تشكل رقائق السيليكون قلب الإلكترونيات الحديثة. يبدأ كل معالج دقيق، وشريحة ذاكرة، ومستشعر، ودائرة متكاملة حياته على رقاقة من السيليكون النقي للغاية. تتناول هذه المقالة الخطوات الرئيسية في تحويل المواد الخام إلى رقائق سيليكون مصقولة وخالية من العيوب وجاهزة لتصنيع الرقاقة.

المواد الخام والتنقية

تبدأ الرحلة بالسيليكا (ثاني أكسيد السيليكون، sio₂)، والتي يتم الحصول عليها غالبًا من الكوارتز أو الرمل عالي النقاء. نظرًا لأن الشوائب النزرة تدمر أداء أشباه الموصلات، فيجب تنقية sio₂ الخام وتقليله إلى السيليكون العنصري.

يتم إجراء الاختزال عادة في فرن كهربائي، حيث يتفاعل sio₂ مع الكربون في درجات حرارة عالية (في حدود 1500-2000 درجة مئوية) لإنتاج السيليكون من الدرجة المعدنية (مجم).

بعد ذلك، يتم تحويل السيليكون من الدرجة المعدنية إلى مواد كيميائية أولية مثل ثلاثي كلورو السيلان (sihcl₃) عن طريق التفاعل مع كلوريد الهيدروجين. يتم فصل الشوائب أثناء هذه العملية. ثم يتم تحلل البخار النقي (في مفاعل الترسيب) لتشكيل السيليكون متعدد البلورات فائق النقاء (بولي سيليكون)، وغالبًا ما تكون مستويات الشوائب أقل من أجزاء في المليار.

نمو البلورات (تكوين السبائك)

مع وجود البولي سيليكون عالي النقاء في متناول اليد، فإن الخطوة التالية هي تنمية سبيكة بلورية واحدة (تسمى أيضًا كرة). الطريقة الأكثر شيوعًا هي عملية czochralski (cz):

• يتم غمس بذرة صغيرة أحادية البلورة في بولي سيليكون منصهر موضوع في بوتقة من الكوارتز.

• يتم رفع البذرة وتدويرها ببطء بينما يدور كل من البوتقة والبذرة في اتجاهين متعاكسين، مما يتسبب في تصلب المصهور حول البذرة في بلورة أسطوانية بنفس اتجاه الشبكة.

• يتم التحكم في سرعة السحب، وتدرج درجة الحرارة، ومعدلات الدوران بعناية للحفاظ على القطر الموحد وتوزيع الشوائب.

• يمكن إضافة بعض عناصر التنشيط (مثل البورون أو الفوسفور) إلى المصهور لإنتاج السيليكون من النوع p أو النوع n، اعتمادًا على مواصفات الرقاقة.

وبدلاً من ذلك، بالنسبة للمقاومة العالية جدًا أو التطبيقات الخاصة، يمكن لطريقة منطقة التعويم (fz) إنتاج السيليكون مع عدد أقل من الشوائب، ولكن الأمر أكثر صعوبة عند الأقطار الأكبر.

بمجرد أن تنمو السبيكة، يتم تغطيتها، ويتم تقليم الأطراف وطحنها لإزالة المخالفات. يمكن أيضًا تشكيل مسطحات أو شقوق التوجيه كعلامات مرجعية.

تقطيع وتشكيل الرقاقة

يتم بعد ذلك تقطيع السبيكة إلى رقائق رقيقة باستخدام مناشير الأسلاك الماسية أو المناشير ذات القطر الداخلي. غالبًا ما يتم استخدام المناشير متعددة الأسلاك الآن لتحسين الإنتاجية وتقليل فقدان السيليكون (kerf).

بعد التقطيع، لا تكون الرقائق جاهزة بعد - فهي تحتوي على أضرار ميكانيكية، وعلامات المنشار، وعيوب سطحية يجب إزالتها.

الصقل والحفر والتلميع

للحصول على شرائح الرقائق ذات جودة قابلة للاستخدام، يتم تطبيق الخطوات التالية:

• الطحن / الطحن:يتم طحن الرقائق باستخدام مادة كاشطة لتحسين تجانس السمك والتسطيح والتوازي.

• النقش الكيميائي:يتم إزالة الطبقات السطحية التالفة من التقطيع والطحن من خلال الحفر الكيميائي الرطب (باستخدام خليط من hf، hno₃، حمض الأسيتيك، أو koh)، وتنظيف البلورات التالفة والحطام المتبقي.

• التلميع الكيميائي الميكانيكي (cmp):تؤدي خطوة التلميع النهائية هذه إلى سطح مستوٍ للغاية يشبه المرآة. تستخدم تقنية cmp مزيجًا من التآكل الميكانيكي والملاط الكيميائي لإزالة المواد على مقياس النانومتر، مما ينتج الأسطح الملساء المطلوبة لخطوات الطباعة الضوئية لاحقًا.

