رقائق السيليكون هي الركائز الأساسية التي تُبنى عليها الإلكترونيات الدقيقة الحديثة. من المواد الخام إلى الأقراص أحادية البلورة المصقولة، تتضمن عملية تصنيع رقائق السيليكون العديد من الخطوات التي يتم التحكم فيها بدقة. في هذه المقالة، نستعرض المراحل الرئيسية لتصنيع رقائق السيليكون، ونسلط الضوء على التحديات التقنية، ونذكر بإيجاز كيف تساهم الشركات المبتكرة مثل بلوتوسيمي في توفير الرقائق.

1. المواد الخام والتنقية

الرحلة تبدأ بـ السيليكون الإلكتروني، عادة ما يتم الحصول عليها من السيليكا (sio₂) الموجودة في الكوارتز أو الرمل. ومع ذلك، تحتوي السيليكا الطبيعية على شوائب مثل الحديد والألمنيوم والمعادن النزرة الأخرى، والتي يجب إزالتها.

• يتم أولاً تنقية السيليكا عالية النقاء كيميائيًا وتحويلها إلى بولي سيليكون عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (على سبيل المثال، باستخدام ثلاثي كلورو السيلان والهيدروجين).

• يتم بعد ذلك صهر البولي سيليكون وتكريره بشكل أكبر للوصول إلى درجة نقاء عالية للغاية، عادةً عند مستوى "9n" (99.9999999%) أو أعلى.

يتم بعد ذلك تحضير هذا السيليكون المكرر لنمو البلورات.

2. نمو البلورة المفردة (تكوين السبائك)

لإنتاج رقاقة ذات خصائص كهربائية موحدة، يتم زراعة السيليكون أحادي البلورة عن طريق عملية تشوخرالسكي (cz)، والذي يظل المعيار الصناعي.

1. يتم غمس بلورة بذرة ذات اتجاه بلوري دقيق في السيليكون المنصهر.

2. يتم سحب البذرة ببطء إلى الأعلى أثناء تدويرها؛ وعندما يتجمد المصهور على البذرة، تتشكل كرة أسطوانية (سبائك) بنفس اتجاه الشبكة البلورية.

3. يمكن إضافة المواد المحفزة (مثل البورون أو الفوسفور) بكميات محكومة لإنتاج السيليكون من النوع p أو النوع n.

4. يتم التحكم بشكل صارم في القطر والتدرجات الحرارية وسرعة الدوران للحفاظ على جودة البلورة وتقليل الاضطرابات.

طرق بديلة مثل منطقة عائمة تُستخدم هذه التقنية أحيانًا، وخاصةً للمتطلبات عالية النقاء أو الخالية من العيوب، ولكن تظل تقنية cz هي المهيمنة في إنتاج الرقائق على نطاق واسع.

3. تشكيل السبائك والطحن الأولي

بمجرد أن تنمو السبيكة:

• يتم طحن السطح الخارجي إلى قطر موحد.

• يمكن إدخال مسطحات أو شقوق للإشارة إلى اتجاه البلورة ونوع المنشطات.

• يتم قطع السبيكة إلى أجزاء أقصر، كل منها مناسب للتقطيع إلى رقائق.

في هذه المرحلة، لا تزال الأجزاء تتطلب معالجة دقيقة أكثر قبل تقطيع الرقاقة.

4. تقطيع الرقاقة (الرقاقة)

تتضمن عملية تحويل السبائك إلى رقائق التقطيع:

• يتم استخدام منشار سلكي (سلك مدمج بالماس) أو منشار دائري ذو قطر داخلي لتقطيع الأقراص الرقيقة من السبيكة.

• يمكن للنشر متعدد الأسلاك قطع العديد من الرقائق بالتوازي، مما يقلل من فقدان المواد (kerf) ويحسن الإنتاجية.

• قد يكون السمك النموذجي لشريحة البداية حوالي 1 مم أو أكثر قليلاً (للسماح بمزيد من التخفيف).

ومع ذلك، فإن الرقائق المنشورة تحمل أضرارًا ميكانيكية وخصائص سطحية غير منتظمة، والتي يجب تحسينها.

5. الصقل والطحن والتشطيب

بعد التقطيع:

• أسطح الرقاقة هي مطوية ومطحونة لإزالة علامات المنشار وتحسين التسطيح والتوازي وتوحيد السُمك.

• يتم تطبيق تشطيب أو تقريب الحواف لمنع حواف الرقاقة من التقطيع أو التشقق.

• تقلل هذه الخطوة من الضرر وتجهز الرقاقة للتلميع الكيميائي والميكانيكي اللاحق.

6. النقش الكيميائي وإزالة الأضرار

تؤدي المعالجة الميكانيكية (النشر، الطحن، الصقل) إلى إحداث أضرار دقيقة وطبقات متوترة بالقرب من سطح الرقاقة. ويجب إزالتها كيميائيًا:

• تخضع الرقاقة النقش الرطب في محاليل تحتوي على حمض الهيدروفلوريك (hf)، وحمض النيتريك (hno₃)، وحمض الأسيتيك (أو محاليل تعتمد على koh) لإذابة السطح التالف.

• يضمن النقش إزالة العيوب الموجودة تحت السطح قبل التلميع.

7. التلميع الكيميائي الميكانيكي (cmp)

لتحقيق سطح فائق النحافة وناعم كالمرآة مناسب لتصنيع الأجهزة:

• يتم تثبيت الرقاقة على حامل ووضعها في أداة cmp.

