الحفر بالبلازما

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ الحفر بالبلازما أحد أشكال معالجة البلازما المستخدمة في تصنيع الدوائر المتكاملة . وتتضمن هذه العملية إطلاق تيار عالي السرعة من تفريغ البلازما ( البلازما ) لمزيج غازي مناسب (على شكل نبضات) على العينة. ويمكن أن يكون مصدر البلازما، المعروف باسم نوع الحفر، مشحونًا ( أيونات ) أو متعادلًا ( ذرات وجذور حرة ). وخلال هذه العملية، تُنتج البلازما نواتج حفر متطايرة عند درجة حرارة الغرفة نتيجة التفاعلات الكيميائية بين عناصر المادة المحفورة والأنواع التفاعلية الناتجة عن البلازما. وفي النهاية، تستقر ذرات العنصر المُطلق على سطح الهدف أو أسفله مباشرة، مما يُغير خصائصه الفيزيائية . [ 1 ]

الآليات

توليد البلازما

البلازما حالةٌ ذات طاقة عالية تسمح بحدوث العديد من العمليات. تحدث هذه العمليات نتيجةً لتفاعل الإلكترونات والذرات. لتكوين البلازما، يجب تسريع الإلكترونات لاكتساب الطاقة. تنقل الإلكترونات عالية الطاقة الطاقة إلى الذرات عن طريق التصادمات. يمكن أن تحدث ثلاث عمليات مختلفة نتيجةً لهذه التصادمات: [ 2 ] [ 3 ]

تتواجد أنواع مختلفة من الجسيمات في البلازما، مثل الإلكترونات والأيونات والجذور الحرة والجسيمات المتعادلة. وتتفاعل هذه الأنواع مع بعضها البعض باستمرار. وتحدث عمليتان أثناء عملية الحفر بالبلازما: [ 4 ]

  • توليد الأنواع الكيميائية
  • التفاعل مع الأسطح المحيطة

بدون البلازما، ستحدث جميع هذه العمليات عند درجة حرارة أعلى. توجد طرق مختلفة لتغيير التركيب الكيميائي للبلازما والحصول على أنواع مختلفة من عمليات الحفر أو الترسيب بالبلازما. إحدى طرق تكوين البلازما هي استخدام إثارة الترددات الراديوية بواسطة مصدر طاقة بتردد 13.56  ميجاهرتز، وهو تردد مخصص لهذا التطبيق ضمن نطاقات ISM .

يتغير نمط تشغيل نظام البلازما بتغير ضغط التشغيل. كما يختلف باختلاف بنية حجرة التفاعل. في الحالة البسيطة، تكون بنية القطب متناظرة، وتوضع العينة على القطب المؤرض.

العوامل المؤثرة على العملية

يكمن مفتاح تطوير عمليات حفر معقدة ناجحة في إيجاد التركيبة الكيميائية المناسبة للحفر بالغاز، والتي تُنتج مواد متطايرة مع المادة المراد حفرها، كما هو موضح في الجدول 1. [ 3 ] بالنسبة لبعض المواد الصعبة (مثل المواد المغناطيسية)، لا يمكن الحصول على التطاير إلا برفع درجة حرارة الرقاقة. العوامل الرئيسية المؤثرة في عملية البلازما هي: [ 2 ] [ 3 ] [ 5 ]

  • مصدر الإلكترونات
  • ضغط
  • أنواع الغاز
  • مكنسة

التفاعل السطحي

يعتمد تفاعل النواتج على احتمالية تفاعل الذرات أو الفوتونات أو الجذور الحرة المختلفة لتكوين مركبات كيميائية. كما تؤثر درجة حرارة السطح على تفاعل النواتج. يحدث الامتزاز عندما تتجمع مادة ما وتصل إلى السطح على شكل طبقة مكثفة متفاوتة السماكة (عادةً ما تكون طبقة رقيقة مؤكسدة). تنطلق النواتج المتطايرة في طور البلازما وتساعد في عملية الحفر بالبلازما عند تفاعل المادة مع جدران العينة. أما إذا كانت النواتج غير متطايرة، فسيتشكل غشاء رقيق على سطح المادة. تؤثر عدة مبادئ على قابلية العينة للحفر بالبلازما: [ 3 ] [ 6 ]

يمكن لعملية الحفر بالبلازما تغيير زوايا التلامس السطحي، مثل تحويل السطح من محب للماء إلى كاره للماء، أو العكس. وقد أشارت التقارير إلى أن الحفر ببلازما الأرجون يزيد زاوية التلامس من 52 درجة إلى 68 درجة، [ 7 ] بينما يقلل الحفر ببلازما الأكسجين زاوية التلامس من 52 درجة إلى 19 درجة في مركبات ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) المستخدمة في تطبيقات صفائح العظام. كما أشارت التقارير إلى أن الحفر بالبلازما يقلل خشونة السطح من مئات النانومترات إلى أقل من 3  نانومترات في المعادن. [ 8 ]

