संपूर्ण सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण प्रक्रिया को समझना

1. फोटोलिथोग्राफी 

फोटोलिथोग्राफी, जो अक्सर पैटर्न निर्माण का पर्याय है, सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी की तेजी से प्रगति के पीछे सबसे महत्वपूर्ण प्रेरक शक्तियों में से एक है, जो प्रिंटिंग में फोटोग्राफिक प्लेट बनाने की प्रक्रियाओं से उत्पन्न होती है। यह तकनीक सूक्ष्म या नैनो-स्केल पर किसी भी पैटर्न की प्रस्तुति की अनुमति देती है। फोटोरेसिस्ट, और जब अन्य प्रक्रिया प्रौद्योगिकियों के साथ जोड़ा जाता है, तो इन पैटर्न को सामग्रियों पर स्थानांतरित करता है, अर्धचालक सामग्री और उपकरणों के विभिन्न डिजाइनों और अवधारणाओं को साकार करता है। फोटोलिथोग्राफी में उपयोग किया जाने वाला प्रकाश स्रोत सीधे पैटर्न की सटीकता को प्रभावित करता है, जिसमें पराबैंगनी, गहरी पराबैंगनी से लेकर एक्स-रे और इलेक्ट्रॉन बीम तक के विकल्प होते हैं, प्रत्येक उल्लिखित क्रम में पैटर्न निष्ठा के बढ़ते स्तर के अनुरूप होता है।

एक मानक फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया प्रवाह में सतह की तैयारी, आसंजन, नरम बेक, एक्सपोज़र, पोस्ट-एक्सपोज़र बेक, विकास, हार्ड बेक और निरीक्षण शामिल हैं।

सतह का उपचार आवश्यक है क्योंकि सब्सट्रेट आमतौर पर हवा से H2O अणुओं को अवशोषित करते हैं, जो फोटोलिथोग्राफी के लिए हानिकारक है। इसलिए, सबस्ट्रेट्स शुरू में बेकिंग के माध्यम से निर्जलीकरण प्रसंस्करण से गुजरते हैं।

हाइड्रोफिलिक सब्सट्रेट्स के लिए, हाइड्रोफोबिक फोटोरेसिस्ट के लिए उनका आसंजन अपर्याप्त है, संभावित रूप से फोटोरेसिस्ट डिटेचमेंट या पैटर्न मिसलिग्न्मेंट का कारण बनता है, इस प्रकार एक आसंजन प्रमोटर की आवश्यकता होती है। वर्तमान में, हेक्सामेथाइल डिसिलज़ेन (एचएमडीएस) और ट्राई-मिथाइल-सिलिल-डायथाइल-एमाइन (टीएमएसडीईए) व्यापक रूप से आसंजन बढ़ाने वाले हैं।

सतह के उपचार के बाद, फोटोरेसिस्ट का अनुप्रयोग शुरू होता है। लागू फोटोरेसिस्ट की मोटाई न केवल इसकी चिपचिपाहट से संबंधित है, बल्कि स्पिन-कोटिंग गति से भी प्रभावित होती है, जो आमतौर पर स्पिन गति के वर्गमूल के विपरीत आनुपातिक होती है। कोटिंग के बाद, फोटोरेसिस्ट से विलायक को वाष्पित करने के लिए एक नरम बेक किया जाता है, जिससे प्रीबेक के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया में आसंजन में सुधार होता है।

एक बार जब ये चरण पूरे हो जाते हैं, तो एक्सपोज़र होता है। फोटोरेसिस्ट को एक्सपोज़र के बाद विपरीत गुणों के साथ सकारात्मक या नकारात्मक के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

उदाहरण के तौर पर पॉजिटिव फोटोरेसिस्ट को लें, जहां अनएक्सपोज़्ड फोटोरेसिस्ट डेवलपर में अघुलनशील होता है, लेकिन एक्सपोज़र के बाद घुलनशील हो जाता है। एक्सपोज़र के दौरान, प्रकाश स्रोत, एक पैटर्न वाले मास्क से गुजरते हुए, लेपित सब्सट्रेट को रोशन करता है, फोटोरेसिस्ट को पैटर्नाइज़ करता है। आमतौर पर, एक्सपोज़र की स्थिति को ठीक से नियंत्रित करने के लिए एक्सपोज़र से पहले सब्सट्रेट को मास्क के साथ संरेखित किया जाना चाहिए। पैटर्न विरूपण को रोकने के लिए एक्सपोज़र अवधि को सख्ती से प्रबंधित किया जाना चाहिए। एक्सपोज़र के बाद, स्थायी तरंग प्रभावों को कम करने के लिए अतिरिक्त बेकिंग की आवश्यकता हो सकती है, हालांकि यह कदम वैकल्पिक है और प्रत्यक्ष विकास के पक्ष में इसे नजरअंदाज किया जा सकता है। विकास उजागर फोटोरेसिस्ट को भंग कर देता है, मास्क पैटर्न को फोटोरेसिस्ट परत पर सटीक रूप से स्थानांतरित कर देता है। विकास का समय भी महत्वपूर्ण है - बहुत कम समय अपूर्ण विकास की ओर ले जाता है, बहुत अधिक समय पैटर्न विरूपण का कारण बनता है।

