الحفر (التصنيع الدقيق)

استخدمت عمليات الحفر الأولى مواد حفر سائلة ("رطبة"). هذه العملية قديمة إلى حد كبير الآن، ولكنها كانت مستخدمة حتى أواخر ثمانينيات القرن الماضي عندما حلت محلها عملية الحفر بالبلازما الجافة. ^{[ 1 ] : 147} يمكن غمر الرقاقة في حمام من مادة الحفر، والتي يجب تحريكها باستمرار لتحقيق تحكم جيد في العملية. على سبيل المثال، يُستخدم حمض الهيدروفلوريك المخفف (BHF) بشكل شائع لحفر ثاني أكسيد السيليكون فوق ركيزة من السيليكون .

يمكن استخدام مواد حفر متخصصة مختلفة لتوصيف السطح المحفور.

تتميز المحاليل الكيميائية المستخدمة في الحفر الرطب عادةً بخاصية التجانس، مما يؤدي إلى انحراف كبير عند حفر الأغشية السميكة. كما تتطلب هذه المحاليل التخلص من كميات كبيرة من النفايات السامة. لهذه الأسباب، نادراً ما تُستخدم في العمليات الحديثة. مع ذلك، فإن مُظهِر الصور المستخدم في صناعة المقاوم الضوئي يُشبه الحفر الرطب.

كبديلٍ للغمر، تستخدم آلات الرقاقات المفردة مبدأ برنولي لتوظيف غاز (عادةً النيتروجين النقي ) لتوفير طبقة عازلة وحماية لأحد جانبي الرقاقة أثناء تطبيق مادة الحفر على الجانب الآخر. يمكن تطبيق هذه العملية على الجانب الأمامي أو الخلفي. تُوزّع مواد الحفر على الجانب العلوي داخل الآلة، بينما يبقى الجانب السفلي سليمًا. تُعدّ هذه الطريقة فعّالة للغاية قبل معالجة "الطبقة الخلفية" ( BEOL )، حيث تكون الرقاقات عادةً أرق بكثير بعد عملية الطحن الخلفي ، وحساسة جدًا للإجهاد الحراري أو الميكانيكي. يؤدي حفر طبقة رقيقة، حتى لو كانت بضعة ميكرومترات، إلى إزالة الشقوق الدقيقة الناتجة أثناء الطحن الخلفي، مما يُكسب الرقاقة قوة ومرونة أكبر بكثير دون أن تنكسر.

تُؤدي بعض المحاليل الكيميائية الرطبة إلى حفر المواد البلورية بمعدلات متفاوتة للغاية، وذلك تبعًا لسطح البلورة المُعرَّض. في المواد أحادية البلورة (مثل رقائق السيليكون)، يُمكن لهذا التأثير أن يُتيح تباينًا عاليًا جدًا في الخواص، كما هو موضح في الشكل. يُستخدم مصطلح "الحفر البلوري" كمرادف لمصطلح "الحفر المتباين الخواص على طول مستويات البلورة".

مع ذلك، توجد طرق غير تقليدية للحفر غير المتناحي في بعض المواد غير البلورية كالزجاج. ^{[ 2 ]} يستخدم الباحثون تدفقًا صفائحيًا متعدد المسارات يحتوي على محاليل حفر وغير حفر لتصنيع أخدود زجاجي. يُحاط محلول الحفر في المركز بمحاليل غير حفر، وتُحدَّد مساحة التلامس مع محاليل الحفر بواسطة المحاليل المحيطة غير الحفرية. وبالتالي، يكون اتجاه الحفر عموديًا بشكل أساسي على سطح الزجاج. تُظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) تجاوز الحد النظري التقليدي لنسبة العرض إلى الارتفاع (العرض/الارتفاع = 0.5) وتحقيق تحسن بمقدار الضعف (العرض/الارتفاع = 1).

تتوفر عدة مواد حفر رطبة غير متناحية للسيليكون، جميعها محاليل قلوية مائية ساخنة. على سبيل المثال، يُظهر هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) انتقائية في معدل الحفر أعلى بـ 400 مرة في اتجاهات البلورة <100> مقارنةً باتجاهات <111>. أما محلول EDP (محلول مائي من إيثيلين ديامين وبيروكاتيكول )، فيُظهر انتقائية <100>/<111> تبلغ 17 ضعفًا، ولا يحفر ثاني أكسيد السيليكون كما يفعل KOH، كما يُظهر انتقائية عالية بين السيليكون المُطعّم بنسب منخفضة والسيليكون المُطعّم بنسب عالية من البورون (النوع p). يتطلب استخدام هذه المواد على الرقاقات التي تحتوي بالفعل على دوائر متكاملة CMOS حماية هذه الدوائر. قد يُدخل KOH أيونات البوتاسيوم المتحركة إلى ثاني أكسيد السيليكون ، كما أن EDP مادة شديدة التآكل ومسرطنة ، لذا يلزم توخي الحذر عند استخدامها. يمثل هيدروكسيد رباعي ميثيل الأمونيوم (TMAH) بديلاً أكثر أمانًا من EDP، مع انتقائية 37X بين المستويات {100} و {111} في السيليكون.

