مقاله در مورد ELTRAN ؛ تکنولوژی جدید صفحه SOI (عایق سیلیکونی)

 مقاله در مورد ELTRAN ؛ تکنولوژی جدید صفحه SOI (عایق سیلیکونی) – از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و  … خود استفاده بنمایید.

چکیده

تا به امروز صفحات(تراشه های) ELTRAN اولین و تنها صفحه SOI (عایق سیلیکونی) تجاری و تولیدی محسوب شده که از اتصال و چاپ سیلیکون متخلل همراه با گداختگی هیدروژن تشکیل شده اند. شرکت ژاپنی کانن از سال 1990 ساخت و تولید این قطعات را آغاز نموده است. تازه ترین تکنیک ساخت صفحه SOI قابلیت تولید مجدد داشته که با جت آبی در لایه متخلل سیلیکونی تفکیک می شود در نتیجه چندین بار از صفحه اصلی استفاده می کند و هزینه های تولید کاهش می یابد. ضخامت SOI و لایه های اکسیدی داخلی در رینج بسیار بزرگ از قطعه بسیار نازک nm 10 تا ضخامت µm 3-2 ، با ضخامت یکنواخت کمتر از ±5%  بدقت کنترل می شود. پروسه رشد همبافته COP (ذرات با منشا کریستالی) ای در لایه های فعال SOI تولید نمی کند. اکسیدهای مدفون شده داخلی در لایه های همبافته سیلیکونی، رشد گرمایی بدون سوراخ و منفذ دارند. با استفاده از پروسه مدرن گداختگی در هیدروژن به سطح اتمی صاف در قطعات(صفحات) SOI می رسیم. اندازه صفحات تا قطر mn 300 و ضخامت SOI یکنواخت به ±1.1% می رسد که بمراتب بهتر از صفحه ای با قطر 8 اینچی است. مقاله در مورد ELTRAN ؛ تکنولوژی جدید صفحه SOI (عایق سیلیکونی)  www.mktop.ir

مقدمه

تکنولوژی SOI سال های متمادی راکد و ثابت بوده اما بالاخره امروزه به دوره مطلوبی رسیده ایم که صفحات نازک SOI با استفاده از CMOS (نیمه رسانای (نیمه هادی)اکسید فلزی تکمیلی) کاربردی و عملی می شوند. انتظار می رود که در آینده شاهد پیشرفت های بیشتر در زمینه ادغام بزرگ مقیاس نیمه رسانای اکسید فلزی تکمیلی(CMOS- SLI) باشیم که دستگاههایی با مصرف کمتر برق، منطق و ارتباط پرسرعت ارائه می دهند. تولید انبوه CMOS- SLI با استفاده از صفحات SOI با هدف استفاده از SOI بعنوان جدیدترین تکنولوژی IC نیمه رسانا برای قرن بیست و یک، از قرن بیستم آغاز شده است.

صفحات SOI-EPi صفحات ELTRAN SOI اند که نخستین بار توسط شرکت کانن تولید شدند؛ صفحات BESOI که از چاپ (قلم زنی) انتخابی سیلیکون متخلخل استفاده می کنند. متد ساخت این صفحات،  پروسه BESOI را با رشد همبافته در سیلیکون متخلخلی ترکیب نموده که قابلیت چاپ با گزینندگی بسیار بالا و هموارسازی سطح ناشی از گداختگی هیدروژن را دارد.یکی دیگر از ویژگی های خاص این متد تفکیک و تجزیه صفحه پیوندی در لایه سیلیکون متخلخل به دو قسمت است یکی صفحه ELTRAN و قسمت دوم که مجدد استفاده می شود. اهمیت این ویژگی از آن جهت است که همزمان با افزایش کیفیت، هزینه های تولید را کاهش می دهد که یکی از مهم ترین لازمه های توسعه بازار SOI بشمار می آید.

 امروزه با هدف ارائه پتانسیل آتی صفحات SOI بدنبال تولید صفحاتی با قطر nm 300 و غشاهای بسیار نازکnm 50 و تکنیک های بازیافت صفحات با هدف کاهش هزینه ها هستیم.

