सेमीकंडक्टर नक़्क़ाशी प्रक्रिया प्रौद्योगिकी

नक़्क़ाशी, या नक़्क़ाशी, सेमीकंडक्टर निर्माण, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स आईसी विनिर्माण और माइक्रो/नैनो विनिर्माण प्रक्रियाओं में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह फोटोलिथोग्राफी से जुड़ी एक प्राथमिक पैटर्निंग प्रक्रिया है। एक संकीर्ण अर्थ में, नक़्क़ाशी अनिवार्य रूप से फोटोलिथोग्राफ़िक नक़्क़ाशी है, जहां पहले फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके फोटोरेसिस्ट को उजागर किया जाता है, और फिर अवांछित सामग्री को निकालने के लिए अन्य तरीकों का उपयोग किया जाता है। नक़्क़ाशी रासायनिक या भौतिक तरीकों का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर की सतह से अवांछित सामग्री को चुनिंदा रूप से हटाने की प्रक्रिया है। इसका मूल लक्ष्य लेपित सिलिकॉन वेफर पर मास्क पैटर्न को सटीक रूप से दोहराना है। माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं के विकास के साथ, नक़्क़ाशी मोटे तौर पर समाधान, प्रतिक्रियाशील आयनों या अन्य यांत्रिक तरीकों का उपयोग करके सामग्री को अलग करने और हटाने के लिए एक सामान्य शब्द बन गया है, जो माइक्रोफैब्रिकेशन में एक सामान्य शब्द बन गया है।

नक़्क़ाशी को मोटे तौर पर दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: गीली नक़्क़ाशी और सूखी नक़्क़ाशी। शुष्क नक़्क़ाशी में, गैस उच्च आवृत्तियों (मुख्य रूप से 13.56 मेगाहर्ट्ज या 2.45 गीगाहर्ट्ज़) पर उत्तेजित होती है। 1 से 100 Pa के दबाव में, इसका औसत मुक्त पथ कुछ मिलीमीटर से लेकर कुछ सेंटीमीटर तक होता है। सूखी नक़्क़ाशी के तीन मुख्य प्रकार हैं:

• भौतिक शुष्क नक़्क़ाशी: वेफ़र सतह पर कणों के भौतिक घिसाव को तेज़ करता है;

• रासायनिक सूखी नक़्क़ाशी: गैस वेफर सतह के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करती है;

• रासायनिक-भौतिक सूखी नक़्क़ाशी: रासायनिक गुणों के साथ एक भौतिक नक़्क़ाशी प्रक्रिया;

1. आयन किरण नक़्क़ाशी

आयन बीम नक़्क़ाशी एक भौतिक शुष्क नक़्क़ाशी प्रक्रिया है। आर्गन आयन लगभग 1 से 3 केवी के आयन बीम में सतह पर विकिरणित होते हैं। आयनों की ऊर्जा के कारण, वे सतह सामग्री पर बमबारी करते हैं। वेफर को आयन बीम में लंबवत या एक कोण पर डाला जाता है, और नक़्क़ाशी प्रक्रिया बिल्कुल अनिसोट्रोपिक होती है। चयनात्मकता कम है क्योंकि यह परतों के बीच अंतर नहीं करती है। गैस और पॉलिश की गई सामग्री को वैक्यूम पंप द्वारा निष्कासित कर दिया जाता है; हालाँकि, क्योंकि प्रतिक्रिया उत्पाद गैसीय नहीं हैं, कण वेफर या चैम्बर की दीवारों पर जमा हो सकते हैं।

इन कणों से बचने के लिए चैम्बर में एक दूसरी गैस डाली जाती है। यह गैस आर्गन आयनों के साथ प्रतिक्रिया करती है, जिससे भौतिक रासायनिक नक़्क़ाशी प्रक्रिया प्रेरित होती है। कुछ गैसें सतह के साथ प्रतिक्रिया करती हैं, लेकिन कुछ पॉलिश किए गए कणों के साथ प्रतिक्रिया करके गैसीय उपोत्पाद बनाती हैं। इस विधि का उपयोग करके लगभग सभी सामग्रियों को उकेरा जा सकता है। ऊर्ध्वाधर विकिरण के कारण, ऊर्ध्वाधर दीवारों पर घिसाव बहुत कम (उच्च अनिसोट्रॉपी) होता है। हालाँकि, कम चयनात्मकता और कम नक़्क़ाशी दर के कारण, आधुनिक अर्धचालक निर्माण में इस प्रक्रिया का उपयोग शायद ही कभी किया जाता है।

