رقائق أشباه الموصلات هي شرائح كريستالية رقيقة تشكل أساس الشرائح الحديثة. المادة والحجم واتجاه البلورة وجودة السطح تؤثر على السرعة واستهلاك الطاقة والعائد والتكلفة. تشرح هذه المقالة أساسيات الرقاقة، المواد الرئيسية، خطوات العملية، الأحجام، تنظيف الأسطح، فحوصات الجودة، وقواعد الاختيار في أقسام مفصلة.
أساسيات رقائق أشباه الموصلات
رقائق أشباه الموصلات هي شرائح رقيقة ومستديرة من مادة البلورة تعمل كأساس للعديد من الشرائح الحديثة. تبنى أجزاء إلكترونية صغيرة فوق الويفر في طبقات باستخدام خطوات مثل النمط والتنظيف، والتسخين.
معظم رقائق الرقائق مصنوعة من السيليكون النقي جدا، بينما تستخدم بعض الشرائح الخاصة مواد متقدمة أخرى لوظائف عالية السرعة أو الطاقة العالية أو الإضاءة المعتمدة. المادة والحجم وجودة البلورة ونعومة سطح الرقاقة كلها تؤثر بشكل كبير على جودة عمل الرقائق، وعدد الرقائق الجيدة المصنوعة (الإنتاجية)، وكم تكلفتها.
خطوات تصنيع رقائق أشباه الموصلات
تنقية المواد الخام
السيليكون المستخدم في الرقاقة يأتي من رمل الكوارتز. يتم تحويله أولا إلى سيليكون من الدرجة المعدنية المعدنية، ثم يتم تنقيحه مرة أخرى إلى سيليكون إلكتروني نقي جدا.
بالنسبة للرقائق المركبة، يتم تنظيف عناصر مثل الجاليوم، والزرنيخ، والإنديوم، والفوسفور ودمجها بنسب دقيقة لتكوين المادة شبه الموصلة المطلوبة.
نمو البلورات
يتم غمس بلورة بذرة صغيرة في المادة شبه الموصلة المنصهرة. يتم سحب البذرة ببطء وقلبها بحيث تصطف الذرات في اتجاه واحد.
تشكل هذه العملية سبيكة طويلة وصلبة أحادية البلورة ذات اتجاه بلوري منتظم وقليل جدا من العيوب.
تشكيل وتقطيع السبائك
السبيكة الدائرية تطحن بقطر دقيق، لذا كل رقاقة لها نفس الحجم.
ثم يقوم منشار خاص بتقطيع السبيكة إلى أقراص رفيعة ومسطحة تتحول إلى رقائق فردية.
تحضير سطح الرقاقة
بعد التقطيع، تصبح أسطح الرقائق خشنة وتالفة. النقش واللف يزيلان هذه الطبقة التالفة ويحسنان من التسطح.
ثم يستخدم التلميع لإنشاء سطح أملس يشبه المرآة بحيث يمكن طباعة أنماط الرقائق اللاحقة بدقة.
الفحص والفرز
يتم فحص رقائق الرقائق النهائية من حيث السماكة، والاستواء، والعيوب السطحية، وجودة البلورات.
فقط الرقائق التي تلبي المعايير الصارمة تنتقل إلى تصنيع الأجهزة، حيث تبنى الدوائر والهياكل فوق سطح الرقاقة.
أحجام رقائق أشباه الموصلات ونطاقاتها السمكية
| قطر الرقاقة | التطبيقات الرئيسية | نطاق السماكة النموذجي (ميكرومتر) |
|---|---|---|
| 100 مم (4") | شرائح قديمة، قطع منفصلة، خطوط بحث وتطوير صغيرة | ~500–650 |
| 150 مم (6") | رقائق أشباه الموصلات التناظرية، الطاقة، والمتخصصة | ~600–700 |
| 200 مم (8") | رقائق CMOS ذات الإشارات المختلطة، الطاقة، والناضجة | ~700–800 |
| 300 مم (12") | المنطق المتقدم، الذاكرة، والرقائق عالية الحجم | ~750–900 |
اتجاه الرقاقة، السطوح المسطحة، والشقوق
داخل رقاقة أشباه الموصلات، تتبع الذرات نمطا بلوريا ثابتا. يتم قطع الرقاقة على مستويات مثل (100) أو (111)، مما يؤثر على كيفية بناء الأجهزة وكيفية تفاعل السطح أثناء المعالجة. يؤثر اتجاه البلورة على:
• كيفية تكوين هياكل الترانزستورات
• كيف ينقش السطح ويلمعه
• كيف يتراكم التوتر وينتشر في الويفر
للمحاذاة في الأدوات:
• الحواف المسطحة طويلة ومستقيمة بشكل رئيسي على الرقائق الصغيرة، ويمكن أن تظهر الاتجاه والنوع.
• الشقوق هي قطع صغيرة في معظم رقائق 200 مم و300 مم وتوفر مرجعا دقيقا للمحاذاة التلقائية.