بعد التلميع، يتم تنظيف الرقاقة بعمق لإزالة الجزيئات والبقايا العضوية والمواد الملوثة الأيونية. قد يستخدم التنظيف تنظيف RCA (هيدروكسيد الأمونيوم، بيروكسيد الهيدروجين، حمض الهيدروكلوريك)، الأوزون، أو طرق التنظيف المتقدمة الأخرى.

التفتيش والقياس والفرز

يعد التحكم في الجودة أمرًا بالغ الأهمية. تخضع الرقائق لفحص دقيق وقياسات تشمل قياسات:

• التسطيح والسمك والتوازي

• الكشف عن عيوب السطح (الخدوش والحفر والجسيمات)

• انعكاسية السطح

• المقاومة الكهربائية، أو عمر الناقل، أو تركيز المادة المشعة

• اتجاه البلورة ومحاذاة الرقاقة (عبر المسطحات أو الشقوق)

يتم قبول الرقائق التي تلبي المواصفات الصارمة فقط لتصنيع الأجهزة.

طحن الرقاقة/تخفيفها (اختياري)

في العديد من الأجهزة الإلكترونية، من المرغوب فيه استخدام رقائق أرق لتقليل الارتفاع الإجمالي للجهاز أو لتمكين التكديس. يتم استخدام الطحن الخلفي (أو الطحن الخلفي) لتخفيف الرقاقة من الجانب الخلفي. أثناء هذه الخطوة، غالبًا ما يتم حماية الرقاقة بشريط لاصق لتجنب التلف أو التلوث.

بمجرد تخفيفها، يمكن معالجة الرقائق بشكل أكبر أو الانتقال إلى الطباعة الضوئية.

تصنيع الرقائق في الأجهزة (نظرة عامة)

رقاقة السيليكون الفارغة هي مجرد "الركيزة" الأولية. يأتي السحر الحقيقي في عملية تصنيع الرقاقة (أو المرحلة الأمامية)، حيث يتم بناء الدوائر طبقة تلو الأخرى. تتضمن التقنيات الرئيسية ما يلي:

• الطباعة الضوئية: طلاء الرقاقة بالمادة المقاومة للضوء، وتعريضها من خلال الأقنعة، ونمذجة ميزات الدائرة الصغيرة.

• النقش: إزالة المواد بشكل انتقائي في المناطق المكشوفة باستخدام المواد المسببة للتآكل الرطبة أو الجافة.

• الترسيب (cvd، ald، pvd):ترسيب الأغشية العازلة أو الموصلة أو العازلة.

• المنشطات / زرع الأيونات: إدخال الشوائب لإنشاء مناطق من النوع p أو النوع n.

• أكسدة: تشكيل طبقات أكسيد عازلة عن طريق التسخين في الأكسجين أو البخار.

• المعدنة:ترسيب طبقات معدنية (الألومنيوم والنحاس والتنجستن) لربط الأجهزة ببعضها.

• التخطيط (cmp):التأكد من أن كل طبقة مسطحة قبل إضافة الطبقة التالية.

تتكرر هذه الخطوات لعدة طبقات لبناء دائرة متكاملة كاملة.

بعد التصنيع، يتم اختبار الرقاقة كهربائيًا، ثم يتم تقطيعها إلى شرائح فردية وتعبئتها وتجميعها في الأجهزة النهائية.

أهمية الجودة والنقاء والعائد

نظرًا لأن الدوائر المتكاملة الحديثة حساسة للغاية، فإن العيوب أو الشوائب على المستوى الذري يمكن أن تدمر الوظيفة. لذلك، يتم تنفيذ كل خطوة في سلسلة إنتاج الرقاقة في ظل ظروف فائقة النظافة وخاضعة لرقابة صارمة. إن العائد المرتفع (نسبة الرقائق العاملة لكل رقاقة) أمر بالغ الأهمية لكفاءة التكلفة.

تسمح أقطار الرقاقة الأكبر (200 مم، و300 مم، وحتى 450 مم) بوجود المزيد من الرقاقات لكل رقاقة، ولكنها تتطلب أيضًا تحكمًا أكثر صرامة للحفاظ على التوحيد عبر الرقاقة.

توريد رقائق البلوتوسيم والسيليكون

بالنسبة لأولئك الذين يبحثون عن موردي رقائق السيليكون الموثوق بهم، البلوتونيوم تقدم شركة جنرال إلكتريك للصناعات الغذائية مجموعة متنوعة من رقائق السيليكون والخدمات ذات الصلة. خبرتهم في توريد الرقائق تجعلهم شريكًا مفيدًا في سلاسل توريد أشباه الموصلات أو مشاريع النماذج الأولية.