इसके बाद, हार्ड बेकिंग सब्सट्रेट से फोटोरेसिस्ट फिल्म के जुड़ाव को मजबूत करती है और इसके ईच प्रतिरोध में सुधार करती है। हार्ड बेक का तापमान आम तौर पर प्रीबेक की तुलना में थोड़ा अधिक होता है।

अंत में, सूक्ष्म निरीक्षण यह सत्यापित करता है कि पैटर्न अपेक्षाओं के अनुरूप है या नहीं। अन्य प्रक्रियाओं द्वारा पैटर्न को सामग्री पर स्थानांतरित करने के बाद, फोटोरेसिस्ट ने अपना उद्देश्य पूरा कर लिया है और उसे हटा दिया जाना चाहिए। स्ट्रिपिंग विधियों में गीला (एसीटोन जैसे मजबूत कार्बनिक सॉल्वैंट्स का उपयोग करना) और सूखा (फिल्म को हटाने के लिए ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग करना) शामिल हैं।

2. डोपिंग तकनीक 

सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी में डोपिंग अपरिहार्य है, जो आवश्यकतानुसार सेमीकंडक्टर सामग्री के विद्युत गुणों को बदल देती है। सामान्य डोपिंग विधियों में थर्मल डिफ्यूजन और आयन इम्प्लांटेशन शामिल हैं।

(1) आयन प्रत्यारोपण 

आयन आरोपण अर्धचालक सब्सट्रेट पर उच्च-ऊर्जा आयनों की बमबारी करके उसे निष्क्रिय कर देता है। तापीय प्रसार की तुलना में इसके कई फायदे हैं। मास विश्लेषक द्वारा चयनित आयन, उच्च डोपिंग शुद्धता सुनिश्चित करते हैं। पूरे प्रत्यारोपण के दौरान, सब्सट्रेट कमरे के तापमान पर या थोड़ा ऊपर रहता है। कई मास्किंग फिल्मों का उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2), सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4), और फोटोरेसिस्ट, स्व-संरेखित मास्क तकनीकों के साथ उच्च लचीलापन प्रदान करते हैं। प्रत्यारोपण खुराक को सटीक रूप से नियंत्रित किया जाता है, और प्रत्यारोपित अशुद्धता आयन वितरण एक ही विमान के भीतर एक समान होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च पुनरावृत्ति होती है।

प्रत्यारोपण की गहराई आयनों की ऊर्जा से निर्धारित होती है। ऊर्जा और खुराक को विनियमित करके, प्रत्यारोपण के बाद सब्सट्रेट में अशुद्धता आयनों के वितरण में हेरफेर किया जा सकता है। विभिन्न अशुद्धता प्रोफाइल प्राप्त करने के लिए विभिन्न योजनाओं के साथ एकाधिक प्रत्यारोपण लगातार किया जा सकता है। विशेष रूप से, एकल-क्रिस्टल सब्सट्रेट्स में, यदि आरोपण दिशा क्रिस्टलोग्राफिक दिशा के समानांतर है, तो चैनलिंग प्रभाव उत्पन्न होते हैं - कुछ आयन चैनलों के साथ यात्रा करेंगे, जिससे गहराई नियंत्रण चुनौतीपूर्ण हो जाएगा।

चैनलिंग को रोकने के लिए, प्रत्यारोपण आम तौर पर एकल-क्रिस्टल सब्सट्रेट के मुख्य अक्ष पर लगभग 7° के कोण पर या सब्सट्रेट को एक अनाकार परत के साथ कवर करके किया जाता है।

हालाँकि, आयन आरोपण सब्सट्रेट की क्रिस्टल संरचना को काफी नुकसान पहुंचा सकता है। उच्च-ऊर्जा आयन, टकराव पर, सब्सट्रेट के नाभिक और इलेक्ट्रॉनों में ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं, जिससे वे जाली छोड़ देते हैं और अंतरालीय-रिक्त दोष जोड़े बनाते हैं। गंभीर मामलों में, कुछ क्षेत्रों में क्रिस्टल संरचना नष्ट हो सकती है, जिससे अनाकार क्षेत्र बन सकते हैं।

