป็นเนื้อแกะ เทคนิคการรักษาพื้นผิวที่ใช้ประโยชน์จากผลกระทบของการกัดกร่อนเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในชื่อ "การกัด"

วัตถุประสงค์ของกระบวนการแกะสลักในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือเพื่อตัดซับสเตรตหรือฟิล์มบนพื้นผิวตามแบบ ด้วยการทำซ้ำขั้นตอนการเตรียมการสร้างฟิล์ม การพิมพ์หินด้วยแสง และการแกะสลัก โครงสร้างระนาบจะถูกประมวลผลเป็นโครงสร้างสามมิติ

ความแตกต่างระหว่างการกัดแบบเปียกและการกัดแบบแห้ง

หลังจากกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี วัสดุพิมพ์ที่ถูกเปิดออกจะถูกกัดแบบเปียกหรือแห้งในกระบวนการกัด

การกัดแบบเปียกใช้สารละลายในการกัดและขูดพื้นผิวออก แม้ว่าวิธีนี้จะสามารถประมวลผลได้อย่างรวดเร็วและราคาถูก แต่ข้อเสียคือความแม่นยำในการประมวลผลต่ำกว่าเล็กน้อย ดังนั้น การกัดแบบแห้งจึงถือกำเนิดขึ้นในประมาณปี 1970 การกัดแบบแห้งไม่ได้ใช้สารละลาย แต่ใช้แก๊สกระทบพื้นผิวของวัสดุเพื่อเกา ซึ่งโดดเด่นด้วยความแม่นยำในการประมวลผลสูง

“ไอโซโทรปี” และ “แอนไอโซโทรปี”

เมื่อแนะนำความแตกต่างระหว่างการกัดแบบเปียกและการกัดแบบแห้ง คำสำคัญคือ "isotropic" และ "anisotropic" ไอโซโทรปีหมายความว่าคุณสมบัติทางกายภาพของสสารและพื้นที่ไม่เปลี่ยนแปลงไปตามทิศทาง และแอนไอโซโทรปีหมายความว่าคุณสมบัติทางกายภาพของสสารและพื้นที่แปรผันตามทิศทาง

การกัดแบบไอโซทรอปิกหมายความว่าการกัดจะดำเนินการด้วยปริมาณเท่ากันรอบจุดหนึ่ง และการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกหมายความว่าการกัดจะดำเนินการในทิศทางที่แตกต่างกันรอบจุดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น ในการแกะสลักในระหว่างการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ มักเลือกการแกะสลักแบบแอนไอโซทรอปิกเพื่อให้ขูดเฉพาะทิศทางเป้าหมายเท่านั้น โดยปล่อยให้ทิศทางอื่นไม่เสียหาย

รูปภาพของ “Isotropic Etch” และ “Anisotropic Etch”

การกัดแบบเปียกโดยใช้สารเคมี

การกัดแบบเปียกใช้ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างสารเคมีกับสารตั้งต้น ด้วยวิธีนี้ การกัดแบบแอนไอโซทรอปิกไม่ใช่เรื่องที่เป็นไปไม่ได้ แต่จะยากกว่าการกัดแบบไอโซทรอปิกมาก มีข้อจำกัดหลายประการเกี่ยวกับการรวมกันของสารละลายและวัสดุ และเงื่อนไขต่างๆ เช่น อุณหภูมิของพื้นผิว ความเข้มข้นของสารละลาย และปริมาณการเติม จะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด

ไม่ว่าจะปรับเงื่อนไขอย่างละเอียดเพียงใด การกัดแบบเปียกเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการประมวลผลที่มีความละเอียดต่ำกว่า 1 μm เหตุผลประการหนึ่งคือจำเป็นต้องควบคุมการแกะสลักด้านข้าง

Undercutting เป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันในชื่อ Undercutting แม้ว่าจะหวังว่าวัสดุจะละลายในแนวตั้งเท่านั้น (ทิศทางความลึก) โดยการกัดแบบเปียก แต่ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะป้องกันไม่ให้สารละลายกระทบด้านข้างได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นการละลายของวัสดุในทิศทางขนานจึงดำเนินไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ . เนื่องจากปรากฏการณ์นี้ การกัดแบบเปียกจึงสุ่มสร้างส่วนที่แคบกว่าความกว้างของเป้าหมาย ด้วยวิธีนี้ เมื่อแปรรูปผลิตภัณฑ์ที่ต้องการการควบคุมกระแสที่แม่นยำ ความสามารถในการทำซ้ำต่ำและความแม่นยำไม่น่าเชื่อถือ