يؤدي حفر سطح السيليكون (100) من خلال ثقب مستطيل في مادة التغطية، مثل ثقب في طبقة من نتريد السيليكون، إلى تكوين حفرة ذات جدران جانبية مسطحة مائلة موجهة {111} وقاع مسطح موجه (100). تشكل الجدران الجانبية الموجهة {111} زاوية مع سطح الرقاقة مقدارها:

${\displaystyle \arctan {\sqrt {2}}=54.7^{\circ }}$

إذا استمر النقش "حتى الاكتمال"، أي حتى يختفي القاع المسطح، فإن الحفرة تتحول إلى خندق ذي مقطع عرضي على شكل حرف V. أما إذا كان المستطيل الأصلي مربعًا مثاليًا، فإن الحفرة عند اكتمال نقشها تتخذ شكلًا هرميًا.

يُعطى مقدار القطع السفلي، δ ، أسفل حافة مادة التغطية بالصيغة التالية:

${\displaystyle \delta ={\frac {{\sqrt {6}}D}{S}}={\frac {{\sqrt {6}}R_{100}T}{R_{100}/R_{111}}}={\sqrt {6}}TR_{111}}$،

حيث R _xxx هو معدل الحفر في اتجاه <xxx>، و T هو وقت الحفر، و D هو عمق الحفر و S هو تباين الخواص للمادة والمادة المحفورة.

تختلف خصائص التباين بين المواد الكيميائية المستخدمة في الحفر. فيما يلي جدول بالمواد الكيميائية الشائعة المستخدمة في حفر السيليكون والتي تتميز بخصائص تباين مختلفة:

تتجنب عمليات التكامل واسع النطاق للغاية (VLSI) الحديثة الحفر الرطب، وتستخدم بدلاً منه الحفر بالبلازما . يمكن لأجهزة الحفر بالبلازما العمل في عدة أوضاع عن طريق ضبط معايير البلازما. يعمل الحفر بالبلازما العادي بين 0.1 و5 تور . (وحدة الضغط هذه، الشائعة الاستخدام في هندسة الفراغ، تساوي تقريبًا 133.3 باسكال ). تُنتج البلازما جذورًا حرة نشطة ، متعادلة الشحنة ، تتفاعل على سطح الرقاقة.

بما أن الجسيمات المتعادلة تهاجم الرقاقة من جميع الزوايا، فإن هذه العملية متناحية. يمكن أن يكون حفر البلازما متناحيًا، أي أن معدل التآكل الجانبي على سطح منقوش يساوي تقريبًا معدل الحفر العمودي، أو غير متناحٍ، أي أن معدل التآكل الجانبي أقل من معدل الحفر العمودي. ويبلغ هذا التباين أقصى حد له في الحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE). يجب عدم الخلط بين استخدام مصطلح "التباين" في حفر البلازما واستخدامه عند الإشارة إلى الحفر المعتمد على الاتجاه.

يحتوي غاز المصدر للبلازما عادةً على جزيئات صغيرة غنية بالكلور أو الفلور . على سبيل المثال، يُستخدم رابع كلوريد الكربون (CCl4 ₎ لحفر السيليكون والألومنيوم ، بينما يُستخدم ثلاثي فلورو الميثان لحفر ثاني أكسيد السيليكون ونيتريد السيليكون . أما البلازما المحتوية على الأكسجين فتُستخدم لأكسدة ( رماد ) المقاوم الضوئي وتسهيل إزالته.

تستخدم عملية الحفر الأيوني ، أو الحفر بالرش ، ضغوطًا منخفضة، تصل غالبًا إلى 10⁻⁴ ^تور (10 ملي باسكال). وتقوم هذه العملية بقصف الرقاقة بأيونات عالية الطاقة من الغازات النبيلة ، غالبًا أيونات الأرجون (Ar⁺ ⁾ ، التي تنتزع الذرات من الركيزة عن طريق نقل الزخم . ونظرًا لأن عملية الحفر تتم بواسطة أيونات تقترب من الرقاقة تقريبًا من اتجاه واحد، فإن هذه العملية غير متناحية للغاية. ومن ناحية أخرى، تميل هذه العملية إلى إظهار انتقائية ضعيفة. أما ^الحفر الأيوني التفاعلي (RIE) فيعمل في ظروف متوسطة بين الحفر بالرش والحفر بالبلازما (بين 10⁻³ ^و10⁻¹ تور ). ويُعدّل الحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE) تقنية RIE لإنتاج هياكل عميقة وضيقة.