الأنواع

يؤثر الضغط على عملية الحفر بالبلازما. ولكي تتم هذه العملية، يجب أن يكون ضغط الحجرة منخفضًا، أقل من 100 باسكال. ولتوليد بلازما منخفضة الضغط، يجب تأيين الغاز. ويتم التأيين بواسطة شحنة متوهجة. وتُحدث هذه الإثارة بواسطة مصدر خارجي، قادر على توليد طاقة تصل إلى 30  كيلوواط وترددات تتراوح من 50  هرتز (تيار مستمر) إلى 5-10  هرتز (تيار مستمر نبضي) وصولًا إلى ترددات الراديو والميكروويف (ميغاهرتز - غيغاهرتز). [ 2 ] [ 9 ]

الحفر بالبلازما الميكروية

يحدث الحفر بالموجات الدقيقة باستخدام مصادر إثارة في نطاق تردد الموجات الدقيقة، أي بين ميغاهرتز وغيغاهرتز. يُعرض هنا مثال على الحفر بالبلازما. [ 10 ]

جهاز حفر بالبلازما باستخدام الموجات الميكروية. يعمل الميكروويف بتردد 2.45 جيجاهرتز. يُولّد هذا التردد بواسطة مغنطرون، ويُفرّغ عبر موجهين موجيين، أحدهما مستطيل والآخر دائري. تقع منطقة التفريغ داخل أنبوب كوارتز بقطر داخلي 66 مم. يُلفّ ملفان ومغناطيس دائم حول أنبوب الكوارتز لتوليد مجال مغناطيسي يوجّه البلازما.

الحفر ببلازما الهيدروجين

إحدى طرق استخدام الغاز في عملية الحفر بالبلازما هي الحفر ببلازما الهيدروجين. لذلك، يمكن استخدام جهاز تجريبي كهذا: [ 5 ]

يظهر في الشكل أنبوب كوارتز بتردد إثارة يبلغ 30 ميجاهرتز. وهو موصول بملف ملفوف حول الأنبوب بكثافة طاقة تتراوح بين 2 و10 واط/سم³. الغاز الموجود في الحجرة هو غاز الهيدروجين (H₂) . ويتراوح ضغط الغاز بين 100 و300 ميكرومتر.

جهاز حفر بالبلازما

جهاز الحفر بالبلازما ، أو أداة الحفر، هو أداة تُستخدم في إنتاج أشباه الموصلات . يُنتج هذا الجهاز بلازما من غاز معالجة، عادةً ما يكون الأكسجين أو غازًا يحتوي على الفلور ، باستخدام مجال كهربائي عالي التردد ، عادةً 13.56 ميجاهرتز . توضع رقاقة السيليكون في جهاز الحفر بالبلازما، ويُفرغ الهواء من حجرة المعالجة باستخدام نظام مضخات تفريغ. بعد ذلك، يُضخ غاز المعالجة بضغط منخفض، ويُثار ليتحول إلى بلازما من خلال الانهيار العازل .

حصر البلازما

تتميز أجهزة الحفر بالبلازما الصناعية عادةً بحصر البلازما لتمكين معدلات حفر قابلة للتكرار وتوزيعات مكانية دقيقة في بلازما الترددات الراديوية . [ 11 ] إحدى طرق حصر البلازما هي استخدام خصائص غلاف ديباي ، وهي طبقة قريبة من السطح في البلازما تشبه الطبقة المزدوجة في السوائل الأخرى. على سبيل المثال، إذا كان طول غلاف ديباي على قطعة كوارتز مشقوقة يساوي نصف عرض الشق على الأقل، فسيغلق الغلاف الشق ويحصر البلازما، مع السماح في الوقت نفسه للجسيمات غير المشحونة بالمرور عبر الشق.

التطبيقات

تُستخدم تقنية الحفر بالبلازما حاليًا لمعالجة المواد شبه الموصلة تمهيدًا لاستخدامها في تصنيع الإلكترونيات. إذ يُمكن حفر تفاصيل دقيقة على سطح هذه المواد لزيادة كفاءتها أو تحسين خصائص معينة عند استخدامها في الأجهزة الإلكترونية. [ 3 ] على سبيل المثال، يُمكن استخدام الحفر بالبلازما لإنشاء أخاديد عميقة على سطح السيليكون لاستخدامها في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة . يُشير هذا التطبيق إلى أن الحفر بالبلازما يمتلك أيضًا إمكانية لعب دور رئيسي في إنتاج الإلكترونيات الدقيقة. [ 3 ] وبالمثل، تُجرى حاليًا أبحاث حول كيفية تعديل هذه العملية لتناسب مقياس النانومتر. [ 3 ]

