شرح مفصل لمزايا وعيوب النقش الجاف والحفر الرطب

في صناعة أشباه الموصلات، هناك تقنية تسمى "النقش" أثناء معالجة الركيزة أو الطبقة الرقيقة المتكونة على الركيزة. لقد لعب تطور تكنولوجيا الحفر دورًا في تحقيق التنبؤ الذي قدمه مؤسس شركة إنتل جوردون مور في عام 1965 بأن "كثافة تكامل الترانزستورات سوف تتضاعف خلال سنة ونصف إلى سنتين" (المعروف باسم "قانون مور").

النقش ليس عملية "إضافة" مثل الترسيب أو الترابط، ولكنه عملية "طرحية". بالإضافة إلى ذلك، وفقًا لطرق الكشط المختلفة، يتم تقسيمها إلى فئتين، وهما “النقش الرطب” و”النقش الجاف”. وببساطة، فإن الطريقة الأولى هي طريقة ذوبان والثانية هي طريقة حفر.

في هذه المقالة، سنشرح بإيجاز الخصائص والاختلافات بين كل تقنية من تقنيات النقش، والحفر الرطب والحفر الجاف، بالإضافة إلى مجالات التطبيق التي تناسب كل منها.

نظرة عامة على عملية النقش

يقال إن تقنية النقش نشأت في أوروبا في منتصف القرن الخامس عشر. في ذلك الوقت، تم صب الحمض في لوحة نحاسية محفورة لتآكل النحاس العاري، وتشكيل النقش الغائر. تُعرف تقنيات معالجة الأسطح التي تستغل تأثيرات التآكل على نطاق واسع باسم "الحفر".

الغرض من عملية النقش في تصنيع أشباه الموصلات هو قطع الركيزة أو الفيلم الموجود على الركيزة وفقًا للرسم. من خلال تكرار الخطوات التحضيرية لتشكيل الفيلم، والطباعة الحجرية الضوئية، والحفر، تتم معالجة الهيكل المستوي إلى هيكل ثلاثي الأبعاد.

الفرق بين النقش الرطب والنقش الجاف

بعد عملية الطباعة الحجرية الضوئية، تكون الركيزة المكشوفة محفورة رطبة أو جافة في عملية النقش.

يستخدم النقش الرطب محلولًا لحفر السطح وكشطه. على الرغم من أنه يمكن معالجة هذه الطريقة بسرعة وبتكلفة زهيدة، إلا أن عيبها هو أن دقة المعالجة أقل قليلاً. لذلك، ولد النقش الجاف حوالي عام 1970. ولا يستخدم النقش الجاف محلولاً، بل يستخدم الغاز لضرب سطح الركيزة لحكها، والذي يتميز بدقة معالجة عالية.

"التباين" و"التباين"

عند تقديم الفرق بين النقش الرطب والحفر الجاف، فإن الكلمات الأساسية هي "متناحي الخواص" و"متباين الخواص". ويعني الخواص أن الخواص الفيزيائية للمادة والفضاء لا تتغير مع الاتجاه، ويعني تباين الخواص أن الخواص الفيزيائية للمادة والفضاء تتغير مع الاتجاه.

يعني النقش المتناحي أن النقش يستمر بنفس المقدار حول نقطة معينة، ويعني النقش متباين الخواص أن النقش يستمر في اتجاهات مختلفة حول نقطة معينة. على سبيل المثال، في النقش أثناء تصنيع أشباه الموصلات، غالبًا ما يتم اختيار النقش متباين الخواص بحيث يتم كشط الاتجاه المستهدف فقط، مع ترك الاتجاهات الأخرى سليمة.

صور "الحفر متباين الخواص" و"الحفر متباين الخواص"

النقش الرطب باستخدام المواد الكيميائية.

يستخدم النقش الرطب التفاعل الكيميائي بين المادة الكيميائية والركيزة. مع هذه الطريقة، النقش متباين الخواص ليس مستحيلا، لكنه أصعب بكثير من النقش المتناحي. هناك العديد من القيود على الجمع بين المحاليل والمواد، ويجب التحكم بدقة في الظروف مثل درجة حرارة الركيزة، وتركيز المحلول، وكمية الإضافة.

بغض النظر عن مدى دقة ضبط الظروف، فمن الصعب تحقيق المعالجة الدقيقة للحفر الرطب بأقل من 1 ميكرومتر. أحد أسباب ذلك هو الحاجة إلى التحكم في النقش الجانبي.

