ચિપ મેન્યુફેક્ચરિંગ: એચિંગ ઇક્વિપમેન્ટ અને પ્રક્રિયા

સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં,કોતરણીટેકનોલોજી એ એક જટિલ પ્રક્રિયા છે જેનો ઉપયોગ જટિલ સર્કિટ પેટર્ન બનાવવા માટે સબસ્ટ્રેટ પરની અનિચ્છનીય સામગ્રીને ચોક્કસપણે દૂર કરવા માટે થાય છે. આ લેખ વિગતવાર રીતે બે મુખ્ય પ્રવાહની એચિંગ તકનીકો રજૂ કરશે - કેપેસિટીવલી કપલ્ડ પ્લાઝ્મા એચિંગ (સીસીપી) અને ઇન્ડક્ટિવલી કમ્પલ્ડ પ્લાઝમા એચિંગ (ICP), અને વિવિધ સામગ્રીને એચીંગ કરવામાં તેમની એપ્લિકેશનોનું અન્વેષણ કરો.

કેપેસિટીવલી કપલ્ડ પ્લાઝ્મા એચિંગ (સીસીપી)

મેચર અને ડીસી બ્લોકિંગ કેપેસિટર દ્વારા બે સમાંતર પ્લેટ ઇલેક્ટ્રોડ પર આરએફ વોલ્ટેજ લાગુ કરીને કેપેસિટીવલી કપલ્ડ પ્લાઝ્મા એચિંગ (સીસીપી) પ્રાપ્ત થાય છે. બે ઇલેક્ટ્રોડ અને પ્લાઝ્મા મળીને એક સમકક્ષ કેપેસિટર બનાવે છે. આ પ્રક્રિયામાં, આરએફ વોલ્ટેજ ઇલેક્ટ્રોડની નજીક એક કેપેસિટીવ આવરણ બનાવે છે, અને આવરણની સીમા વોલ્ટેજના ઝડપી ઓસિલેશન સાથે બદલાય છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન આ ઝડપથી બદલાતા આવરણ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તેઓ પ્રતિબિંબિત થાય છે અને ઊર્જા મેળવે છે, જે બદલામાં પ્લાઝ્મા બનાવવા માટે ગેસના અણુઓના વિયોજન અથવા આયનીકરણને ટ્રિગર કરે છે. સીસીપી એચીંગ સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ રાસાયણિક બોન્ડ ઉર્જા ધરાવતી સામગ્રી પર લાગુ કરવામાં આવે છે, જેમ કે ડાઇલેક્ટ્રિક્સ, પરંતુ તેના નીચા ઇચિંગ દરને કારણે, તે દંડ નિયંત્રણની જરૂર હોય તેવા કાર્યક્રમો માટે યોગ્ય છે.

ઇન્ડક્ટિવલી કપલ્ડ પ્લાઝ્મા એચિંગ (ICP)

પ્રેરક રીતે જોડી પ્લાઝ્માકોતરણી(ICP) એ સિદ્ધાંત પર આધારિત છે કે પ્રેરિત ચુંબકીય ક્ષેત્ર પેદા કરવા માટે વૈકલ્પિક પ્રવાહ કોઇલમાંથી પસાર થાય છે. આ ચુંબકીય ક્ષેત્રની ક્રિયા હેઠળ, પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરમાં ઇલેક્ટ્રોન પ્રવેગિત થાય છે અને પ્રેરિત વિદ્યુત ક્ષેત્રમાં વેગ આપવાનું ચાલુ રાખે છે, આખરે પ્રતિક્રિયા ગેસના પરમાણુઓ સાથે અથડાય છે, જેના કારણે પરમાણુઓ અલગ થઈ જાય છે અથવા આયનોઈઝ થાય છે અને પ્લાઝ્મા બનાવે છે. આ પદ્ધતિ ઉચ્ચ આયનીકરણ દર ઉત્પન્ન કરી શકે છે અને પ્લાઝ્મા ઘનતા અને બોમ્બાર્ડમેન્ટ ઊર્જાને સ્વતંત્ર રીતે ગોઠવી શકે છે, જે બનાવે છેICP એચીંગઓછી રાસાયણિક બોન્ડ ઉર્જા, જેમ કે સિલિકોન અને મેટલ સાથે એચીંગ સામગ્રી માટે ખૂબ જ યોગ્ય. વધુમાં, ICP ટેક્નોલોજી વધુ સારી એકરૂપતા અને એચિંગ રેટ પણ પ્રદાન કરે છે.

