Cleachdadh Mheatailtean ann an Saothrachadh Innealan Leth-sheoltaiche
’S e innealan leth-sheoltaiche—leithid transistors, diodes, sensors, cuairtean amalaichte (ICs), agus pròiseasairean—cnàimh-droma na teicneòlais ùr-nodha. Air cùl an coileanadh àrd agus na meudan a tha a’ sìor fhàs nas lugha tha pròiseas saothrachaidh iom-fhillte, mionaideach, agus gu math an urra ri stuthan. Is e meatailt aon bhuidheann de stuthan aig a bheil dreuchd do-sheachanta. Bithear a’ cleachdadh meatailtean chan ann a-mhàin mar “uèirichean” giùlain dealain ach cuideachd mar cheanglaichean dealain, cnapan-starra sgaoilidh, eileamaidean eadar-cheangailte eadar co-phàirtean, agus stuthan gnìomhach ann am pròiseasan litografaidh agus pacaidh. Tha an t-artaigil seo a’ beachdachadh air mar a thathas a’ cleachdadh meatailtean ann an saothrachadh innealan leth-sheoltaiche, na seòrsaichean meatailtean a thathas a’ cleachdadh gu cumanta, agus na dùbhlain agus na stiùiridhean a thaobh an leasachaidh.
1. Dreuchd mheatailtean ann an innealan leth-chonnsachaidh
San fharsaingeachd, tha grunn phrìomh dhleastanasan aig meatailtean ann an innealan leth-chonnsachaidh:
1. Eadar-cheangal (uèirleadh): A’ ceangal transistors agus co-phàirtean eile anns a’ chip tro shlighean meatailt glè thiugh agus ioma-shreathach (eadar-cheangal ioma-shreathach).
2. Ceanglaichean ohmic agus ceanglaichean Schottky: Bidh iad a’ cruthachadh eadar-aghaidh dealain eadar meatailt agus leth-chonnsair. Leigidh ceanglaichean ohmic le sruth sruthadh anns an dà thaobh le strì ìosal, agus bidh ceanglaichean Schottky a’ cruthachadh dà-ode le feartan ceartachaidh.
3. Sreath bacaidh agus còmhdach greamachaidh: A’ cur casg air sgaoileadh ataman meatailt a-steach don stuth leth-chonnsachaidh no dielectric, agus a’ cuideachadh a’ mheatailt gus cumail gu daingeann ris an t-sreath gu h-ìosal.
4. Electrod geata air transistor: Ann an teicneòlasan sònraichte, thathas a’ cleachdadh meatailt gus an electrod geata a chruthachadh air MOSFET airson smachd seanail nas fheàrr agus strì an aghaidh nas ìsle.
5. Stuthan sa phròiseas saothrachaidh: Bithear a’ cleachdadh meatailtean agus todhar meatailt mar masgaichean cruaidhe, sreathan meòrachail, no co-phàirtean ceimigeach airson tasgadh agus gràbhaladh.
6. Pacadh is ceangal sliseagan: Bithear a’ cleachdadh tàthadh, ceangal uèir, cnagadh, agus diofar aloidhean meatailt gus an sliseag a cheangal ris a’ bhòrd cuairteachaidh agus an inneal a dhìon bhon àrainneachd.
Ann am faclan eile, chan e a-mhàin le silicon no stuthan leth-chonnsachaidh eile a tha coileanadh chips an latha an-diugh air a dhearbhadh, ach cuideachd le mar a tha na meatailtean air an taghadh agus air an amalachadh.
2. Meatailtean airson ceanglaichean eadar-cheangailte: bho alùmanum gu copar agus cobalt
Anns na ginealaichean tràtha de ICn, b’ e alùmanum (Al) am prìomh roghainn airson ceanglaichean eadar-cheangailte oir bha e furasta a thasgadh, caran saor, agus co-chòrdail ri pròiseasan saothrachaidh an ama. Ach, mar a bha dùmhlachd transistor ag àrdachadh agus riatanasan sruth ag àrdachadh, dh’ adhbhraich duilgheadasan leithid electromigration - gluasad dadaman meatailt mar thoradh air sruthadh àrd electron - briseadh slighe agus lùghdachadh earbsachd.
