به گزارش ساوت چاینا مورنینگ پست، این پژوهشگران با استفاده از کرایو-الکترون توموگرافی (cryo-ET) موفق شدند برای اولین بار، عوامل جزئی و کوچکی که باعث ایجاد نقصهای شایع در فرایند تولید تراشه میشود را با دقت و وضوح بیسابقهای مشخص کنند.
یافتههای آنها در تاریخ ۳۰ سپتامبر در مجله نیچر کامیونیکیشنز منتشر شده و داوران از آن به عنوان ابزاری که «برای سایر محققان و نیز برای این صنعت بسیار مفید خواهد بود» تمجید نمودهاند.
به گفته محقق ارشد این پروژه، روش جدید با خطوط تولید نیمرساناها سازگار است و میتواند نقصهای لیتوگرافی بر روی ویفرهای ۱۲ اینچی (۳۰ سانتیمتری) را تا ۹۹ درصد کاهش دهد و از نظر هزینه هم مزایای قابل توجهی در پی داشته باشد.
لیتوگرافی یکی از مهمترین مراحل ساخت تراشه و به زبان ساده، به معنای «چاپ مدارها بر روی ویفرهای نیمرسانا مانند سیلیکون» است؛ به این ترتیب که یک «پروژکتور» فوقالعاده دقیق، الگوهای مدار از پیش طراحیشده را به روی لایه نازک مخصوصی که سطح ویفر را پوشانده است انتقال میدهد که بعدا «ظاهر» و «تثبیت» میشود.
مراحل اصلی این فرایند به شرح زیر است:
ابتدا لاک نوری مایع (یک ماده ویژه حساس به نور) به شکل یکنواخت روی سطح ویفر قرار میگیرد.
سپس دستگاه لیتوگرافی پرتو فرابنفش یا فرابنفش فرین را از پشت یک «نورگیر» که الگوی مدارها روی آن قرار دارند به ویفر میتاباند تا لاک نوری مطابق همان الگو در معرض تابش قرار گیرد.
در مرحله آخر یعنی ظهور، قسمتهایی از لاک نوری که در معرض تابش بودهاند با استفاده از مواد شیمیایی خاصی کمابیش به حالت محلول در میآیند و بعد این بخشها با کمک محلول ظهور شسته میشوند تا در قسمتهایی که در معرض تابش نبودهاند، یک لایه لاک نوری طبق الگوی مدارها باقی بماند. سپس مراحل زدایش و کاشت یون انجام میشوند و در نهایت مدارهای پیچیده مورد نظر تشکیل میگردند.
ولی مشکلات هم معمولا همینجا رخ میدهند.
در مرحله ظهور، مولکولهای لاک نوری حلشده میتوانند به هم بچسبند و ذرات بزرگی را تشکیل دهند. این ذرات ممکن است دوباره روی الگوهای ظریف مدارها رسوب کنند و نواقص بسیار مخربی را به وجود آورند. محققان چینی در بررسیهای خود متوجه شدند که تعداد نواقص بر روی یک ویفر ۱۲ اینچی میتواند از ۶۶۰۰ مورد فراتر برود که در تولید انبوه تراشه غیر قابل قبول است.
فرایند ظهور برای تولیدکنندگان تراشه مثل یک جعبه سیاه است و آنها را وادار به استفاده از روشهای زمانبر و پرهزینه آزمون و خطا میکند. کوچکتر شدن «گرههای فرایند» (process nodes) و رسیدن آن به ۵ نانومتر هم این مشکل را تشدید نموده است و ذراتی بسیار کوچک – حتی در ابعاد ۳۰ نانومتر – میتوانند باعث «زبری» بیش از حد خطوط مدار و گاهی اوقات منجر به ضرر و زیان دهها میلیون دلاری شوند.
در مطالعه جدید، پژوهشگران چینی پس از مراحل معمول لیتوگرافی بلافاصله لایه نازک محلول ظهور حاوی لاک نوری را تا دمای منفی ۱۷۵ درجه سانتیگراد سرد و منجمد کردند تا ساختارهای مولکولی تقریبا ساکن و بیحرکت باقی بمانند.
سپس با تصویربرداری از زوایای مختلف و به دست آوردن تصویر سهبعدی، امکان مشاهده مستقیم رفتار مولکولهای لاک نوری در محلول ظهور فراهم گردید و این محققان توانستند برای اولین بار واکنشهای بین زنجیرههای پلیمری لاک نوری را ببینند. زنجیرههایی که به روی سطح جذب شده بودند، از طریق برهمکنشهای ضعیف آبگریزی به هم متصل و در نهایت به ذراتی با اندازه ۳۰ تا ۴۰ نانومتر تبدیل شدند. همچنین مشخص شد که حدود ۷۰ درصد پلیمر به جای انحلال در مایع، در مرز مشترک هوا- مایع جذب میگردد. این ذرات بعدا و هنگام شستشو دوباره رسوب کردند و عامل اصلی ایجاد نواقص بودند.
بر اساس این یافتهها، راهکاری طراحی شد که با خطوط تولید نیمرساناها نیز سازگار است:
اولا دمای «پخت» پس از پرتودهی مقداری افزایش یافت تا اتصال زنجیرههای لاک نوری به یکدیگر کاهش پیدا کرده و تشکیل تودههای بزرگ آنها به حداقل برسد.
ثانیا فرایند ظهور به شکلی بهینهسازی شد که پلیمرها در مرز مشترک هوا- مایع به دام بیفتند و بتوان آنها را به طور کامل شست و از رسوب مجددشان جلوگیری نمود.
آزمایشات بعدی تایید کرد که نواقص ناشی از بقایای لاک نوری روی ویفرهای ۱۲ اینچی برطرف شدهاند و تعداد نواقص بیش از ۹۹ درصد کاهش یافته است.
در گزارش یک شرکت مشاور که در ماه مارس منتشر شد آمده است که حجم بازار جهانی لاک نوری در سال ۲۰۲۴ به ۳/۶ میلیارد دلار رسید و انتظار میرود تا سال ۲۰۳۰ به ۱۰ میلیارد دلار بالغ شود.
لاک نوری تنها حدود ۵ درصد از هزینه مواد مورد استفاده برای تولید تراشه را تشکیل میدهد، ولی عاملی بسیار تاثیرگذار است و به همین خاطر سازندگان تراشه بیشتر به کیفیت آن توجه دارند تا قیمتش.
پنج تامینکننده اصلی لاک نوری دنیا که بیشترشان در ژاپن، آمریکا و کره جنوبی مشغول فعالیت هستند، حدود ۹۰ درصد از بازار را در اختیار دارند. اما نتایج این تحقیق جدید میتواند وضعیت را تغییر دهد و فرصت ورود به بازار لاک نوری را برای چین فراهم سازد.
همچنین ممکن است بتوان از فناوری cryo-ET برای بهبود سایر اجزای فرایند تولید تراشه نیز استفاده کرد.
منبع: scmp