2. प्लाज्मा नक़्क़ाशी

प्लाज़्मा नक़्क़ाशी एक पूर्णतः रासायनिक नक़्क़ाशी प्रक्रिया (रासायनिक सूखी नक़्क़ाशी) है। इसका लाभ यह है कि वेफर सतह त्वरित आयनों से क्षतिग्रस्त नहीं होती है। नक़्क़ाशी गैस के गतिशील कणों के कारण, नक़्क़ाशी प्रोफ़ाइल आइसोट्रोपिक है, जो इस विधि को पूरी फिल्म परतों को हटाने के लिए उपयुक्त बनाती है (उदाहरण के लिए, थर्मल ऑक्सीकरण के बाद पीछे की ओर सफाई)।

प्लाज्मा नक़्क़ाशी के लिए उपयोग किया जाने वाला एक प्रकार का रिएक्टर डाउनस्ट्रीम रिएक्टर है। प्रभाव आयनीकरण के माध्यम से प्लाज्मा को 2.45 गीगाहर्ट्ज की उच्च आवृत्ति पर प्रज्वलित किया जाता है, और प्रभाव आयनीकरण स्थल वेफर से अलग हो जाता है।

गैस डिस्चार्ज क्षेत्र में प्रभाव के कारण मुक्त कणों सहित विभिन्न कण मौजूद होते हैं। मुक्त कण असंतृप्त इलेक्ट्रॉनों वाले तटस्थ परमाणु या अणु होते हैं और इसलिए अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं। एक तटस्थ गैस के रूप में, टेट्राफ्लोरोमेथेन (CF4) को गैस डिस्चार्ज क्षेत्र में पेश किया जाता है और CF2 और फ्लोरीन अणुओं (F2) में अलग हो जाता है। इसी प्रकार, फ्लोरीन को ऑक्सीजन (O2) जोड़कर CF4 से अलग किया जा सकता है:

2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2

फ्लोरीन अणु को गैस डिस्चार्ज क्षेत्र में ऊर्जा द्वारा दो अलग-अलग फ्लोरीन परमाणुओं में विभाजित किया जा सकता है: प्रत्येक फ्लोरीन परमाणु एक फ्लोरीन मुक्त कट्टरपंथी है, क्योंकि प्रत्येक परमाणु में सात वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं और एक अक्रिय गैस विन्यास प्राप्त करने का लक्ष्य होता है। तटस्थ मुक्त कणों के अलावा, कई आंशिक रूप से आवेशित कण (CF+4, CF+3, CF+2, ...) होते हैं। फिर सभी कण, मुक्त कण आदि एक सिरेमिक ट्यूब के माध्यम से नक़्क़ाशी कक्ष में प्रवेश करते हैं। आवेशित कणों को तटस्थ अणुओं के निर्माण के दौरान निष्कर्षण झंझरी द्वारा नक़्क़ाशी कक्ष से अवरुद्ध किया जा सकता है या पुनः संयोजित किया जा सकता है। फ्लोरीन रेडिकल भी आंशिक रूप से पुनर्संयोजित होते हैं, लेकिन नक़्क़ाशी कक्ष तक पहुंचने, वेफर सतह पर प्रतिक्रिया करने और रासायनिक घर्षण का कारण बनने के लिए पर्याप्त हैं। अन्य तटस्थ कण नक़्क़ाशी प्रक्रिया का हिस्सा नहीं हैं और प्रतिक्रिया उत्पादों के साथ समाप्त हो जाते हैं।

पतली फिल्मों के उदाहरण जिन्हें प्लाज्मा नक़्क़ाशी में उकेरा जा सकता है: • सिलिकॉन: Si + 4F ---> SiF4 • सिलिकॉन डाइऑक्साइड: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • सिलिकॉन नाइट्राइड: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आरआईई) विशेषताएं: चयनात्मकता, नक़्क़ाशी प्रोफ़ाइल, नक़्क़ाशी दर, एकरूपता और दोहराव सभी कर सकते हैं प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी में बहुत सटीक रूप से नियंत्रित किया जाता है। आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी प्रोफाइल के साथ-साथ अनिसोट्रोपिक भी संभव हैं। इसलिए, आरआईई एक रासायनिक भौतिक नक़्क़ाशी प्रक्रिया है और विभिन्न प्रकार की पतली फिल्मों के निर्माण के लिए अर्धचालक निर्माण में सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। प्रक्रिया कक्ष में, वेफर को उच्च-आवृत्ति इलेक्ट्रोड (एचएफ इलेक्ट्रोड) पर रखा जाता है। प्लाज्मा प्रभाव आयनीकरण द्वारा उत्पन्न होता है, जिसमें मुक्त इलेक्ट्रॉन और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन दिखाई देते हैं। यदि एचएफ इलेक्ट्रोड सकारात्मक वोल्टेज पर है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन उस पर जमा हो जाते हैं और अपनी इलेक्ट्रॉन बंधुता के कारण इलेक्ट्रोड को दोबारा नहीं छोड़ सकते। इसलिए, इलेक्ट्रोड को -1000 V (बायस वोल्टेज) तक चार्ज किया जाता है। धीमे आयन जो तेजी से बदलते क्षेत्र का अनुसरण नहीं कर सकते, नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ते हैं।