Thionndaidh an gnìomhachas an uairsin gu copar (Cu) leis gu bheil strì an aghaidh nas ìsle aige na alùmanum, a’ lughdachadh call cumhachd agus ag àrdachadh astar comharran. Ach, tha dùbhlan ann an copar: bidh Cu a’ sgaoileadh gu furasta a-steach do dhì-eileagtraig (me, SiO₂ no dì-eileagtraig ìosal-k) agus faodaidh e feartan dealain a lughdachadh. Mar sin, thathas cha mhòr an-còmhnaidh a’ cleachdadh Cu le sreath bacaidh leithid tantalum (Ta) no tantalum nitride (TaN).
Ann an teicneòlasan a tha a’ sìor fhàs nas lugha (nòdan adhartach), bidh an earrann-tarsainn eadar-cheangail a’ crìonadh, ag àrdachadh an aghaidh nas motha, agus bidh buaidhean crìche (sgaoileadh uachdar) a’ fàs nas làidire. Airson sreathan sònraichte, tha cleachdadh cobalt (Co) no ruthenium (Ru) mar roghainn eile/co-phàirteach ri Cu air tòiseachadh a’ nochdadh oir faodaidh e coileanadh nas seasmhaiche a thoirt seachad aig tomhasan glè bheag agus a’ lughdachadh an fheum air cnapan-starra tiugh.
3. Conaltradh meatailt-leth-sheoltaiche: ohmic agus Schottky
’S e an conaltradh eadar am meatailt agus an leth-chonnsair aon de na taobhan as cudromaiche. Ma tha cus strì an aghaidh a’ chonaltraidh, bidh an transistor a’ teasachadh cus gu luath agus a’ call coileanadh. Ann an innealan CMOS an latha an-diugh, tha na ceanglaichean stòrais/drèanaidh agus na plugaichean conaltraidh air an dealbhadh gus an strì an aghaidh as ìsle a tha comasach a bhith aca.
Seo cuid de na meatailtean agus na todhar a thathas a’ cleachdadh gu cumanta airson conaltraidhean:
– Titanium (Ti): air a chleachdadh gu tric mar shreath ghreamachail is ath-ghnìomhach gus silicides a chruthachadh.
– Nicil (Ni) agus cobalt (Co): cumanta ann am pròiseasan silicidation (m.e. NiSi, CoSi₂) gus strì an aghaidh conaltraidh ann an silicon a lùghdachadh.
– Tungstan (W): air a chleachdadh gu farsaing mar “phlug” gus tuill conaltraidh (lìonadh conaltraidh/troimhe) a lìonadh oir tha e seasmhach agus freagarrach airson tasgadh CVD (tasgadh smùid ceimigeach).
– Platanam (Pt) no palladium (Pd): faodar a chleachdadh gus ceanglaichean Schottky a chruthachadh no airson cuid de thagraidhean a dh’ fheumas seasmhachd cheimigeach àrd.
Ann an innealan air an dèanamh le leth-chonnsachaidhean seach silicon - leithid GaN (gallium nitride) no SiC (silicon carbide) - tha an roghainn meatailt conaltraidh a’ sìor fhàs cudromach air sgàth eadar-dhealachaidhean ann an structar còmhlan lùtha, riatanasan teòthachd àrd, agus àrainneachdan obrachaidh nas cruaidhe (me, eileagtronaig cumhachd).
4. Còmhdach bacaidh, lìnigeadh, agus còmhdach greamachaidh
Leis gu bheil sgoltagan an latha an-diugh cho beag, faodaidh dadaman meatailt sgaoileadh agus aodion, goirid ghoirid, no atharrachaidhean ann am paramadairean transistor adhbhrachadh. Mar sin, thathas a’ cleachdadh sreathan tana, a bhios a’ frithealadh nan gnìomhan a leanas:
– Bacadh sgaoilidh: a’ cur casg air sgaoileadh Cu no meatailtean eile.