الخصائص الكهربائية لرقائق أشباه الموصلات
| المعلمة | ماذا يعني ذلك | أسباب أهمية رقائق الرقائق |
|---|---|---|
| نوع الموصلية | التطعيم الخلفي من النوع n أو النوع p | يغير طريقة تكوين الوصلات وكيفية ترتيب الأجهزة |
| أنواع الدوبانت | ذرات مثل B، P، As، Sb (للسيليكون)، أو غيرها | يؤثر على كيفية انتشار الدوبانت، وتفعيلها، وإحداثها للعيوب |
| المقاومة | مدى قوة مقاومة الرقاقة للتيار (Ω·سم) | يضبط مستويات التسرب، العزل، وفقدان الطاقة |
| تنقل الحاملات | مدى سرعة حركة الإلكترونات أو الثقوب في المجال الكهربائي | يحد من سرعة التبديل وكفاءة تدفق التيار |
| لايف تايم | كم من الوقت تبقى حاملات الطائرات نشطة قبل إعادة الاندماج | مطلوب للرقائق الكهربائية، والكواشف، والرقائق الشمسية |
المواد الرئيسية لأشباه الموصلة في رقائق الرقائق واستخداماتها
رقائق أشباه الموصلات السيليكونية
رقائق أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون هي المادة الأساسية الرئيسية للعديد من الشرائح الحديثة. يحتوي السيليكون على فجوة نطاق مناسبة، وبنية بلورية مستقرة، ويمكنه التعامل مع درجات حرارة عالية، لذا فهو يعمل جيدا لتصاميم الشرائح المعقدة وتدفقات العمليات الطويلة في المصنع. على رقائق السيليكون، يتم بناء العديد من أنواع الدوائر المتكاملة، بما في ذلك:
• وحدات المعالجة المركزية، ووحدات معالجة الرسوميات، وأنظمة SoC للحوسبة والأنظمة المحمولة
• ذاكرة DRAM وفلاش NAND للذاكرة وتخزين البيانات
• الدوائر المتكاملة التناظرية، والمختلطة الإشارات، وإدارة الطاقة
• العديد من أجهزة الاستشعار والمشغلات المعتمدة على MEMS
كما تدعم رقائق السيليكون نظام بيئي كبير ومتطور للتصنيع. الأدوات وخطوات العملية والمواد عالية التطور، مما يساعد في تقليل تكلفة كل شريحة ويدعم إنتاج أشباه الموصلات بكميات كبيرة.
رقائق أشباه الموصلات من أرنيد الغاليوم
يتم اختيار رقائق أشباه الموصلات بأرنيد الغاليوم (GaAs) عندما تكون هناك حاجة إلى إشارات سريعة جدا أو إخراج ضوء قوي. تتسع أغلى من رقائق السيليكون، لكن خصائصها الكهربائية والبصرية الخاصة تجعلها ذات قيمة في العديد من تطبيقات الترددات الراديوية والفوتونية.
تطبيقات رقاقة GaAs
• أجهزة الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية
• مضخمات الطاقة ومضخمات الضوضاء منخفضة في الأنظمة اللاسلكية
• ICs ميكروويف للرادار وروابط الأقمار الصناعية
• الأجهزة البصرية الإلكترونية
• مصابيح LED عالية السطوع
• ديودات ليزر للتخزين والاستشعار والاتصال
الأسباب الرئيسية لاستخدام GaAs بدلا من السيليكون
• حركة إلكترونية أعلى لتبديل ترانزستورات أسرع
• الفجوة المباشرة في النطاق الكهربائي لانبعاث الضوء الفعال
• أداء قوي عند الترددات العالية ومستويات الطاقة المتوسطة
رقائق أشباه الموصلات من كربيد السيليكون
تستخدم رقائق شبه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) عندما تضطر الدوائر لتحمل جهد عالي ودرجة حرارة عالية وتبديل سريع. تدعم أجهزة طاقة تحافظ على كفاءتها، حيث تبدأ الأجهزة السيليكونية العادية في الصعوبات.
لماذا رقائق SiC مهمة
• فجوة نطاق واسعة: تدعم جهود انهيار أعلى مع تيار تسرب منخفض. يسمح بأجهزة طاقة أصغر وأكثر كفاءة عند جهود عالية.
• التوصيل الحراري العالي: ينقل الحرارة بعيدا عن MOSFETs والصنائيات الكهربائية بسرعة أكبر. يساعد في الحفاظ على استقرار إلكترونيات الطاقة في محركات السيارات الكهربائية، والطاقة المتجددة، والأنظمة الصناعية.
• القوة عند درجات الحرارة العالية: تسمح بالتشغيل في بيئات قاسية مع تبريد أقل. يحافظ على الأداء أكثر استقرارا في نطاق درجات حرارة واسع.
رقائق أشباه الموصلة من فوسفيد الإنديوم
تستخدم رقائق أشباه الموصلات من فوسفيد الإنديوم (InP) بشكل رئيسي في الاتصالات البصرية عالية السرعة والدوائر الضوئية المتقدمة. يتم اختيارها عندما تكون الإشارات المعتمدة على الضوء ومعدلات البيانات السريعة جدا أكثر بساطة من انخفاض تكلفة المواد أو حجم الرقاقة الكبير.