التقويض هو ظاهرة تعرف أيضًا باسم التقويض. وحتى لو كان من المؤمل أن تذوب المادة فقط في الاتجاه الرأسي (اتجاه العمق) بالحفر الرطب، فإنه من المستحيل منع المحلول تماما من الاصطدام بالجوانب، وبالتالي فإن تحلل المادة في الاتجاه الموازي سوف يستمر حتما . ونتيجة لهذه الظاهرة، ينتج الحفر الرطب بشكل عشوائي مقاطع أضيق من العرض المستهدف. بهذه الطريقة، عند معالجة المنتجات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في التيار، تكون قابلية التكرار منخفضة والدقة غير موثوقة.

أمثلة على حالات الفشل المحتملة في النقش الرطب

لماذا يعتبر النقش الجاف مناسبًا للتصنيع الدقيق

وصف الفن ذو الصلة يتم استخدام النقش الجاف المناسب للحفر متباين الخواص في عمليات تصنيع أشباه الموصلات التي تتطلب معالجة عالية الدقة. غالبًا ما يُشار إلى النقش الجاف على أنه النقش الأيوني التفاعلي (RIE)، والذي قد يشمل أيضًا النقش بالبلازما والحفر بالرش بالمعنى الواسع، ولكن هذه المقالة ستركز على RIE.

لشرح سبب كون النقش متباين الخواص أسهل مع النقش الجاف، دعونا نلقي نظرة فاحصة على عملية RIE. من السهل فهمها من خلال تقسيم عملية النقش الجاف وكشط الركيزة إلى نوعين: "النقش الكيميائي" و"الحفر الفيزيائي".

يحدث النقش الكيميائي في ثلاث خطوات. أولاً، يتم امتصاص الغازات التفاعلية على السطح. يتم بعد ذلك تكوين منتجات التفاعل من غاز التفاعل والمواد الأساسية، وفي النهاية يتم امتصاص منتجات التفاعل. في الحفر الفيزيائي اللاحق، يتم حفر الركيزة عموديًا إلى الأسفل عن طريق تطبيق غاز الأرجون عموديًا على الركيزة.

يحدث النقش الكيميائي بشكل متساوي الخواص، في حين يمكن أن يحدث النقش الفيزيائي بشكل متباين الخواص عن طريق التحكم في اتجاه تطبيق الغاز. وبسبب هذا النقش المادي، يتيح النقش الجاف مزيدًا من التحكم في اتجاه النقش مقارنة بالحفر الرطب.

يتطلب النقش الجاف والرطب أيضًا نفس الشروط الصارمة مثل النقش الرطب، ولكنه يتمتع بقابلية تكرار أعلى من النقش الرطب ويحتوي على العديد من العناصر التي يسهل التحكم فيها. لذلك، ليس هناك شك في أن النقش الجاف أكثر ملاءمة للإنتاج الصناعي.

لماذا لا تزال هناك حاجة إلى النقش الرطب

بمجرد أن تفهم النقش الجاف الذي يبدو قويًا، قد تتساءل عن سبب استمرار وجود النقش الرطب. ومع ذلك، فإن السبب بسيط: النقش الرطب يجعل المنتج أرخص.

الفرق الرئيسي بين النقش الجاف والحفر الرطب هو التكلفة. المواد الكيميائية المستخدمة في النقش الرطب ليست باهظة الثمن، ويقال إن سعر المعدات نفسها يبلغ حوالي 1/10 من سعر معدات النقش الجاف. بالإضافة إلى ذلك، وقت المعالجة قصير ويمكن معالجة ركائز متعددة في نفس الوقت، مما يقلل من تكاليف الإنتاج. ونتيجة لذلك، يمكننا إبقاء تكاليف المنتج منخفضة، مما يمنحنا ميزة على منافسينا. إذا كانت متطلبات دقة المعالجة ليست عالية، فإن العديد من الشركات ستختار النقش الرطب للإنتاج بكميات كبيرة.

تم تقديم عملية الحفر كعملية تلعب دورًا في تكنولوجيا التصنيع الدقيق. تنقسم عملية النقش تقريبًا إلى النقش الرطب والحفر الجاف. إذا كانت التكلفة مهمة، فالأولى هي الأفضل، وإذا كانت المعالجة الدقيقة أقل من 1 ميكرومتر مطلوبة، فإن الأخيرة هي الأفضل. من الناحية المثالية، يمكن اختيار العملية بناءً على المنتج الذي سيتم إنتاجه والتكلفة، بدلاً من اختيار أيهما أفضل.