यदि आयनों का माध्य मुक्त पथ अधिक है, तो कण लगभग लंबवत कोणों पर वेफर सतह पर बमबारी करते हैं। इस प्रकार, सामग्री को त्वरित आयनों (भौतिक नक़्क़ाशी) द्वारा सतह से बाहर निकाल दिया जाता है, और कुछ कण सतह के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया भी करते हैं। पार्श्व पार्श्व दीवारें अप्रभावित हैं, इसलिए कोई घिसाव नहीं है और ईच प्रोफ़ाइल अनिसोट्रोपिक बनी हुई है। चयनात्मकता बहुत छोटी नहीं है, लेकिन भौतिक नक़्क़ाशी प्रक्रिया के कारण यह बहुत बड़ी भी नहीं है। इसके अलावा, वेफर सतह त्वरित आयनों से क्षतिग्रस्त हो जाती है और इसे थर्मल एनीलिंग द्वारा ठीक किया जाना चाहिए। नक़्क़ाशी प्रक्रिया का रासायनिक हिस्सा सतह के साथ मुक्त कणों की प्रतिक्रिया के माध्यम से पूरा किया जाता है और सामग्री को भौतिक रूप से पीसा जाता है, इसलिए यह आयन बीम नक़्क़ाशी की तरह वेफर या कक्ष की दीवारों पर फिर से जमा नहीं होता है। नक़्क़ाशी कक्ष में दबाव बढ़ाने से कणों का माध्य मुक्त पथ कम हो जाता है। इसलिए, अधिक टकराव होते हैं, और कण अलग-अलग दिशाओं में यात्रा करते हैं। इसके परिणामस्वरूप कम दिशात्मक नक़्क़ाशी होती है, और नक़्क़ाशी प्रक्रिया अधिक रासायनिक गुण प्राप्त कर लेती है। बढ़ी हुई चयनात्मकता के परिणामस्वरूप अधिक आइसोट्रोपिक ईच प्रोफ़ाइल प्राप्त होती है। सिलिकॉन नक़्क़ाशी के दौरान साइडवॉल के पारित होने के माध्यम से अनिसोट्रोपिक ईच प्रोफ़ाइल प्राप्त की जाती है। नक़्क़ाशी कक्ष में ऑक्सीजन मिल्ड सिलिकॉन के साथ प्रतिक्रिया करके सिलिकॉन डाइऑक्साइड बनाती है, जो ऊर्ध्वाधर साइडवॉल पर जमा होती है। आयन बमबारी के कारण क्षैतिज क्षेत्रों पर ऑक्साइड फिल्म हटा दी जाती है, जिससे पार्श्व नक़्क़ाशी प्रक्रिया जारी रहती है।

खोदने की दर दबाव, उच्च आवृत्ति जनरेटर शक्ति, प्रक्रिया गैस, वास्तविक गैस प्रवाह दर और वेफर तापमान पर निर्भर करती है। उच्च-आवृत्ति शक्ति बढ़ने, दबाव घटने और तापमान घटने से अनिसोट्रॉपी बढ़ती है। नक़्क़ाशी प्रक्रिया की एकरूपता गैस, दो इलेक्ट्रोडों के बीच की दूरी और इलेक्ट्रोड सामग्री पर निर्भर करती है। यदि दूरी बहुत छोटी है, तो प्लाज्मा को समान रूप से फैलाया नहीं जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप असमानता होती है। इलेक्ट्रोड की दूरी बढ़ाने से ईच दर कम हो जाती है क्योंकि प्लाज्मा विस्तारित मात्रा में वितरित होता है। इलेक्ट्रोड के लिए, कार्बन पसंदीदा सामग्री साबित हुआ है। क्योंकि फ्लोरीन और क्लोरीन भी कार्बन पर हमला करते हैं, इलेक्ट्रोड एक समान तनावग्रस्त प्लाज्मा का उत्पादन करते हैं, इस प्रकार वेफर किनारे उसी तरह प्रभावित होते हैं जैसे वेफर केंद्र।

चयनात्मकता और खोदने की दर काफी हद तक प्रक्रिया गैस पर निर्भर करती है। सिलिकॉन और सिलिकॉन यौगिकों के लिए, फ्लोरीन और क्लोरीन का मुख्य रूप से उपयोग किया जाता है।

नक़्क़ाशी प्रक्रियाएँ किसी एक गैस, गैस मिश्रण या निश्चित प्रक्रिया मापदंडों तक सीमित नहीं हैं। उदाहरण के लिए, पॉलीसिलिकॉन पर देशी ऑक्साइड को पहले उच्च ईच दर और कम चयनात्मकता के साथ हटाया जा सकता है, इसके बाद अंतर्निहित परतों के सापेक्ष उच्च चयनात्मकता के साथ पॉलीसिलिकॉन की नक़्क़ाशी की जा सकती है।

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