जाली की क्षति अर्धचालक सामग्री के विद्युत गुणों को बहुत प्रभावित करती है, जैसे वाहक गतिशीलता को कम करना या गैर-संतुलन वाहक के जीवनकाल को कम करना। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि अधिकांश प्रत्यारोपित अशुद्धियाँ अनियमित अंतरालीय स्थलों पर कब्जा कर लेती हैं, जो प्रभावी डोपिंग बनाने में विफल रहती हैं। इसलिए, प्रत्यारोपण के बाद जाली क्षति की मरम्मत और अशुद्धियों का विद्युत सक्रियण आवश्यक है।

(2)रैपिड थर्मल प्रोसेसिंग (आरटीपी)

 आयन आरोपण और विद्युतीय रूप से सक्रिय अशुद्धियों के कारण जाली क्षति को संशोधित करने के लिए थर्मल एनीलिंग सबसे प्रभावी तरीका है। उच्च तापमान पर, सब्सट्रेट के क्रिस्टल जाली में अंतरालीय-रिक्त दोष जोड़े पुनः संयोजित होंगे और गायब हो जाएंगे; अनाकार क्षेत्र भी ठोस-चरण एपिटॉक्सी के माध्यम से एकल-क्रिस्टल क्षेत्रों के साथ सीमा से पुन: क्रिस्टलीकृत हो जाएंगे। सब्सट्रेट सामग्री को उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण से रोकने के लिए, थर्मल एनीलिंग को वैक्यूम या अक्रिय गैस वातावरण में आयोजित किया जाना चाहिए। पारंपरिक एनीलिंग में लंबा समय लगता है और प्रसार के कारण महत्वपूर्ण अशुद्धता पुनर्वितरण हो सकता है।

के आगमनआरटीपी प्रौद्योगिकीइस समस्या का समाधान करता है, कम एनीलिंग अवधि के भीतर बड़े पैमाने पर जाली क्षति की मरम्मत और अशुद्धता सक्रियण को पूरा करता है।

ताप स्रोत के आधार पर,आरटीपीइसे कई प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है: इलेक्ट्रॉन बीम स्कैनिंग, स्पंदित इलेक्ट्रॉन और आयन बीम, स्पंदित लेजर, निरंतर-तरंग लेजर, और ब्रॉडबैंड असंगत प्रकाश स्रोत (हलोजन लैंप, ग्रेफाइट हीटर, आर्क लैंप), जिनमें से बाद वाला सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये स्रोत सब्सट्रेट को तुरंत आवश्यक तापमान तक गर्म कर सकते हैं, कम समय में एनीलिंग पूरा कर सकते हैं और अशुद्धता प्रसार को प्रभावी ढंग से कम कर सकते हैं।

3. फिल्म जमाव तकनीक

(1) प्लाज्मा-उन्नत रासायनिक वाष्प जमाव (पीईसीवीडी)

पीईसीवीडी फिल्म जमाव के लिए रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) तकनीक का एक रूप है, अन्य दो वायुमंडलीय दबाव सीवीडी (एपीसीवीडी) और कम दबाव सीवीडी (एलपीसीवीडी) हैं।

वर्तमान में, PECVD तीन प्रकारों में सबसे व्यापक रूप से लागू है। यह अपेक्षाकृत कम तापमान पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शुरू करने और बनाए रखने के लिए रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) प्लाज्मा का उपयोग करता है, जिससे उच्च जमाव दर के साथ कम तापमान वाली फिल्म जमाव की सुविधा मिलती है। इसका उपकरण योजना चित्रानुसार है। 

इस विधि के माध्यम से निर्मित फिल्में असाधारण आसंजन और विद्युत गुण, न्यूनतम माइक्रोपोरसिटी, उच्च एकरूपता और मजबूत छोटे पैमाने पर भरण क्षमताओं का प्रदर्शन करती हैं। पीईसीवीडी जमाव की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले कारकों में सब्सट्रेट तापमान, गैस प्रवाह दर, दबाव, आरएफ शक्ति और आवृत्ति शामिल हैं।

(2) छटपटाना 

स्पटरिंग एक भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) विधि है। आवेशित आयन (आमतौर पर आर्गन आयन, Ar+) विद्युत क्षेत्र में त्वरित होकर गतिज ऊर्जा प्राप्त करते हैं। वे लक्ष्य सामग्री की ओर निर्देशित होते हैं, लक्ष्य अणुओं से टकराते हैं और उन्हें विस्थापित और दूर फेंक देते हैं। इन अणुओं में महत्वपूर्ण गतिज ऊर्जा भी होती है और ये सब्सट्रेट की ओर बढ़ते हैं, उस पर जमा होते हैं।