ویژگی های خاص ELTRAN

الف. صفحات SOI- Epi

خصیصه های صفحات انباشته(متراکم) و همبافته بکارگرفته در پروسه های کنونی سیلیکونی و صفحات SOI و صفحات SOI-Epi را در شکل 1 مشاهده می کنید. دلیل استفاده از صفحات همبافته هم اندازه شدن دستگاه ها با اندازه COP ها است و اینکه COP ها موجب کاهش پایایی غشاهای اکسیدی گیت دستگاهها می شوند. ضخامت لایه نازک(غشا نازک) در دستگاههای SOI به اندازه COP ها یا حتی کمتر از آن ها رسیده ، از این رو COP ها بمراتب بیشتر از صفحات متراکم به دستگاههای SOI آسیب می رسانند. اگر صفحه SOI را در محلول HF غوطه ور سازیم، لایه اکسیدمدفون شده زیرین مستقیماً از طریق COP ها تیزاب کاری (چاپ) می شود که براحتی قابل تشخیص است؛این عیب را نقص HF می نامند. دانسیته نقایص HF نباید بیشتر از 0.1/cm² باشد. پیش بینی می شود که این مقدار با افزایش میزان کوچک سازی به 0.01/cm² کاهش یابد. همان تکنولوژی که بموجب آن لایه همبافته بعنوان لایه SOI استفاده می شود یعنی تکنولوژی صفحه SOI-Epi بدون COP مادامی مثمرثمر خواهد بود که از دستگاههای SOI لایه نازک استفاده می شود.مقاله در مورد ELTRAN ؛ تکنولوژی جدید صفحه SOI (عایق سیلیکونی)  www.mktop.ir

ب. تکنیک های هموارسازی سطح

هموارسازی سطح صفحات SOI را در شکل 2 آورده ایم. سطح بعد از تشکیل ساختار SOI صرف نظر از تکنیک تولیدی خیلی زبرتر و ناهموارتر از سطح قطعه متراکم پولیش شده است. زبری سطح را با CMP (صیقل دهی مکانیکی شیمیایی) از بین برده و به سطح صافی همانند قطعه متراکم صیقل داده شده می رسیم. البته این پروسه مشکلاتی از قبیل کاهش ضخامت غشایی، کاهش یکنواختی ضخامت صفحه، و ثبات کنترلی کمتر در تولید انبوه به همراه دارد. این مشکلات در صفحه های SOI غشای بسیار نازک قابل توجه و بمراتب برجسته تر هستند. پروسه گداختگی هیدروژن با ELTRAN تقریباً nm 10 با فاکتور 100 از زبری سطح می کاهد، درنتیجه شاهد مراحل اتمیک خواهیم بود. افزون بر اینکه متد جدید هموارسازی(صاف کردن) سطح ضخامت غشا را به کمتر از nm1 می رساند.

1. پروسه

هرچند که سیلیکون متخلخل نخستین بار در سال 1956 کشف شد، پروسه ساخت و تولید ELTRAN تنها نمونه ای است که بخوبی از سیلیکون متخلخل در تولید صنعتی استفاده می کند.این پروسه چند پروسه فرعی دارد که بطور هماهنگ سه ویژگی خاص سیلیکون متخلخل را با هم ترکیب می کند، و عبارتند از:

1. گداختگی سیلیکون متخلخل در جو هیدروژنی، منفذهای سطحی را بسته و سطح را صاف می کند در نتیجه لایه سیلیکونی همبافته با کیفیت بالا تشکیل می شود.

2. مساحت سطح بزرگ سیلیکون متخلخل در گزینش پذیری بسیار بالای قلم زنی تا 100000 تاثیر دارد.

3. سطح تفکیکی با کنترل فشار(تنش) داخلی سیلیکون متخلخل مشخص می شود.