– Lìnigeadh: a’ cuideachadh le bhith a’ lìonadh fheartan cumhang (trannsa/via) gu cothromach.
– Còmhdach greamachaidh: a’ meudachadh greamachaidh.
Am measg nan stuthan cumanta tha Ta/TaN, Ti/TiN, W, agus ann an rannsachadh nas ùire, bacaidhean stèidhichte air Ru, Mn, no sreathan tana stèidhichte air stuthan 2D mar bhacaidhean sgaoilidh. Mar a bhios nódan a’ dol air adhart, is e an dùbhlan am bacadh a dhèanamh cho tana ‘s a ghabhas fhad ‘s a tha e fhathast èifeachdach, oir bidh bacadh a tha ro thiugh ag “ithe suas” àite slighe agus ag àrdachadh strì.
5. Meatailt ann an structar transistor: geata meatailt agus àrd-k
Ann an transistors MOSFET an latha an-diugh, gu h-àraidh bho chaidh geataichean àrd-k/meatailt a thoirt a-steach, tha meatailt air pàirt mhòr a ghabhail a-rithist ann an structar a’ gheata. Roimhe seo, bhiodh geataichean polysilicon air an cleachdadh gu tric, ach bha cùisean aca leithid buaidh crìonadh agus co-chòrdalachd le dielectrics àrd-k. Le geataichean meatailt, tha smachd electrostatach air a leasachadh agus faodar aodion a chumail fodha.
Bidh na stuthan a thathar a’ cleachdadh ag atharrachadh, leithid nitride titanium (TiN), nitride tantalum, no measgachadh de mheatailtean a tha air an dealbhadh gus an gnìomh obrach ceart a choileanadh (gus am bi am bholtaids stairsneach a’ coinneachadh ris an dealbhadh). An seo, chan e dìreach stiùiriche a th’ anns a’ mheatailt; bidh na feartan dealain uachdar aige a’ dearbhadh giùlan an transistor.
6. Cleachdadh meatailt ann am pròiseasan tasgadh agus pàtraineachaidh
Tha saothrachadh sliseagan a’ toirt a-steach tasgadh sreathan tana de mheatailt tro dhiofar dhòighean, nam measg:
– PVD (Tasgadh Ceò Corporra): coltach ri sputtering, cumanta airson Al, Ti, Ta, agus feadhainn eile.
– CVD (Tasgadh Ceum Ceimigeach): air a chleachdadh gu tric airson plugaichean W (tungstan) agus sreathan meatailt sònraichte.
– ALD (Atomic Layer Deposition): glè chudromach airson sreathan tana is co-chòrdail air structaran 3D, mar eisimpleir bacaidhean/lìnigeadh, geataichean meatailt, agus cuid de stuthan conaltraidh.
Às dèidh tasgadh, feumar am meatailt a phàtranachadh le bhith a’ cleachdadh litografaidh agus gràbhaladh no am pròiseas damascene (gu h-àraidh airson Cu), a tha a’ toirt a-steach cruthachadh chlaisichean anns an dielectric, gan lìonadh le meatailt, agus an uairsin gan lìomhadh le bhith a’ cleachdadh Planarization Ceimigeach Meacanaigeach (CMP). Feumaidh am pròiseas seo an t-slaodadh agus an ceimigeachd cheart gus uachdar rèidh a chruthachadh gun mhilleadh a dhèanamh air na sreathan fon uachdar.
7. Meatailt air pacaigeadh: tàthadh, cnap, agus ceangal uèir
Cho luath ‘s a bhios an wafer deiseil, thèid a’ chip a ghearradh (a dhìsneachadh) agus a phacaigeadh. Aig an ìre seo, tha meatailt cuideachd a’ faighinn làmh an uachdair:
– Bidh ceangal uèir a’ cleachdadh uèir òir (Au), alùmanaim (Al), no copar (Cu).
– Bidh bumping agus flip-chip a’ cleachdadh colbhan/cnapan meatailt agus tàthar airson ceanglaichean aig astar luath agus àireamh mhòr de phrìnichean.