आमतौर पर नियोजित स्पटरिंग पावर स्रोतों में डायरेक्ट करंट (डीसी) और रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) शामिल हैं, जहां डीसी स्पटरिंग सीधे धातुओं जैसी प्रवाहकीय सामग्री पर लागू होती है, जबकि इन्सुलेट सामग्री को फिल्म जमाव के लिए आरएफ स्पटरिंग की आवश्यकता होती है।

पारंपरिक स्पटरिंग कम जमाव दर और उच्च कामकाजी दबाव से ग्रस्त है, जिसके परिणामस्वरूप फिल्म की गुणवत्ता कम हो जाती है। मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग इन मुद्दों को अधिक आदर्श रूप से संबोधित करता है। यह आयनों के रैखिक प्रक्षेपवक्र को चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के चारों ओर एक पेचदार पथ में बदलने के लिए एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को नियोजित करता है, उनके पथ को लंबा करता है और लक्ष्य अणुओं के साथ टकराव दक्षता में सुधार करता है, जिससे स्पटरिंग दक्षता में वृद्धि होती है। इसके परिणामस्वरूप जमाव दर में वृद्धि हुई, काम का दबाव कम हुआ और फिल्म की गुणवत्ता में उल्लेखनीय सुधार हुआ।

4. नक़्क़ाशी TECHNIQUES

नक़्क़ाशी को सूखे और गीले मोड में वर्गीकृत किया गया है, जिन्हें क्रमशः विशिष्ट समाधानों के उपयोग (या कमी) के लिए नामित किया गया है।

आमतौर पर, नक़्क़ाशी के लिए गैर-नक़्क़ाशी वाले क्षेत्रों की सुरक्षा के लिए एक मुखौटा परत (जो सीधे फोटोरेसिस्ट हो सकती है) की तैयारी की आवश्यकता होती है।

(1) सूखी नक़्क़ाशी

सामान्य सूखी नक़्क़ाशी के प्रकारों में शामिल हैंप्रेरक रूप से युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) नक़्क़ाशी, आयन बीम नक़्क़ाशी (आईबीई), और प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आरआईई)।

आईसीपी नक़्क़ाशी में, ग्लो डिस्चार्ज-उत्पादित प्लाज्मा में कई अत्यधिक रासायनिक रूप से सक्रिय मुक्त कण (मुक्त परमाणु, अणु, या परमाणु समूह) होते हैं, जो अस्थिर उत्पादों को बनाने के लिए लक्ष्य सामग्री के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं, इस प्रकार नक़्क़ाशी प्राप्त करते हैं।

आईबीई एक भौतिक प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करते हुए, नक़्क़ाशी के लिए लक्ष्य सामग्री की सतह पर सीधे बमबारी करने के लिए उच्च-ऊर्जा आयनों (अक्रिय गैसों से आयनित) को नियोजित करता है।

RIE को पिछले दो का संयोजन माना जाता है, IBE में प्रयुक्त अक्रिय गैस को ICP नक़्क़ाशी में उपयोग की जाने वाली गैस से प्रतिस्थापित किया जाता है, जिससे RIE का निर्माण होता है।

सूखी नक़्क़ाशी के लिए, ऊर्ध्वाधर नक़्क़ाशी दर पार्श्व दर से कहीं अधिक है, यानी, इसमें एक उच्च पहलू अनुपात है, जो मुखौटा पैटर्न की सटीक प्रतिकृति की अनुमति देता है। हालाँकि, सूखी नक़्क़ाशी भी मुखौटा परत को खोदती है, जो खराब चयनात्मकता (मास्क परत के लिए लक्ष्य सामग्री की नक़्क़ाशी दर का अनुपात) दिखाती है, विशेष रूप से आईबीई के साथ, जो गैर-चयनात्मक रूप से सामग्री की सतह पर खोद सकती है।

(2) गीली नक़्क़ाशी 

गीली नक़्क़ाशी, लक्ष्य सामग्री को एक घोल (एचैंट) में डुबाकर हासिल की गई नक़्क़ाशी की विधि को दर्शाती है जो इसके साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करती है।

यह नक़्क़ाशी विधि सरल, लागत प्रभावी है, और अच्छी चयनात्मकता दिखाती है लेकिन इसका पहलू अनुपात कम है। मास्क के किनारों के नीचे की सामग्री का क्षरण हो सकता है, जिससे यह सूखी नक़्क़ाशी की तुलना में कम सटीक हो जाती है। कम पहलू अनुपात के नकारात्मक प्रभावों को कम करने के लिए, उपयुक्त नक़्क़ाशी दरों को चुना जाना चाहिए। नक़्क़ाशी दर को प्रभावित करने वाले कारकों में नक़्क़ाशी एकाग्रता, नक़्क़ाशी का समय और नक़्क़ाशी तापमान शामिल हैं।**