جریان پروسه ELTRAN را در شکل 3 مشاهده می کنید.آنداسیون(پوشش آلومینیوم از اکسید آلومینیوم) جریانی را از طریق محلول HF و اتانول با سطح سیلیکونی تک کریستالی بعنوان آند عبور می دهد تا منفذهای میکروسکوپی (ریزی) با قطر چند nm در سطح صفحه ای با دانسیته 10/cm² تشکیل دهد. واکنشی که در انتهای منفذها روی می دهد بدین معنی است که منفذها بطور صعودی درون صفحه باریک شده و امتداد می یابند. با تغییر دانسیته جریان لایه متخلخلی با ساختار چندلایه ایجاد می گردد که نمونه اش را در شکل 4 آورده ایم. نزدیکترین لایه سیلیکون متخلخل به سطح  در این مثال با جریانی با دانسیته پایین تشکیل شده و پس از آن دانسیته جریان افزایش یافته و لایه دومی با تخلخل متفاوت تشکیل می شود. طبق شکل مشاهده می کنید که اولین لایه سیلیکون متخلخل منافذ ریزی با قطر اندک دارد. لایه دوم با منافذی با قطر 2 تا 3 برابر بزرگتر در زیر لایه اول تشکیل می شود.

سپس سیلیکون متخلخل در دمای پایین 400 درجه سیلسیوس اکسیداسیون خشک می شود. در نتیجه دیواره های داخلی nm 3-1 منافذ اکسید شده و بموجب این اکسیداسیون، ساختار سیلیکون متخلخل در عملیات دمای بالا تغییر نمی کند.

سیلیکون متخلخل در دمای 1000-1100 C در جو هیدروژنی در راکتورهمبافته CVD (رسوب سازی با بخار شیمیایی) خشک می شود. میکروگراف های SEM زاویه حاده یا منفرجه قبل و بعد از از پیش خشک کردن هیدروژن را در شکل 5 مشاهده می کنید.از پیش خشک کردن باعث می شود که منافذ در سطح سیلیکون متخلخل به حدی نزدیک شوند که دانسیته منفذ از 10¹¹/cm² به کمتر از 10⁴/cm² رسیده و درنتیجه سطح صاف شود. پروسه از پیش خشک کردن موجب افزایش نفوذ و انتشار سطح و نزدیکی منفذهای سطحی می گردد. استفاده از متد پیش تزریقی نیز موجب تولید مقدار اندکی سیلیکون در فاز گازی در طول پیش خشک کردن هیدروژن می شود. رشد همبافته بعد از پیش تزریق در دمای حدود 900-1000 C انجام می گیرد.

در مرحله بعدی سطح لایه سیلیکونی همبافته اکسید حرارتی می شود. لایه اکسیدی نهایی غشای BOX (اکسید مدفون شده) صفحه SOI می شود.

سطح غشا اکسیدی رشد یافته گرمایی و سیلیکون صفحه ای که زیرلایه پشتیبانی می شود در مرحله بعد تمیز و سپس سطوح دو صفحه در دمای اتاق روی هم فشرده می شوند تا اینکه با نیروهای وان در والس به هم بپیوندند. مرحله بعد انجام عملیات گرمایی جهت پیوند کووالانسی است که در نتیجه پیوند بین دو سطح قوی می شود. ضمن اینکه استفاده از صفحه کوارتزی تولید صفحات ELTRAN شفاف نور را میسر می سازد.

لایه سیلیکونی متخلخل در صفحه پیوندی ساختار لایه مضاعف(دولایه) دارد. صفحه پیوندی را با متد جت آبی موازی سطحش نزدیک به واسط بین دو لایه تقسیم می کنند.