1. મેટલ ઇચિંગ

મેટલ ઇચિંગનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ઇન્ટરકનેક્ટ અને મલ્ટી-લેયર મેટલ વાયરિંગની પ્રક્રિયા માટે થાય છે. તેની આવશ્યકતાઓમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: ઉચ્ચ એચીંગ રેટ, ઉચ્ચ પસંદગીક્ષમતા (માસ્ક લેયર માટે 4:1 કરતા વધારે અને ઈન્ટરલેયર ડાઈલેક્ટ્રીક માટે 20:1 કરતા વધારે), હાઈ ઈચિંગ એકરૂપતા, સારા નિર્ણાયક પરિમાણ નિયંત્રણ, કોઈ પ્લાઝમા નુકસાન, ઓછા અવશેષ દૂષકો અને મેટલ માટે કોઈ કાટ નથી. મેટલ ઇચિંગ સામાન્ય રીતે ઇન્ડક્ટિવલી કમ્પલ્ડ પ્લાઝમા ઇચિંગ સાધનોનો ઉપયોગ કરે છે.

•એલ્યુમિનિયમ એચિંગ: એલ્યુમિનિયમ એ ચિપ ઉત્પાદનના મધ્ય અને પાછળના તબક્કામાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ વાયર સામગ્રી છે, જેમાં ઓછી પ્રતિકાર, સરળ નિકાલ અને એચિંગના ફાયદા છે. એલ્યુમિનિયમ એચીંગ સામાન્ય રીતે ક્લોરાઇડ ગેસ (જેમ કે Cl2) દ્વારા ઉત્પન્ન થતા પ્લાઝ્માનો ઉપયોગ કરે છે. અસ્થિર એલ્યુમિનિયમ ક્લોરાઇડ (AlCl3) ઉત્પન્ન કરવા માટે એલ્યુમિનિયમ ક્લોરિન સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે. આ ઉપરાંત, અન્ય હલાઇડ્સ જેમ કે SiCl4, BCl3, BBr3, CCl4, CHF3, વગેરેને એલ્યુમિનિયમની સપાટી પરના ઓક્સાઇડ સ્તરને દૂર કરવા માટે ઉમેરી શકાય છે જેથી સામાન્ય એચિંગ થાય.

• ટંગસ્ટન એચિંગ: મલ્ટી-લેયર મેટલ વાયર ઇન્ટરકનેક્શન સ્ટ્રક્ચર્સમાં, ટંગસ્ટન એ મુખ્ય ધાતુ છે જેનો ઉપયોગ ચિપના મધ્ય વિભાગના ઇન્ટરકનેક્શન માટે થાય છે. ફ્લોરિન આધારિત અથવા ક્લોરિન આધારિત વાયુઓનો ઉપયોગ મેટલ ટંગસ્ટનને ખોદવા માટે કરી શકાય છે, પરંતુ ફ્લોરિન-આધારિત વાયુઓમાં સિલિકોન ઓક્સાઇડ માટે નબળી પસંદગી હોય છે, જ્યારે ક્લોરિન આધારિત વાયુઓ (જેમ કે CCl4) વધુ સારી પસંદગી ધરાવે છે. નાઈટ્રોજન સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ એચીંગ ગુંદર પસંદગી મેળવવા માટે પ્રતિક્રિયા ગેસમાં ઉમેરવામાં આવે છે, અને કાર્બન જમાવટ ઘટાડવા માટે ઓક્સિજન ઉમેરવામાં આવે છે. ક્લોરીન-આધારિત ગેસ સાથે ટંગસ્ટનને કોતરીને એનિસોટ્રોપિક એચીંગ અને ઉચ્ચ પસંદગી પ્રાપ્ત કરી શકે છે. ટંગસ્ટનના શુષ્ક કોતરકામમાં વપરાતા વાયુઓ મુખ્યત્વે SF6, Ar અને O2 છે, જેમાંથી SF6 ને પ્લાઝ્મામાં ફ્લોરિન પરમાણુ આપવા માટે અને ટંગસ્ટનને ફલોરાઇડ ઉત્પન્ન કરવા માટે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા માટે વિઘટન કરી શકાય છે.