ตัวอย่างความล้มเหลวที่เป็นไปได้ในการกัดแบบเปียก

เหตุใดการกัดแบบแห้งจึงเหมาะสำหรับงานไมโครแมชชีนนิ่ง

คำอธิบายของงานศิลปะที่เกี่ยวข้อง การกัดแบบแห้งที่เหมาะสำหรับการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกใช้ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องใช้การประมวลผลที่มีความแม่นยำสูง การกัดแบบแห้งมักเรียกว่าการกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา (RIE) ซึ่งอาจรวมถึงการกัดด้วยพลาสมาและการกัดด้วยสปัตเตอร์ในความหมายกว้าง ๆ แต่บทความนี้จะเน้นที่ RIE

เพื่ออธิบายว่าทำไมการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกจึงง่ายกว่าด้วยการกัดแบบแห้ง เรามาดูกระบวนการ RIE กันดีกว่า ง่ายต่อการเข้าใจโดยการแบ่งกระบวนการกัดแบบแห้งและการขูดพื้นผิวออกเป็นสองประเภท: “การกัดด้วยสารเคมี” และ “การกัดทางกายภาพ”

การกัดด้วยสารเคมีเกิดขึ้นในสามขั้นตอน ขั้นแรก ก๊าซที่เกิดปฏิกิริยาจะถูกดูดซับบนพื้นผิว ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นจากก๊าซปฏิกิริยาและวัสดุซับสเตรต และสุดท้ายผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะถูกดูดซับออกไป ในการแกะสลักทางกายภาพครั้งต่อไป วัสดุพิมพ์จะถูกแกะสลักในแนวตั้งลงด้านล่างโดยการใช้ก๊าซอาร์กอนในแนวตั้งกับวัสดุพิมพ์

การกัดด้วยสารเคมีเกิดขึ้นแบบไอโซโทรปิก ในขณะที่การกัดแบบกายภาพสามารถเกิดขึ้นได้แบบแอนไอโซโทรปิกโดยการควบคุมทิศทางของการใช้แก๊ส เนื่องจากการกัดทางกายภาพนี้ การกัดแบบแห้งจึงทำให้สามารถควบคุมทิศทางการกัดได้มากกว่าการกัดแบบเปียก

การกัดแบบแห้งและแบบเปียกยังต้องมีเงื่อนไขที่เข้มงวดเช่นเดียวกับการกัดแบบเปียก แต่มีความสามารถในการทำซ้ำได้สูงกว่าการกัดแบบเปียก และมีสิ่งที่ควบคุมได้ง่ายกว่าหลายรายการ ดังนั้นจึงไม่ต้องสงสัยเลยว่าการกัดแบบแห้งจะเอื้อต่อการผลิตภาคอุตสาหกรรมมากกว่า

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีการแกะสลักแบบเปียก

เมื่อคุณเข้าใจการกัดแบบแห้งที่ดูเหมือนมีอำนาจทุกอย่างแล้ว คุณอาจสงสัยว่าเหตุใดการกัดแบบเปียกจึงยังคงอยู่ อย่างไรก็ตาม เหตุผลง่ายๆ ก็คือ การกัดแบบเปียกทำให้ผลิตภัณฑ์มีราคาถูกลง

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการกัดแบบแห้งและการกัดแบบเปียกคือต้นทุน สารเคมีที่ใช้ในการกัดแบบเปียกนั้นไม่แพงมากนัก และราคาของอุปกรณ์เองก็ประมาณ 1/10 ของราคาของอุปกรณ์กัดแบบแห้ง นอกจากนี้ ระยะเวลาในการประมวลผลยังสั้นและสามารถประมวลผลวัสดุพิมพ์หลายรายการพร้อมกันได้ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิต เป็นผลให้เราสามารถรักษาต้นทุนผลิตภัณฑ์ให้ต่ำได้ ซึ่งทำให้เราได้เปรียบเหนือคู่แข่งของเรา หากข้อกำหนดด้านความแม่นยำในการประมวลผลไม่สูง บริษัทหลายแห่งจะเลือกการกัดแบบเปียกสำหรับการผลิตหยาบจำนวนมาก

กระบวนการแกะสลักถูกนำมาใช้เป็นกระบวนการที่มีบทบาทในเทคโนโลยีการผลิตแบบไมโคร กระบวนการแกะสลักแบ่งออกเป็นคร่าวๆ คือการกัดแบบเปียกและการกัดแบบแห้ง หากต้นทุนเป็นสิ่งสำคัญ แบบแรกจะดีกว่า และหากจำเป็นต้องใช้ไมโครโพรเซสเซอร์ที่ต่ำกว่า 1 μm แบบหลังจะดีกว่า ตามหลักการแล้ว คุณสามารถเลือกกระบวนการโดยพิจารณาจากผลิตภัณฑ์ที่จะผลิตและราคา แทนที่จะเลือกกระบวนการใดดีกว่า