اولین لایه سیلیکونی متخلخل در سمت صفحه ضامن باقی می ماند؛ ضخامت این لایه در کل صفحه یکنواخت است. سپس بخش صفحه ضامن با محلولی حاوی مخلوطی از HF، H₂O₂ و H₂O تیزاب کاری می شود. خصیصه های تیزاب کاری سیلیکون متخلخل و سیلیکون غیرمتخلخل را در شکل 6 مشاهده می کنید. سیلیکون متخلخل با استفاده از HF، H₂O₂ و H₂O بعد از گذشت دوره رشد نهفته معینی یک بار تیزاب کاری می شود. گزینش پذیری تیزاب کاری تا 100000 می رسد یعنی تیزاب کاری هیچ خللی به یکنواختی ضخامت لایه SOI وارد نمی آورد. محلول تیزاب بواسطه خاصیت مویینگی به منافذ سیلیکون متخلخل نفوذ کرده و سپس دیواره منافذ را در جهت یکطرفه و غیرمستقیم تیزاب کاری می کند.در نهایت ساختار متخلخل دیگر نمی تواند از خود پشتیبانی نموده و فرو می ریزد. با توجه به تیزاب کاری دیواره بین منافذ مجاور از هر دو طرف، ضخامت سیلیکون همبافته نصف ضخامت دیواره خواهد بود که حداکثر حدود nm 10 است. یعنی می توان لایه های سیلیکونی متخلخل با ضخامت بیش از µm 10 را بطور یکنواخت در کل سطح صفحه تیزاب کاری نمود و با توجه به اینکه گزینش پذیری به 100000 می رسد، تغییری در یکنواختی ضخامت در لایه SOI ایجاد نمی شود.

     اگر عملیات گرمایی(حرارتی) در جو حاوی هیدروژن انجام گیرد، سطح زبر حاصل تیزاب کاری گزینشی صاف و نرم می شود(شکل 7b). زبری سطح را با AFM اندازه می گیرند. گداختگی هیدروژنی برای منطقه 1µm× 1µm زبری ریشه دوم میانگین حسابی را به حدود 0.1 nm کاهش می دهد.

     سیلیکون متخلخل رسوبی بعد از تفکیک از صفحه خام(اصلی) جدا شده که دوباره بازیافت و مجدداً به پروسه تولید ELTRAN باز می گردد و همانند یک چرخه دوباره و دوباره تکرار می شود.

1. استفاده مجدد صفحه اصلی

الف. شبیه سازی هزینه

 مفهوم اصلی ELTRAN «تفکیک/ بازیافت/ استفاده مجدد» عبارتست از استفاده مجدد از صفحه اصلی.طبق پروسه تولید ELTRAN در نهایت خود صفحه اصلی در هیچ یک از قسمت های صفحه SOI استفاده نمی گردد. دلیل این ویژگی این است که 1. صفحه اصلی بعنوان صفحه ضامن بکار نمی رود، 2. لایه SOI از لایه همبافته می آید نه بخشی از صفحه اصلی. صفحات SOI- Epi بیشتر بخاطر تکنیک کاهش هزینه های تولید مورد توجه هستند. در هر بار تولید صفحه SOI ، صفحه ضامن جدیدی در پروسه تولید ایجاد می گردد؛ لایه همبافته نیز هر بار جدید و تازه شده و غشای اکسیدی رشد گرمایی که به BOX تبدیل می شود هربار با اکسیدشدن لایه همبافته دوباره از نو تشکیل می گردد.بدین ترتیب از آنجایی که هر صفحه SOI کامل همواره از مواد کاملاً جدید ساخته می شود، کیفیت تولید صفحات SOI حتی در صورت استفاده مجدد و چندین باره از صفحه اصلی تغییری نمی کند.

در ادامه میزان کاهش هزینه های ماده صفحه ناشی از استفاده مجدد و چندین باره صفحات اصلی را بررسی می کنیم. معادله زیر هزینه های ماده صفحه در استفاده مجدد از صفحه اصلی را نشان می دهد

 

Y هزینه ماده صفحه SOI، H قیمت صفحه ضامن، S قیمت صفحه اصلی، R قیمت اصلاح صفحه اصلی، و n تعداد دفعات استفاده از صفحه اصلی است.طبق معادله بالا، با افزایش n :

 به بیان دیگر، هزینه ماده صفحه SOI قیمت صفحه ضامن بعلاوه قیمت اصلاح صفحه اصلی است و ارتباطی به قیمت اولیه صفحه اصلی ندارد.