للحفر ببلازما الهيدروجين، على وجه الخصوص، تطبيقات أخرى مثيرة للاهتمام. فقد ثبتت فعاليته في إزالة أجزاء من الأكاسيد الطبيعية الموجودة على سطح أشباه الموصلات عند استخدامه في عملية الحفر. [ 5 ] كما يميل الحفر ببلازما الهيدروجين إلى ترك سطح نظيف ومتوازن كيميائيًا، وهو مثالي للعديد من التطبيقات. [ 5 ]

يمكن استخدام حفر بلازما الأكسجين للحفر العميق غير المتناحي للهياكل النانوية الماسية بتطبيق جهد عالٍ في مفاعل الحفر بالبلازما المقترنة حثيًا/الحفر الأيوني التفاعلي (ICP/RIE). [ 12 ] من ناحية أخرى، يمكن استخدام بلازما الأكسجين ذات جهد 0 فولت لإنهاء سطح الماس المنتهي بمجموعة CH بشكل متناحي. [ 13 ]

الدوائر المتكاملة

يمكن استخدام البلازما لترسيب طبقة من ثاني أكسيد السيليكون على رقاقة سيليكون (باستخدام بلازما الأكسجين)، أو لإزالته باستخدام غاز يحتوي على الفلور. وعند استخدامها مع الطباعة الضوئية ، يمكن تطبيق ثاني أكسيد السيليكون أو إزالته بشكل انتقائي لتحديد مسارات الدوائر.

يتطلب تكوين الدوائر المتكاملة هيكلة طبقات متعددة. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام جهاز حفر بالبلازما. قبل الحفر، تُرسب طبقة من المقاوم الضوئي على السطح، ثم تُضاء من خلال قناع، وتُظهَر. بعد ذلك، يُجرى الحفر الجاف للحصول على حفر منظم. بعد العملية، يجب إزالة المقاوم الضوئي المتبقي. ويتم ذلك أيضًا في جهاز حفر بالبلازما خاص يُسمى جهاز الحفر بالبلازما. [ 14 ]

يُتيح الحفر الجاف حفرًا متجانسًا وقابلًا للتكرار لجميع المواد المستخدمة في تقنية أشباه الموصلات من السيليكون وأشباه الموصلات من النوع III-V . وباستخدام تقنية الحفر بالبلازما المقترنة حثيًا/الأيونات التفاعلية (ICP/RIE)، يُمكن تشكيل بنية نانوية حتى لأكثر المواد صلابة، مثل الماس. [ 15 ] [ 16 ]

تُستخدم أجهزة الحفر بالبلازما أيضًا لإزالة طبقات الدوائر المتكاملة في تحليل الأعطال .