مزايا رقائق InP
• دعم الليزر، والمعدلات والكواشف الضوئية التي تعمل على الأطوال الموجية المشتركة للاتصالات
• تمكين الدوائر المتكاملة الفوتونية (PICs) التي تجمع بين العديد من الوظائف البصرية على شريحة واحدة
• توفير حركة إلكترونية عالية للأجهزة التي تربط الوظائف البصرية بالإلكترونيات عالية التردد
رقائق InP أشباه الموصلات أكثر هشاشة وتكلفة من رقائق السيليكون، وغالبا ما تأتي بأقطار أصغر. ومع ذلك، فإن قدرتها على وضع الأجزاء البصرية النشطة مباشرة على الشريحة تجعلها ضرورية لروابط الألياف لمسافات طويلة، واتصالات مراكز البيانات، وأنظمة الحوسبة الضوئية الأحدث.
هياكل رقائق أشباه الموصلات الهندسية
| قطر الرقاقة | الاستخدام الشائع لرقائق أشباه الموصلات | نطاق السماكة التقريبي (ميكرومتر) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| 100 مم (4") | الدوائر المتكاملة القديمة، الأجهزة المنفصلة، وخطوط الإنتاج الصغيرة | ~500–650 | غالبا ما يستخدم في المصانع القديمة أو المتخصصة |
| 150 مم (6") | العمليات التناظرية، القوة، والعمليات المتخصصة | ~600–700 | شائع في خطوط رقائق SiC وGaAs وInP |
| 200 مم (8") | عقد CMOS مختلطة الإشارة، الطاقة، الناضجة | ~700–800 | متوازن من حيث التكلفة والناتج |
| 300 مم (12") | المنطق المتقدم، الذاكرة، والتصنيع عالي الحجم | ~750–900 | المعيار الرئيسي لأنظمة CMOS السيليكون المتقدمة |
اختيار رقائق أشباه الموصلات للتطبيقات
| مجال التطبيق | المادة / البنية المفضلة للرقائق |
|---|---|
| المنطق العام والمعالجات | السيليكون، 300 مم |
| الواجهات الأمامية للهواتف المحمولة والترددات اللاسلكية | GaAs، SOI، وأحيانا السيليكون |
| تحويل الطاقة ومحركات السيارات الكهربائية | SiC، السيليكون فوق التاكسي |
| الاتصالات البصرية وأنظمة التفاعل السريع | InP، الفوتونيات السيليكونية على SOI |
| الإشارة التناظرية والمختلطة | السيليكون، SOI، رقائق الإبيتاكسي |
| الحساسات وMEMS | السيليكون (بأقطار مختلفة)، المداخن المتخصصة |
الخاتمة
تمر رقائق أشباه الموصلات بخطوات دقيقة كثيرة، من المواد الخام المنقاء ونمو البلورات إلى التقطيع، والتلميع، والتنظيف، والفحوصات النهائية. الحجم والسمك والاتجاه والتشطيب السطح المتحكم به يساعد الأنماط على البقاء حادة والعيوب على البقاء منخفضة. تخدم مواد مختلفة مثل السيليكون، GaAs، SiC، وInP أدوارا مختلفة، بينما تحافظ القياس القوي، والتحكم في العيوب، والتخزين، والاسترجاع على ارتفاع العائد والموثوقية.
الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]
ما هو رقاقة أشباه الموصلات الأولية؟
الويفر الرئيسي هو رقاقة عالية الجودة ذات سماكة، وتسطح، وخشنة، ومستويات عيوب محكمة السيطرة بدقة، وتستخدم في إنتاج الرقائق الفعلي.
ما هو الاختبار أو الوهمية؟
الرقائق التجريبية أو الوهمية هي رقاقة منخفضة الجودة تستخدم لإعداد الأدوات، وضبط العمليات، ومراقبة التلوث، وليس للمنتجات النهائية.
ما هو رقاقة شبه الموصلات SOI؟
رقاقة SOI هي رقاقة سيليكون تحتوي على طبقة رقيقة من السيليكون فوق طبقة عازلة وقاعدة من السيليكون، وتستخدم لتحسين العزل وتقليل التأثيرات الطفيلية.
كيف يتم تخزين ونقل رقائق أشباه الموصلات في مصنع؟
يتم تخزين ونقل الرقائق في حوامل أو كبسولات محكمة الإغلاق تحميها من الجزيئات والأضرار، وتتصل هذه الكبسولات مباشرة بأدوات المعالجة.
ما هو استرداد الرقاقة؟
استرجاع الرقائق هو عملية إزالة الأفلام، وإعادة عمل السطح، وإعادة استخدام الرقائق كرقائق اختبار أو مراقبة بدلا من تفكيكها.
كم عدد خطوات العملية التي تمر بها رقائق أشباه الموصلات؟
عادة ما تمر رقاقة أشباه الموصلات بعدة مئات إلى أكثر من ألف مرحلة عملية من الرقاقة الخام إلى الرقائق النهائية.