 

ب. لایه های سیلیکونی متخلخل مضاعف

تغییر شکل پیرامون دومین لایه سیلیکونی متخلخل دقیقاً پیش از تفکیک دو صفحه با لایه های سیلیکونی متخلخل دوم با ضریب تخلخل متفاوت را با طیف بینی رامون محاسبه نمودیم . ضریب تخلخل اولین لایه سیلیکونی متخلخل برای هردو صفحه یکسان است.پروفایل های عمق انتقال رامون در هر دو صفحه مشابه هستند. انتقال رامون ، ماکزیمم مقدار منفی در لایه سیلیکونی متخلخل دوم نزدیک به واسط بین دو لایه را نشان می دهد. ضمن اینکه انتقال در ضریب تخلخل لایه دوم بیشتر از دو مقدار بزرگتر است. سطح تفکیک با موقعیت ماکزیمم انتقال منفی رامون متناظر است. به عبارت دیگر تفکیک در سطحی با حداکثر فشار روی می دهد.

ضریب تخلخل لایه دوم سیلیکون متخلخل فاکتور بسیار مهمی برای محدود کردن سطح تفکیک در یک رینج محدود  طرح شماتیک پیشرفت سطح تفکیکی برای سیلیکون متخلخل تک لایه با ضریب تخلخل یکنواخت و سیلیکون متخلخل دو لایه متشکل از دو لایه با ضریب تخلخل متفاوت را در شکل 9 مشاهده می کنید. اگر ضریب تخلخل در سرتاسر لایه سیلیکونی متخلخل یکنواخت باشد، تفکیک در هر عمقی روی می دهد یعنی پیشرفت و تدریج سطح تفکیک کنترل نشده و ترک خوردگی و شکاف تا صفحه اصلی یا لایه همبافته می رسد.البته تفکیک در سیلیکون متخلخل لایه مضاعف نزدیک واسط بین دو لایه روی می دهد. در نتیجه لایه ها بترتیب از صفحه اصلی و لایه سیلیکونی همبافته محافظت می نمایند.

مقادیر بار در دو لایه را با هدف یافتن مکانیسم تفکیک ارزیابی می کنیم. منحنی های نوسان اشعه ایکس قبل و بعد تفکیک را در شکل 10 آورده ایم.لایه های سیلیکونی متخلخل اول و دوم با تفکیک بترتیب به سمت صفحه ضامن و سمت صفحه اصلی می روند. پیک انکسار در هر دو لایه سیلیکونی متخلخل بخاطر رسیدن لایه ها به زیرلایه ، تنش و بار رسوبی بسیار کمی را نشان می دهد. دلیل این امر را تنش داخلی در هر یک از لایه های سیلیکون متخلخل می دانند که با تفکیک لایه ها از یکدیگر  منتشر می شود.

تفاوت تنش بین لایه های اول و دوم سیلیکون متخلخل موجب اعوجاج در منطقه محدودی اطراف واسط بین دو لایه گشته و انرژی حاصل از تغییر شکل نسبی را متراکم کرده و وضعیت پرانرژی تولید می کند.لبه مقدم تفکیک بمحض شروع تفکیک در این منطقه بگونه ای پیشرفت می کند که انرژی متراکم حاصل از تغییر شکل را کاهش دهد، بدین ترتیب سطح تفکیک نزدیک واسط بین دو لایه باقی می ماند.به عبارت دیگر «نیرو محرکه» همان «نیروی» کاهش انرژی حاصل از تغییر شکل است که تفکیک را بطور یکنواخت را با حفظ سطح تفکیک نزدیک واسط پیش می برد.

ج. تفکیک جت آبی

با جت آبی صفحه پیوندی نزدیک واسط بین لایه های اول و دوم سیلیکون متخلخل را تفکیک می کنند.انواع متدهای تفکیکی مختلف را امتحان کرده ایم: تنش حرارتی، اکسیداسیون لبه سیلیکون متخلخل، استفاده از امواج لتراسونیک، تعبیه گوه جامد، و استفاده از گوه سیال با استفاده از جت آبی. از میان این متدها تنش حرارتی هیچ تاثیری نداشته و اکسیداسیون موجب تاب برداشتن صفحه می شود. تفکیک در کل صفحه با امواج آلتراسونیک(امواج فراصوت) انجام می گیرد اما قابلیت تکثیر و کنترل بسیار ضعیف است. تفکیک کل صفحه با متدهای گوه جامد و مایع صورت می گیرد، اما استفاده از گوه جامد به صفحه آسیب می رساند. با توجه به مسائل موجود مرتبط با این متدها از متد جت آبی استفاده نمودیم. زمانی که صفحه پیوندی با جت آّی تفکیک می شود، مکانیسم اصلی برش نیست بلکه پوست کندن با گوه مایعی است که با جت آبی تولید شده است.