– Mar as trice, bidh saidearan an latha an-diugh stèidhichte air staoin (Sn) le aloidhean (me Sn-Ag-Cu) an àite saidear luaidhe (Pb) air adhbharan àrainneachdail.
Tha pacadh adhartach leithid chiplets, amalachadh 2.5D/3D, agus TSV (troimh-silicon via) a’ meudachadh an fheum air stuthan meatailt earbsach, leis gu bheil dùmhlachd a’ cheangail agus sgaoileadh teas a’ sìor fhàs.
8. Prìomh dhùbhlain: imrich dealain, creimeadh, agus strì an aghaidh aig sgèile nano
Mar a bhios na tomhasan a’ fàs nas lugha, bidh dùbhlain mhòra mu choinneamh cleachdadh meatailt, nam measg:
– Gluasad dealain: faodaidh sruthan àrda ann an earrannan beaga milleadh a dhèanamh air slighean meatailt.
– Meudachadh ann an aghaidh èifeachdach: aig an nanosgèile, bidh dealanan a’ bualadh nas trice ri crìochan gràin agus uachdaran, ag àrdachadh an aghaidh.
– Co-chòrdalachd creimeadh is ceimigeach: gu h-àraidh ann an ìrean cinneasachaidh anns a bheil mòran cheimigean agus teòthachd àrd.
– Cuingealachaidhean bacaidh: feumaidh bacaidhean a bhith nas taine agus fhathast seasamh an aghaidh sgaoileadh, rud a tha duilich gu teicnigeach.
Mar sin, tha rannsachadh air stuthan meatailt airson leth-chonnsachaidhean a’ sìor leasachadh, a’ gabhail a-steach sgrùdadh Co, Ru, Mo, a bharrachd air dòighean-obrach ùra leithid ceanglaichean eadar-cheangailte stèidhichte air stuthan eile agus dòighean tasgadh atamach.
9. Stiùiridhean san àm ri teachd airson meatailt a chleachdadh
Tha gluasadan san àm ri teachd ann an gnìomhachas nan leth-chonnsadairean a’ brosnachadh cleachdadh mheatailtean nas “innleadaichte” aig an ìre atamach. Tha feum aig nodan adhartach agus ailtireachd 3D (FinFET, nanosheet GAA, agus mar sin air adhart) air sreathan meatailt tana, fìor aonfhoirmeil le eadar-aghaidhean glan. A bharrachd air an sin, tha an fheum air èifeachdas lùtha agus astar cuideachd a’ dèanamh roghainn mheatailtean airson eadar-cheanglaichean agus cheanglaichean na phrìomh fheart.
Air taobh a’ phacaigeadh, tha riatanasan leud-bann àrd agus amalachadh neo-aonghnèitheach a’ brosnachadh ùr-ghnàthachadh ann an eadar-aghaidhean tàthaidh, cnap, agus meatailt. Chan e dìreach pàirt taiceil a th’ ann am meatailt, ach pàirt bhunasach de dhealbhadh, coileanadh agus earbsachd an t-siostaim.
Co-dhùnadh
Tha pàirt chudromach aig meatailtean ann an saothrachadh innealan leth-chonnsachaidh: mar cheanglaichean eadar-cheangailte, conaltraidhean, bacaidhean, geataichean meatailt, agus cnàimh-droma pacaidh. Tha taghadh meatailt air a dhearbhadh chan ann a-mhàin le seoltachd, ach cuideachd le sgaoileadh, greamachadh, seasmhachd teirmeach, co-chòrdalachd phròiseasan, agus earbsachd fad-ùine. Mar a bhios mion-atharrachadh agus iom-fhillteachd a’ dol am meud, tha dùbhlain leithid imrich dealain agus strì an aghaidh sgèile nano a’ toirt air a’ ghnìomhachas stuthan agus pròiseasan ùra a leasachadh. Mar sin, tha tuigse air cleachdadh mheatailtean ann an leth-chonnsachaidhean deatamach chan ann a-mhàin do innleadairean stuthan agus phròiseasan, ach cuideachd do dhuine sam bith a tha airson tuigsinn mar a chumas teicneòlas sliseagan an latha an-diugh ag atharrachadh.