• يتم استخدام وسادة تلميع (غالبًا من مادة البولي يوريثين) ومادة كاشطة تحتوي على جزيئات كاشطة دقيقة مثل السيليكا الغروية أو الألومينا لتلميع الرقاقة برفق.

• النتيجة هي سطح ذو خشونة سطحية ضئيلة، ومسطح ممتاز، وخالٍ من الخدوش.

عادةً، يتم تلميع جانب واحد (جانب الجهاز) للحصول على جودة بصرية عالية؛ وقد يتلقى الجانب الخلفي تلميعًا أو طحنًا أخف اعتمادًا على المتطلبات الإضافية.

8. التنظيف وإزالة الجسيمات

في هذه المرحلة، يعد التحكم في التلوث أمرًا بالغ الأهمية:

• تخضع الرقاقة للتنظيف الدقيق (غالبًا ما يكون ذلك من خلال منهجية التنظيف RCA، والتي تتضمن بيروكسيد الهيدروجين، وهيدروكسيد الأمونيوم، ومخاليط الأحماض).

• يمكن استخدام التنظيف بالموجات فوق الصوتية، أو الشطف بالماء منزوع الأيونات، أو التنظيف باستخدام الأوزون، أو تقنيات التنظيف المتقدمة الأخرى لإزالة الجزيئات، والأيونات المعدنية، والبقايا العضوية.

• بعد التنظيف، يتم تجفيف الرقائق ومعالجتها في بيئات نظيفة لمنع إعادة التلوث.

9. القياس والتفتيش والاختبار

قبل أن تتمكن الرقاقة من الدخول إلى خط التصنيع:

• تسطيح, توحيد السُمك, القوس/السدى، و التوازي يتم قياسها باستخدام التداخل البصري، أو أجهزة قياس الارتفاع، أو أدوات القياس الدقيقة الأخرى.

• يتم فحص الرقاقة بحثًا عن عيوب السطح مثل الخدوش أو الحفر أو الضباب.

• الاختبارات الكهربائية يمكن إجراء (المقاومة، وتوزيع الشوائب) لتأكيد الشوائب وتوحيد المواد.

• بناءً على نتائج التفتيش، يتم رفض الرقائق التي لا تلبي معايير الإنتاج أو إرسالها لإعادة العمل.

10. الطحن الخلفي، والتخفيف، والتقطيع (خطوات اختيارية)

للتغليف المتقدم أو عندما تكون هناك حاجة إلى رقائق رقيقة:

• ال الجانب الخلفي يمكن طحن رقاقة الرقاقة بشكل أكبر (الطحن الخلفي) للوصول إلى سمك رقيق للغاية (على سبيل المثال 50-75 ميكرومتر) للتكديس أو التصميمات المرنة.

• يمكن تطبيق الأشرطة الواقية (القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية) أثناء عملية التخفيف لحماية الجانب الأمامي.

• ثم تتم معالجة الرقاقة مكعبات (تقطيعها) إلى قوالب (رقائق) فردية عند خروجها من عملية التصنيع.

جدول الملخص: الخطوات والأغراض الرئيسية

تحديات التصنيع والتسويات

• التحكم في العائد والعيوب:حتى عيب مجهري واحد يمكن أن يجعل الرقاقة غير صالحة للاستخدام، لذا فإن التحكم الصارم في العملية أمر ضروري.

• خسارة مادية:تتسبب خطوات النشر والقطع في خسائر مادية (خسارة الشق)، وهي خسارة حرجة بشكل خاص عند استخدام ركائز باهظة الثمن.

• تقليل الضرر السطحي:إن كل عملية ميكانيكية تنطوي على مخاطر إحداث أضرار يجب إزالتها لاحقًا.

• التسطيح والانحناء:مع زيادة أقطار الرقاقة (على سبيل المثال 300 مم، 450 مم)، يصبح الحفاظ على التسطيح وتقليل الانحناء أكثر صعوبة.

• مكافحة التلوث:تعتبر بيئات المعالجة فائقة النقاء ضرورية لأن الجزيئات النزرة أو الأيونات المعدنية أو المواد العضوية تؤثر بشكل كبير على إنتاجية الجهاز.

التطبيق والدور في تصنيع أشباه الموصلات

بمجرد تحضيرها، تصبح الرقاقة المصقولة الركيزة التي يتم بناء طبقات متعددة من الدوائر عليها. في منشأة تصنيع الرقائق ("مصنع" أو "مسبك")، يتم إجراء عمليات مثل أكسدة, الطباعة الضوئية, زرع الأيونات, ترسب الأغشية الرقيقة، و النقش يتم تطبيقها بشكل متكرر لبناء الترانزستورات، والوصلات، والأجهزة السلبية.

إن سلامة ركيزة الرقاقة - تسطيحها ونقائها وخلوها من العيوب - تؤثر بشكل مباشر على العائد والأداء وموثوقية المنتجات شبه الموصلة النهائية.

لماذا تختار مورد الرقاقة الموثوق به؟

نظرًا لدقة وتعقيد تصنيع الرقاقات، فإن الثقة في توريد الموردين الموثوق بهم وعالي الجودة أمر بالغ الأهمية. شركات مثل البلوتونيوم تقدم شركة جنرال إلكتريك منتجات رقائق السيليكون المتقدمة مع ضمان الجودة الصارمة. إن خبرتهم في توريد الرقائق المصقولة لتطبيقات أشباه الموصلات وأجهزة الميكرو الكهروميكانيكية يمكن أن تساعد مصنعي الأجهزة في نهاية المطاف على تقليل معدلات العيوب وتحسين العائد.