تفکیک با فشار جت 20..60 MPa در صورتی محقق می گردد اگر قطر داخلی نازل 0.1mm باشد. فشار ضربت قوچی با این قطر داخلی کم نازل بترتیب بوده که برای برش از طریق صفحه سیلیکونی کافی نیست. بهمین خاطر است که اثر پوست کندنی گوه مایع عامل اصلی در تفکیک صفحه پیوندی بشمار می آید.جت آبی بخاطر قابلیت تغییر شکل مایع تا پیرامون واسط متصل نفوذ کرده و باعث افزایش تدریجی فشار می شود، یعنی فشار ضربت قوچی در منطقه گسترده ای از پیرامون صفحه مشاهده می گردد. برخلاف گوه جامد، هیچ نقطه تماس مجزایی با لبه صفحه وجود ندارد از این رو تفکیک بدون تمرکز تنش در یک محل مشخص روی می دهد یعنی جلوگیری از ترک خوردن اطراف صفحه.

ضمن اینکه مکانیسم با گوه جامد بگونه ای است که تفکیک با استفاده از نیرو فقط در لبه صفحه صورت می گیرد. یعنی با پیش رفتن تفکیک، صفحه باید شکلش را بکلی تغییر دهد. این امر خطراتی را بویژه برای لایه نازک SOI و لایه اکسید مدفون شده بهمراه دارد. در بدترین حالت حتی ممکن است صفحه در طول تفکیک بشکند. در مقابل مکانیسم با استفاده از جت آبی بگونه ای است که گوه مرتباً تغییر شکل داده در نتیجه فشار در کل منطقه تفکیک اعمال می گردد. یعنی تفکیک بدون هیچ گونه تغییر شکلی در صفحه صورت می گیرد. افزایش قطر صفحه به mm 300 یکی از مزیت های بسیار مهم محسوب می شود. بنا به دلایل مذکور نتیجه می گیریم که با توجه به هدف تاثیر گوه مایع جت آبی ، جت آبی بهترین متد پروسه تفکیک صفحه پیوندی است.

بخاطر شکل قرصی(دیسک مانند) صفحات از مراحلی استفاده می کنیم که بموجب آن صفحه پیوندی در نگهدارنده چرخشی محکم بسته و مهار می شود. شکل 11 تصویری است که از پروسه تفکیک گرفته شده است. سطح تفکیک بخاطر چرخش بصورت مارپیچ جلو می رود. نازل برای کنترل روند رو به جلوی سطح تفکیک بتدریج از اطراف صفحه به سمت مرکز حرکت می کند. یعنی جلوی پیشروی منطقه تفکیک گرفته می شود و به تفکیک مارپیچ با قابلیت تولید مجدد بالا بدست می آید.

مدل تولید انبوه تجهیزات جت آبی در خط تولید نصب شده است. تجهیزات از همتراز کننده صفحه، بخش پرش صفحه، بخش تمیزکننده صفحه، حفره تفکیک، لودری برای بارگذاری صفحات پیوسته، دو بردارنده بار برای صفحات تفکیک و روبات دو اهرمی برای انتقال صفحات تشکیل شده است. حفره بخش تفکیکی مجهز به نگهدارنده چرخشی دارد.مقاله در مورد ELTRAN ؛ تکنولوژی جدید صفحه SOI (عایق سیلیکونی)  www.mktop.ir

      تفکیک صفحه پیوندی بخاطر کنترل دقیق تنش در سیلیکون متخلخل و اثر گوه مایع جت آبی به مقدار بالایی دست می یابد حتی در مواردی که سه بار از هر صفحه اصلی استفاده می شود، در واقع این امکان نیز وجود دارد که برای بار چهارم نیز از صفحه اصلی ………..

 

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت  به صورت WORD + PDF  کامل به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.

برای دریافت pdf + word بر روی کلیدزیر ،کلیک نمایید . 

قیمت: 15000 تومان