• ટાઇટેનિયમ નાઇટ્રાઇડ ઇચિંગ: ટાઇટેનિયમ નાઇટ્રાઇડ, સખત માસ્ક સામગ્રી તરીકે, ડ્યુઅલ ડેમાસીન પ્રક્રિયામાં પરંપરાગત સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ અથવા ઓક્સાઇડ માસ્કને બદલે છે. ટાઇટેનિયમ નાઇટ્રાઇડ એચીંગનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે હાર્ડ માસ્ક ખોલવાની પ્રક્રિયામાં થાય છે, અને મુખ્ય પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદન TiCl4 છે. પરંપરાગત માસ્ક અને લો-કે ડાઇલેક્ટ્રિક લેયર વચ્ચેની પસંદગી વધારે નથી, જે લો-કે ડાઇલેક્ટ્રિક લેયરની ટોચ પર આર્ક-આકારની પ્રોફાઇલના દેખાવ તરફ દોરી જશે અને એચીંગ પછી ગ્રુવની પહોળાઈના વિસ્તરણ તરફ દોરી જશે. જમા થયેલ ધાતુની રેખાઓ વચ્ચેનું અંતર ખૂબ નાનું છે, જે લિકેજ અથવા સીધા ભંગાણને પુલ કરવા માટે ભરેલું છે.

2. ઇન્સ્યુલેટર એચીંગ

ઇન્સ્યુલેટર એચિંગનો પદાર્થ સામાન્ય રીતે સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ અથવા સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ જેવા ડાઇલેક્ટ્રિક પદાર્થો હોય છે, જેનો ઉપયોગ વિવિધ સર્કિટ સ્તરોને જોડવા માટે સંપર્ક છિદ્રો અને ચેનલ છિદ્રો બનાવવા માટે વ્યાપકપણે થાય છે. ડાઇલેક્ટ્રિક એચીંગ સામાન્ય રીતે કેપેસીટીવલી કમ્પલ્ડ પ્લાઝમા એચીંગના સિદ્ધાંત પર આધારિત ઈચરનો ઉપયોગ કરે છે.

• સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ ફિલ્મનું પ્લાઝ્મા ઇચિંગ: સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ ફિલ્મ સામાન્ય રીતે ફ્લોરિન ધરાવતા એચિંગ ગેસનો ઉપયોગ કરીને કોતરવામાં આવે છે, જેમ કે CF4, CHF3, C2F6, SF6 અને C3F8. એચીંગ ગેસમાં સમાયેલ કાર્બન ઓક્સાઈડ સ્તરમાં રહેલા ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા આપીને CO અને CO2 પેદા કરી શકે છે, જેનાથી ઓક્સાઈડ સ્તરમાંનો ઓક્સિજન દૂર થાય છે. CF4 એ સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતો એચિંગ ગેસ છે. જ્યારે CF4 ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળા ઇલેક્ટ્રોન સાથે અથડાય છે, ત્યારે વિવિધ આયનો, રેડિકલ, અણુઓ અને મુક્ત રેડિકલ ઉત્પન્ન થાય છે. અસ્થિર સિલિકોન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ (SiF4) ઉત્પન્ન કરવા માટે ફ્લોરિન મુક્ત રેડિકલ SiO2 અને Si સાથે રાસાયણિક રીતે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે.

• સિલિકોન નાઈટ્રાઈડ ફિલ્મનું પ્લાઝ્મા ઈચિંગઃ સિલિકોન નાઈટ્રાઈડ ફિલ્મને CF4 અથવા CF4 મિશ્રિત ગેસ (O2, SF6 અને NF3 સાથે) સાથે પ્લાઝમા ઈચિંગનો ઉપયોગ કરીને ઈચ કરી શકાય છે. Si3N4 ફિલ્મ માટે, જ્યારે એચિંગ માટે CF4-O2 પ્લાઝ્મા અથવા F પરમાણુ ધરાવતા અન્ય ગેસ પ્લાઝ્માનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનો ઇચિંગ રેટ 1200Å/મિનિટ સુધી પહોંચી શકે છે, અને એચિંગની પસંદગી 20:1 જેટલી ઊંચી હોઇ શકે છે. મુખ્ય ઉત્પાદન અસ્થિર સિલિકોન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ (SiF4) છે જે કાઢવામાં સરળ છે.