لوحات الدوائر المطبوعة

تُستخدم البلازما في حفر لوحات الدوائر المطبوعة، بما في ذلك إزالة التشويه من الثقوب الموصلة. [ 17 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الحفر بالبلازما - الحفر بالبلازما" . oxinst.com . مؤرشف من الأصل في 3 يناير 2011. تم الاطلاع عليه في 4 فبراير 2010 .
  2. 1 2 3 ماتوكس، دونالد م. (1998). دليل معالجة الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) . ويستوود، نيو جيرسي: منشورات نويز.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 كاردينو، كريستوف؛ بينيون، ماري كلود؛ تيسييه، بيير إيف (2000-09-01). "الحفر بالبلازما: المبادئ والآليات والتطبيق في التقنيات الدقيقة والنانوية". علوم الأسطح التطبيقية . علوم الأسطح في التقنيات الدقيقة والنانوية. 164 ( 1-4 ): 72-83 . Bibcode : 2000ApSS..164...72C . doi : 10.1016/S0169-4332(00)00328-7 .
  4. ↑ كوبورن، جيه دبليو؛ وينترز، هارولد إف. (1979-03-01). "الحفر بالبلازما - مناقشة للآليات". مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ . 16 (2): 391-403 . Bibcode : 1979JVST...16..391C . doi : 10.1116/1.569958 . ISSN 0022-5355 . 
  5. 1 2 3 4 تشانغ، آر بي إتش؛ تشانغ، سي سي؛ داراك، إس. (1982-01-01). "حفر أشباه الموصلات وأكاسيدها ببلازما الهيدروجين" . مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ . 20 (1): 45-50 . رمز Bibcode : 1982JVST...20...45C . doi : 10.1116/1.571307 . ISSN 0022-5355 . 
  6. ↑ كوبورن، جيه دبليو؛ وينترز، هارولد إف. (1979-05-01). "كيمياء سطح الغاز بمساعدة الأيونات والإلكترونات - تأثير مهم في حفر البلازما". مجلة الفيزياء التطبيقية . 50 (5): 3189-3196 . Bibcode : 1979JAP....50.3189C . doi : 10.1063/1.326355 . ISSN 0021-8979 . S2CID 98770515 .  
  7. ↑ زيا، أ. و.؛ وانغ، ي. -ك.؛ لي، س. (2015). "تأثير التخريش الفيزيائي والكيميائي بالبلازما على قابلية ترطيب سطح مركبات البوليمر المقواة بألياف الكربون لتطبيقات صفائح العظام". التقدم في تكنولوجيا البوليمر . 34 : غير متوفر. doi : 10.1002/adv.21480 .
  8. ↑ واسي، أ.؛ بالاكريشنان، ج.؛ لي، ش.هـ.؛ كيم، ج.ك.؛ كيم، د.ج.؛ كيم، ت.ج.؛ سونغ، ج.إ. (2014). "معالجة ركائز معدنية ببلازما الأرجون وتأثيرها على خصائص طلاء الكربون الشبيه بالماس (DLC)". أبحاث وتكنولوجيا البلورات . 49 (1): 55-62 . Bibcode : 2014CryRT..49...55W . doi : 10.1002/crat.201300171 . S2CID 98549070 . 
  9. ↑ بونشاه، روينتان ف. (2001). تقنيات الترسيب للأغشية والطلاءات . نيويورك: منشورات نويز.
  10. ↑ كيزو سوزوكي؛ سادايوكي أوكودايرا؛ نوريوكي ساكودو؛ إيشيرو كانوماتا (11 نوفمبر 1977). "النقش بالبلازما الميكروية". المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية . 16 (11): 1979-1984 . Bibcode : 1977JaJAP..16.1979S . doi : 10.1143/jjap.16.1979 .
  11. ↑ "شروط اشتعال البلازما المحيطية في حجرة مؤرضة متصلة بتفريغ سعوي ثنائي التردد" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 25-03-2006.
  12. ↑ رادتكه، ماريوس؛ نيلز، ريتشارد؛ سلابلاب، عبد الله؛ نيو، إلكي (2019). "تصنيع نانوي موثوق لهياكل نانوية ضوئية من الماس أحادي البلورة للاستشعار على المستوى النانوي" . الآلات الدقيقة . 10 (11): 718. arXiv : 1909.12011 . Bibcode : 2019arXiv190912011R . doi : 10.3390 / mi10110718 . PMC 6915366. PMID 31653033. S2CID 202889135 .   
  13. ↑ رادتكه، ماريوس؛ ريندر، لارا؛ نيلز، ريتشارد؛ نيو، إلكي (2019). "معالجات البلازما والبنى النانوية الضوئية لمراكز فراغات النيتروجين الضحلة في الماس". مجلة Optical Materials Express . 9 (12): 4716. arXiv : 1909.13496 . Bibcode : 2019OMExp...9.4716R . doi : 10.1364/OME.9.004716 . S2CID 203593249 . 
  14. ^ "Hochtechnologie – Weltweit | PVA TePla AG" .
  15. ↑ رادتكه، ماريوس؛ نيلز، ريتشارد؛ سلابلاب، عبد الله؛ نيو، إلكي (24 أكتوبر 2019). "تصنيع نانوي موثوق لهياكل نانوية ضوئية من الماس أحادي البلورة للاستشعار على المستوى النانوي" . الآلات الدقيقة . 10 (11). MDPI AG: 718. arXiv : 1909.12011 . doi : 10.3390/mi10110718 . ISSN 2072-666X . PMC 6915366. PMID 31653033 .   
  16. ↑ رادتكه، ماريوس؛ ريندر، لارا؛ نيلز، ريتشارد؛ نيو، إلكي (21-11-2019). "معالجات البلازما والبنى النانوية الضوئية لمراكز فراغات النيتروجين الضحلة في الماس" . مجلة المواد البصرية السريعة . 9 (12). الجمعية البصرية: 4716. arXiv : 1909.13496 . Bibcode : 2019OMExp...9.4716R . doi : 10.1364/ome.9.004716 . ISSN 2159-3930 . 
  17. ↑ لي، إيونغ سوك؛ بارك، هاي إي؛ بايك، هونغ كو؛ لي، سي جونغ؛ سونغ، كي مون؛ هوانغ، ميونغ كيون؛ هوه، تشانغ سو (2003). "بلازما الشبكة الهوائية لعملية إزالة التلطخ من لوحات الدوائر المطبوعة" . تكنولوجيا الأسطح والطلاءات . 171 ( 1-3 ): 328-332 . doi : 10.1016/S0257-8972(03)00295-0 .