طراحی مدار یکپارچه و فرآیند فوتولیتوگرافی

هنگام طراحی محصولات در مقیاس نانومتری، فعل و انفعالات فیزیک که در مقیاس بزرگتر ناچیز تلقی می شوند، حضور خود را نشان می دهند. یکی از مواردی که این نیروها باید در نظر گرفته شوند، در طراحی مدارهای مجتمع است، جایی که درک و بهینه سازی اثرات نیروهای واندروالس، نیروهای جاذبه و کشش سطحی برای ایجاد یک طراحی مقاوم بسیار مهم است. از آنجایی که پیشرفت‌های فن‌آوری نیاز به کاهش اندازه مدارهای مجتمع و افزایش چگالی ترانزیستورهای آنها دارد، کنترل نحوه تعامل این نیروها در مقیاس نانومتری به یک وظیفه مهم‌تر و مهم‌تر تبدیل می‌شود. به منظور غلبه بر این چالش‌های طراحی جدید، محققان در توکیو الکترون آمریکا از شبیه‌سازی برای درک و بهینه‌سازی اثر این نیروها بر ویژگی‌های مدار مجتمع استفاده می‌کنند.

یک ویفر نیمه هادی 300 میلی متری که با استفاده از چند مرحله فوتولیتوگرافی طرح شده است.

فرآیند فوتولیتوگرافی

فرآیندی که برای ساخت مدارهای مجتمع استفاده می شود، فوتولیتوگرافی نامیده می شود و شامل حکاکی یک ویفر نیمه هادی است که بر روی آن یک مدار مجتمع ایجاد می شود. فرآیند اچ از یک سری عملیات شیمیایی و چرخه های تمیز کردن بعدی برای حک کردن الگوها در سطح ویفر سیلیکونی استفاده می کند که به عنوان ویژگی ها یا گره های مدار مجتمع شناخته می شود .

هنگامی که مدارهای مجتمع تولید می شوند، بهینه سازی هر دو فرآیند توسعه الگو و تمیز کردن به منظور اطمینان از موفقیت طراحی مهم است. این به دلیل فعل و انفعالاتی است که بین عوامل تمیز کننده و ویژگی های تعیین کننده الگوها رخ می دهد، که می تواند مدار مجتمع را با ایجاد تغییر شکل های دائمی ویژگی خراب کند. جلوگیری از این تغییر شکل‌ها در حال تبدیل شدن به یک کار دشوار است، زیرا با کاهش اندازه ویژگی‌ها و فاصله بین ویژگی‌ها، نیروهای وارد بر آن‌ها حتی مهم‌تر می‌شوند. اگر این نیروها باعث لمس ویژگی‌ها شوند، مدار مجتمع می‌تواند دچار فروپاشی الگو شود، جایی که شکل ویژگی برای همیشه خم می‌شود، یکپارچگی الگو از بین می‌رود و مدار مجتمع دیگر کارایی ندارد.

تنش های مکانیکی ناخواسته را می توان از طریق نیروهای کششی واندروالس و همچنین از طریق کشش سطحی به دلیل سیال تمیزکننده محبوس شده بین ویژگی ها (در زیر) وارد کرد. این نیروها می توانند باعث خم شدن ویژگی ها به سمت داخل شوند و اگر ویژگی ها به شکل اولیه خود برنگردند، فروپاشی الگو رخ می دهد.

نیروی کشش سطحی (F) ناشی از سیال تمیزکننده محبوس شده بین دو ویژگی. اگر ویژگی‌ها به پیکربندی اولیه خود برنگردند و همچنان لمسی باقی بمانند، فروپاشی الگو رخ می‌دهد.

با کوچکتر شدن مدارهای مجتمع، ویژگی‌ها نیز نازک‌تر و بلندتر می‌شوند تا سطح در حال انقباض تراشه را تطبیق دهند، روندی که به عنوان کوچک شدن گره شناخته می‌شود . این روند باعث می‌شود که طراحی و تمیز کردن ویژگی‌ها حتی چالش‌برانگیزتر شوند، زیرا نیروهای وارد بر ویژگی‌ها در مقیاس بسیار کوچکی اتفاق می‌افتند و دسترسی به ویژگی‌های نازک و بلند برای حذف مایع تمیزکننده بسیار سخت‌تر است.

بهینه سازی طراحی مدار مجتمع

Tokyo Electron America (TEL) ابزارهایی را برای ساخت مدارهای مجتمع با استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) توسعه می دهد. در یک پست وبلاگ قبلی، ” با استفاده از پاهای گکو، تلویزیون را به دیوار بچسبانید “، همکارم فیل نمونه ای را توضیح داد که در آن نیروهای واندروالس اعمال شده توسط پاهای مارمولک مهار و تقویت شدند تا “نوار” به نام Geckskin™ ایجاد شود. قابلیت نگه داشتن تلویزیون به دیوار این محققان از نیروهای واندروالس به نفع خود استفاده کردند و آنها یک جزء حیاتی در تولید طرح نهایی Geckskin™ بودند. با این حال، هدف محققان TEL این است که دقیقاً برعکس عمل کنند – آنها از FEA برای یافتن یک طرح مدار مجتمع که قادر به مقاومت در برابر نیروهای واندروالسی اعمال شده بر ویژگی‌ها است، استفاده می‌کنند و در نتیجه فروپاشی الگو را به حداقل می‌رسانند.

مقاله ” فشار محدودیت های چگالی تراشه ” از درج طیف IEEE ، Multiphysics Simulation ، توضیح می دهد که چگونه محققان در TEL از نرم افزار شبیه سازی برای بهینه سازی طراحی ویژگی های مدار مجتمع استفاده کردند. با استفاده از COMSOL Multiphysics، محققان TEL توانستند نسبت ابعاد ویژگی ها را بهینه کنند – یعنی نسبت ارتفاع ویژگی به ضخامت آن. محققان TEL یک مدل COMSOL ایجاد کردند تا به آنها کمک کند تعیین کنند کدام مواد و پارامترهای هندسی منجر به فروپاشی الگو می شود و کدام یک طراحی پایدار ایجاد می کند. به صفحه 29 در Multiphysics Simulation مراجعه کنیدمطالعه در مورد اینکه چگونه محققان TEL توانستند با موفقیت از شبیه سازی برای تأیید و بهینه سازی طیف گسترده ای از پارامترهای مدار مجتمع استفاده کنند.