4. સિંગલ ક્રિસ્ટલ સિલિકોન એચિંગ

સિંગલ ક્રિસ્ટલ સિલિકોન એચિંગનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે છીછરા ટ્રેન્ચ આઇસોલેશન (STI) બનાવવા માટે થાય છે. આ પ્રક્રિયામાં સામાન્ય રીતે પ્રગતિશીલ પ્રક્રિયા અને મુખ્ય એચીંગ પ્રક્રિયાનો સમાવેશ થાય છે. મજબૂત આયન બોમ્બાર્ડમેન્ટ અને ફ્લોરિન તત્વોની રાસાયણિક ક્રિયા દ્વારા સિંગલ ક્રિસ્ટલ સિલિકોનની સપાટી પરના ઓક્સાઇડ સ્તરને દૂર કરવા માટે પ્રગતિ પ્રક્રિયા SiF4 અને NF ગેસનો ઉપયોગ કરે છે; મુખ્ય ઈચિંગમાં હાઈડ્રોજન બ્રોમાઈડ (HBr)નો ઉપયોગ મુખ્ય ઈચેન્ટ તરીકે થાય છે. પ્લાઝ્મા વાતાવરણમાં HBr દ્વારા વિઘટિત બ્રોમિન રેડિકલ સિલિકોન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને અસ્થિર સિલિકોન ટેટ્રાબ્રોમાઇડ (SiBr4) બનાવે છે, જેનાથી સિલિકોન દૂર થાય છે. સિંગલ ક્રિસ્ટલ સિલિકોન એચિંગ સામાન્ય રીતે ઇન્ડક્ટિવલી કપલ્ડ પ્લાઝ્મા એચિંગ મશીનનો ઉપયોગ કરે છે.

5. પોલિસિલિકન એચિંગ

પોલિસીલીકોન એચીંગ એ મુખ્ય પ્રક્રિયાઓમાંની એક છે જે ટ્રાંઝિસ્ટરના ગેટનું કદ નક્કી કરે છે, અને ગેટનું કદ એકીકૃત સર્કિટના પ્રભાવને સીધી અસર કરે છે. પોલિસીલીકોન એચીંગ માટે સારા પસંદગીના ગુણોત્તરની જરૂર છે. હેલોજન વાયુઓ જેમ કે ક્લોરીન (Cl2) નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે એનિસોટ્રોપિક એચીંગ હાંસલ કરવા માટે થાય છે, અને તેનો પસંદગીનો ગુણોત્તર સારો હોય છે (10:1 સુધી). હાઇડ્રોજન બ્રોમાઇડ (HBr) જેવા બ્રોમાઇન આધારિત વાયુઓ ઉચ્ચ પસંદગીના ગુણોત્તર (100:1 સુધી) મેળવી શકે છે. ક્લોરીન અને ઓક્સિજન સાથે HBr નું મિશ્રણ એચીંગ રેટ વધારી શકે છે. હેલોજન ગેસ અને સિલિકોનની પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો રક્ષણાત્મક ભૂમિકા ભજવવા માટે બાજુની દિવાલો પર જમા થાય છે. પોલિસીલીકોન ઈચીંગ સામાન્ય રીતે ઇન્ડક્ટિવલી કમ્પલ્ડ પ્લાઝમા ઈચીંગ મશીનનો ઉપયોગ કરે છે.

ભલે તે કેપેસિટીવલી કમ્પલ્ડ પ્લાઝ્મા ઈચિંગ હોય કે ઈન્ડક્ટિવલી કમ્પલ્ડ પ્લાઝ્મા ઈચિંગ હોય, દરેકના પોતાના વિશિષ્ટ ફાયદા અને ટેકનિકલ લાક્ષણિકતાઓ છે. યોગ્ય એચીંગ ટેક્નોલોજી પસંદ કરવાથી માત્ર ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા જ નહીં, પણ અંતિમ ઉત્પાદનની ઉપજ પણ સુનિશ્ચિત થઈ શકે છે.