فناوري ساخت مدارهاي مجتمع-قسمت دوم

گام دوم: ليتوگرافي نوری
ليتوگرافي نوري اولين قدم درانتقال اطلاعات مربوط به الگوي مدار بر روي ويفر است. همان‌طور كه در نماي بالايي در شكل (1)‌ مي‌بينيد،‌ ترانزيستور شامل چند ضلعي‌هايي است كه نمايان‌گر لايه‌هاي مختلف هستند نظير چاه n، نواحي سورس و درين، پلي‌زسيليكون، اتصالات و لايه‌هاي فلزي.

شکل 1. نمای یک بالایی و کناری یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS

براي ساخت، ترانزيستورها را به اين لايه‌هاي مختلف تجزيه مي‌كنيم. براي مثال چينش شكل (1)‌ را مي‌توان به صورت 5 لايه‌ي مختلف كه در شكل (2)‌ نشان داده شده است در نظر گرفت. هر كدام از آن‌ها بايد با دقت بسيار بالا روي ويفر ايجاد شوند.

در شكل (2) منظور از ناحيه‌ي n-، ناحيه‌اي است كه ترانزيستور PMOS قرار است روي آن ساخته شود. هم‌چنين، منظور از ناحيه‌ي فعال،‌ نواحي سورس و درين و سوراخ‌هاي n+ وP+ هستند.

شکل 2. 5 لایه‌ی مختلف ترانزیستورهای شکل (1)

براي اين‌كه دريابيم چگونه يك لايه از چينش به ويفر منتقل مي‌شود،‌ الگوي چاه n در شكل 2- الف را به عنوان مثال در نظر بگیرید. اين الگو ابتدا بر روي يك ماسك شيشه‌اي شفاف به وسيله‌ي يك پرتوي الكتروني كه دقيقاً كنترل شده است،‌ نوشته مي‌شود. (شكل 3-الف را ببينيد).
همين‌طور مطابق شكل 3-ب، قبل از انتقال الگو از شیشه یه سطح ویفر، سطح ويفر نیز با يك لايه‌ي نازك از ماده‌اي به نام فوتورزيست پوشانده مي‌شود. فوتورزيست2 ماده‌ای است که میزان حلالیت آن با تابش نور تغییر می‌کند (یعنی با تابش نور نرم یا سخت می‌شود). بعد از آن، ماسك بالاي ويفر قرار مي‌گيرد و الگو با تابش پرتوي فرابنفش روي ويفر منتقل مي‌شود. (شكل 3-ج را ببينيد) فوتورزيست در نواحي‌ای كه تحت تابش پرتوي فرابنفش قرار گرفته سِفت شده در زیر مستطیل سیاه نرم باقی می‌ماند (یعنی ناحیه‌ی مستطیلی روی شیشه چون تحت تاثیر نور قرار نمی‌گیرد بر روی ویفر ایجاد می‌شود). سپس ويفر در يك زُداينده قرار مي‌گيرد كه نواحي نرم فوتورزيست را حل مي‌كند و سطح سيليكون را بدون پوشش مي‌سازد. حال مي‌توان يك چاه n- را در این ناحیه درست کرد (دقت کنید ما هنوز چاه n را درست نکرده‌ایم، بلکه جای آن را آماده کرده‌ایم. در مقالات بعدی نحوه‌ی درست کردن چاه n را بیان خواهیم کرد). به مجموعه‌ی این فرایندها، زنجيره‌ي ليتوگرافي نوري مي‌گوييم.

شکل (3)

به طور خلاصه، زنجيره‌ي مربوط به ليتوگرافي در هر لايه شامل يك ماسك و سه مرحله پردازش است که عبارت است از:
1) پوشاندن ويفر با فوتورزيست
2) تنظيم ماسك روي ويفر و تابش نور
3)‌ زُدودن فوتورزيست ظاهر شده
بنابراين، مثال شكل (2) ‌حداقل به 5 ماسك و در نتيجه 15 زنجيره‌ي ليتوگرافي نياز دارد. بايد خاطر نشان كرد كه دو نوع فوتورزيست در فرآيند ليتوگرافي به كار مي‌رود: فوتورزيست منفي3 در نواحي كه نور به آن تابيده مي‌شود،‌ سفت مي‌شود. در حالي كه فوتورزيست مثبت 4 در نواحي كه نور به آن نخورده، سفت مي‌شود. همان‌طور كه بعدتر خواهيم ديد، در فرآيند ساخت مدارهاي مجتمع از هر دو نوع فوتورزيست استفاده مي‌شود.
تعداد ماسك‌هاي يك فرآيند تاثير چشم‌گيري بر هزينه‌ي كلي ساخت دارد، كه در نهايت بر قيمت تراشه هم تاثير مي‌گذارد. دو دليل بر اين امر وجود دارد: هر ماسك چند هزار دلار قيمت دارد و به دليل دقت لازم،‌ ليتوگرافي فرآيند كُند و گرانی است. در حقيقت فناوري CMOS به دليل تعداد نسبتا پايين ماسك‌ها،‌ در حدود 7، در ابتدا مورد توجه واقع شد. اگر چه در فرآيندهاي جديد CMOS اين تعداد به 25 مي‌رسد و كل هزينه‌ي ماسك‌ها بالاتر از 200 هزار دلار است،‌ قيمت هر IC باز هم پايين است. زيرا هم تعداد ترانزيستورها بر واحد سطح و هم اندازه‌ي ويفر به طور پيوسته افزايش يافته است.
فرآيند ليتوگرافي نوري مشابه فرآيندی است كه در عكاسي بر روي فيلم عكاسي اتفاق مي‌افتد. براي آن كه با ليتوگرافي نوري بيش‌تر آشنا شويد، آزمايش ساده‌ي زير را انجام دهيد.

يك آزمايش ساده
- مواد و وسايل مورد نياز
يك كاغذ سفيد A4 يا يك قطعه پارچه‌ي سفيد تقريبا در همين ابعاد، يك بخاري روشن، مقداري فويل آلومينيومي، يك عدد قيچي.

- شرح آزمايش
ابتدا شعله‌ي بخاري را كم كنيد، سپس كاغذ سفيد يا پارچه‌ي سفيد را بر روي بخاري قرار دهيد. به گونه‌اي كه شيارهاي روي بخاري را بپوشاند. مراقب باشيد كه كاغذ يا پارچه آتش نگيرد. پس از حدود يك دقيقه كاغذ را برداريد و با دقت نگاه كنيد. مشاهده مي‌شود كه تصوير شيارهاي بخاري بر روي كاغذ منتقل شده است. اگر بخواهيد،‌ مي‌توانيد تصاوير دلخواه خود را با استفاده از قيچي بر روي فويل آلومينيومي ببريد. سپس اين تصاوير را با همين روش بر روي صفحه‌ي كاغذي منتقل كنيد.

پرسش‌هاي آزمايش
1. مراحل اين آزمايش را با روش ليتوگرافي نوري مقايسه كنيد.
2. يك آزمايش ساده‌ی ديگر طراحي كنيد كه روش ليتوگرافي نوري را تشريح كند. اين آزمايش را انجام دهيد.
پس از انجام مرحله‌ي ليتوگرافي، قرص سيليسيومي آماده‌ي انجام گام‌هاي بعدي است. گام‌هاي اكسيداسيون، كاشت يوني، ‌لايه‌نشاني و زُدايش مواد زائد را در مقاله‌ي بعدي دنبال كنيد.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید