ในบทความก่อนหน้านี้ เราได้แนะนำการผลิตแผ่นเวเฟอร์ กระบวนการออกซิเดชัน และประวัติบางส่วนของวงจรรวม ตอนนี้ เราจะมาสำรวจกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีกันต่อไป ซึ่งจะถ่ายโอนรูปแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไปยังแผ่นเวเฟอร์ Photolithography มีความคล้ายคลึงกับการถ่ายภาพด้วยกล้องฟิล์ม แต่มันทำงานอย่างไรกันแน่?

Photolithography คล้ายกับการพัฒนาภาพถ่ายขาวดำ

Photolithography หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า "ภาพถ่าย" ได้รับการตั้งชื่อตามกระบวนการถ่ายโอนการออกแบบวงจรไปยังเวเฟอร์โดยการเปิดเผยรูปแบบผ่านโฟโตมาสก์ การสร้างแบบจำลองบนเวเฟอร์นั้นคล้ายคลึงกับการสร้างฟิล์มขาวดำบนกระดาษไวแสง

เนื่องจากรูปแบบวงจรมีความหนาแน่นมากขึ้น ส่วนประกอบของชิปจึงต้องถูกลดขนาดลงโดยใช้กระบวนการระดับนาโนที่มีความแม่นยำสูง การสร้างรูปแบบวงจรที่ละเอียดยิ่งขึ้นเหล่านี้ต้องอาศัยกระบวนการถ่ายภาพด้วยแสงเป็นอย่างมาก ดังนั้น เนื่องจากชิปมีขนาดเล็กลง ความแม่นยำสูงและเทคโนโลยีการพิมพ์หินขั้นสูงจึงมีความจำเป็น

กำลังเตรียมวาดรูปแบบวงจรบนเวเฟอร์

มาดูกระบวนการถ่ายภาพหินอย่างละเอียดยิ่งขึ้น ขั้นตอนแรกคือการใช้ซอฟต์แวร์ออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (EDA) เพื่อออกแบบรูปแบบวงจรที่จะวาดบนเวเฟอร์ บนพื้นของรูปแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์นี้ วิศวกรจะสร้างเค้าโครงที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำซึ่งกำหนดระดับการรวมของชิปเซมิคอนดักเตอร์

การสร้างโฟโต้มาสก์ที่ทำงานคล้ายกับภาพถ่ายเนกาทีฟ

การใช้โครเมียม (Cr) ไมโครวงจรจะถูกถ่ายโอนไปยังซับสเตรตแก้วที่ทำจากควอตซ์บริสุทธิ์พิเศษเพื่อสร้างโฟโตมาสก์ที่แสดงถึงการออกแบบวงจร โฟโตมาสก์หรือที่รู้จักกันในชื่อเรติเคิล ทำหน้าที่เหมือนฟิล์มถ่ายภาพ ซึ่งสะท้อนรูปแบบของวงจร เพื่อให้ได้รูปแบบที่ละเอียดยิ่งขึ้น โฟโตมาสก์ได้รับการออกแบบให้มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของวงจรมาก จากนั้นจึงย่อขนาดทางแสงลงบนแผ่นเวเฟอร์โดยใช้เลนส์ออพติค

กระบวนการถ่ายภาพหินประกอบด้วยการเคลือบ การเปิดรับแสง และขั้นตอนการพัฒนา

1. การเคลือบผิว: ชั้นของสารต้านทานแสง (PR) ถูกเคลือบลงบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์

เมื่อการเตรียมการเสร็จสิ้น ขั้นตอนต่อไปคือการวาดลวดลายบนแผ่นเวเฟอร์ ขั้นแรก ชั้นของสารต้านทานแสง (PR) ที่ไวต่อแสงจะถูกทาลงบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์อย่างสม่ำเสมอ ทำให้แผ่นเวเฟอร์ทำหน้าที่เป็นกระดาษไวแสงที่ใช้ในการพัฒนาภาพถ่าย ชั้นโฟโตรีซิสต์จะต้องบางและสม่ำเสมอ รวมถึงมีความไวสูงต่อแสงอัลตราไวโอเลตเพื่อสร้างรูปแบบวงจรคุณภาพสูงและแม่นยำ

2. การเปิดรับแสง: รูปแบบวงจรจะถูกวาดบนแผ่นเวเฟอร์โดยใช้แสง

ด้วยการใช้สเต็ปเปอร์ การออกแบบวงจรบนโฟโตมาสก์จะถูกฉายและถ่ายโอนไปยังแผ่นเวเฟอร์ที่เคลือบด้วยโฟโตรีซิสต์โดยใช้แสงอัลตราไวโอเลต กระบวนการนี้เรียกว่า "การเปิดรับแสงแบบเป็นขั้นตอนและทำซ้ำ" เนื่องจากต้องใช้ความแม่นยำสูงสำหรับชิปเซมิคอนดักเตอร์ จึงสามารถเลือกพื้นที่รับแสงและควบคุมได้อย่างแม่นยำ

3. การพัฒนา: รูปแบบวงจรเกิดขึ้นจากกระบวนการพัฒนา

ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการถ่ายภาพหินเรียกว่าการพัฒนา ซึ่งคล้ายกับกระบวนการพัฒนาภาพถ่าย ขั้นตอนนี้มีความสำคัญเนื่องจากจะกำหนดรูปร่างสุดท้ายของรูปแบบวงจรบนเวเฟอร์ เมื่อสารละลายสำหรับนักพัฒนาถูกพ่นลงบนแผ่นเวเฟอร์ จะมีการคัดแยกบางพื้นที่เพื่อสร้างรูปแบบที่ต้องการ

ตัวต้านทานแสงอาจเป็นได้ทั้งเชิงบวกหรือเชิงลบ ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของมันต่อแสง หากใช้โฟโตรีซิสต์เชิงบวก พื้นที่ที่เปิดรับแสง (ที่สัมผัส) จะถูกลบออกในระหว่างการพัฒนา โดยเหลือพื้นที่ที่ไม่ได้รับแสงไว้เบื้องหลัง ในทางกลับกัน หากใช้โฟโตรีซิสต์เชิงลบ ก็จะเกิดสิ่งที่ตรงกันข้าม

เมื่อขั้นตอนการพัฒนาเสร็จสิ้น กระบวนการพิมพ์หินด้วยภาพถ่ายจะเสร็จสิ้น เครื่องมือต่างๆ รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ใช้ในการตรวจสอบแผ่นเวเฟอร์อย่างระมัดระวัง เฉพาะเวเฟอร์ที่ผ่านการตรวจสอบทั้งหมดเท่านั้นที่จะไปยังขั้นตอนต่อไป

ในบทความนี้ เราได้แนะนำกระบวนการโฟโตลิโธกราฟี ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฉายการออกแบบวงจรที่แม่นยำลงบนแผ่นเวเฟอร์ โปรดติดตามตอนต่อไปของซีรีส์นี้ ซึ่งเราจะได้เรียนรู้วิธีคัดแยกวัสดุที่ไม่จำเป็นออกผ่านกระบวนการแกะสลักเพื่อสร้างรูปแบบวงจรที่ต้องการบนแผ่นเวเฟอร์