مقدمة لطبقة الختم الخلفي لرقاقة السيليكون: تقنية أساسية للجودة الفوقية، والتحكم في التلوث، وموثوقية الجهاز

في تصنيع رقائق السيليكون، يميل معظم الاهتمام إلى التركيز على الجانب الأمامي من جودة الكريستال - للرقاقة، والطبقة الفوقية، والمقاومة، وكثافة العيوب، ونظافة السطح.

ومع ذلك، فإن الجانب الخلفي من الرقاقة لا يقل أهمية.

بالنسبة للرقائق الفوقية، والرقائق المطعمة بشكل كبير، والرقائق المستخدمة في أجهزة الطاقة، ورقائق الركيزة CMOS ذات الموثوقية العالية، تؤثر الهندسة الخلفية بشكل مباشر على استقرار العملية في درجات الحرارة العالية-، وجودة الطبقة الفوقية، والتحكم في التلوث المعدني، وموثوقية الجهاز.

من بين هذه التقنيات الهندسية الخلفية، تعد طبقة الختم الخلفي واحدة من أكثر التقنيات أهمية.

ما هي طبقة الختم الخلفي لرقاقة السيليكون؟

يُشار عادةً إلى طبقة الختم الخلفي لرقاقة السيليكون على النحو التالي:

• طبقة الختم الخلفي
• ختم المؤخر
• بولي باك الختم (PBS)
• أكسيد المؤخر/ختم نيتريد

وهو عبارة عن طبقة رقيقة وظيفية يتم تشكيلها على الجانب الخلفي من الرقاقة، وتستخدم لعزل، أو حجب، أو الحصول على، أو تثبيت الشوائب والضغط على الجانب الخلفي من الرقاقة.

بعبارات بسيطة:

الجانب الأمامي من الرقاقة هو المكان الذي يتم فيه تصنيع الأجهزة، بينما تعمل طبقة الختم الخلفية على الجانب الخلفي مثل "حاجز وقائي" و"طبقة عازلة".

على الرغم من أن طبقة الختم الخلفية لا تشارك بشكل مباشر في نقش الجانب الأمامي-للجهاز، إلا أنها تؤثر بشكل كبير على سلوك الرقاقة أثناء عمليات درجات الحرارة المرتفعة-مثل النمو الفوقي، والأكسدة، والانتشار، والتليين، وترسيب الأغشية الرقيقة-.

لذلك، على الرغم من وجودها على الجانب الخلفي، فإن طبقة الختم الخلفية عبارة عن بنية مهمة لا يمكن إغفالها في -رقائق السيليكون عالية الجودة.

لماذا تحتاج رقائق السيليكون إلى طبقة ختم خلفية؟

يمكن تلخيص القيمة الأساسية لطبقة الختم الخلفي في أربعة جوانب: الحجب، والتحصيل، والتثبيت، والتحكم في الشكل.

1. قمع إطلاق النجاسة الخلفية

قد تطلق رقائق السيليكون، وخاصة تلك المطهرة بشكل كبير، عناصر مشابة أو شوائب معدنية من الجانب الخلفي أثناء-النمو الفوقي في درجة الحرارة المرتفعة أو المعالجة الحرارية.

تشمل المخاطر الشائعة ما يلي:

• البورون (ب)
• الفوسفور (ف)
• الزرنيخ (ع)
• الأنتيمون (Sb)
• الملوثات المعدنية مثل الحديد (Fe) والنحاس (Cu) والنيكل (Ni)

إذا دخلت هذه الشوائب إلى غرفة المفاعل أو انتقلت إلى منطقة الجانب الأمامي- من الجهاز، فقد تؤثر على مقاومة الطبقة الفوقية، وعمر الموجة الحاملة الأقل، وتيار التسرب، وموثوقية الجهاز بشكل عام.

تعمل طبقة الختم الخلفية كحاجز، مما يقلل من تأثير مصادر التلوث الخلفية على منطقة الجانب الأمامي- من الجهاز.

2. منع Autodoping أثناء النمو الفوقي

تعتبر طبقة الختم الخلفية ذات أهمية خاصة في تصنيع الرقائق الفوقي.

للركائز مخدر بشدة مثل:

• P/P+ رقائق الفوقي
• N/N+ رقائق الفوقي
• جهاز الطاقة رقائق الفوقي

أثناء النمو الفوقي ذو درجة الحرارة العالية-، قد تتبخر العناصر المشابهة من الجزء الخلفي من الركيزة إلى الطور الغازي ويتم دمجها مرة أخرى في الطبقة الفوقي المتنامية، مما يتسبب في انحراف المقاومة.

تُعرف هذه الظاهرة عمومًا باسم Autodoping.

تساعد طبقة الختم الخلفي على تقليل إطلاق العناصر المشابهة من الجانب الخلفي، مما يخفف من مخاطر التنشيط التلقائي ويحسن استقرار وتوحيد مقاومة الطبقة الفوقية.

3. توفير القدرة على الحصول على

تظهر بعض طبقات الختم الخلفي - وخاصة Poly-Si Back Seal - قدرة الحصول القوية.

تحتوي طبقة البولي سيليكون على عدد كبير من حدود الحبوب والعيوب والواجهات، والتي يمكنها امتصاص الشوائب المعدنية أو احتجازها، مما يؤدي بشكل فعال إلى سحب الشوائب الضارة نحو الجزء الخلفي من الرقاقة وتقليل انتشارها في منطقة الجانب الأمامي- من الجهاز.

يشار إلى هذه العملية عمومًا باسم Gettering.

بالنسبة إلى CMOS، وأجهزة الطاقة، والأجهزة التناظرية، وأجهزة{0}الموثوقية العالية، تلعب إمكانية الحصول على الطاقة دورًا مهمًا في الإنتاجية والموثوقية-على المدى الطويل.

4. تحسين التحكم في الإجهاد والاعوجاج

تكون شرائح السيليكون عرضة للإجهاد الحراري أثناء-عمليات درجات الحرارة العالية، مما قد يتسبب في الانحناء أو التواء أو حتى خطوط الانزلاق.

يمكن أن تساعد طبقة الختم الخلفية المصممة جيدًا- في موازنة الضغط بين الجانبين الأمامي والخلفي للرقاقة، مما يقلل المخاطر التالية:

• القوس : ثني الرقاقة
• الاعوجاج: صفحة الحربة الرقاقة
• الانزلاق : خطوط الانزلاق
• عيوب الإجهاد الحراري

ومع ذلك، فمن المهم أن نلاحظ أن سمكا ليس دائما أفضل لطبقة الختم الخلفي.

إذا لم يتم التحكم في إجهاد الفيلم بشكل صحيح، فقد يؤدي ذلك في الواقع إلى زيادة صفحة التواء الرقاقة أو يؤدي إلى تشقق الفيلم أو انفصاله. لذلك، يجب أن يأخذ تصميم طبقة الختم الخلفي في الاعتبار حجم الرقاقة، وسمكها، ونظام المواد، والتاريخ الحراري، وظروف العملية الخاصة بالعميل-.

المواد الشائعة لطبقات الختم الخلفي لرقاقة السيليكون

توفر مواد طبقة الختم الخلفي المختلفة خصائص حاجز مختلفة، وقدرات الحصول، ومستويات الضغط، وتوافق العملية. وتشمل المواد الشائعة البولي سيليكون، وثاني أكسيد السيليكون، ونيتريد السيليكون، وأوكسينيتريد السيليكون.

1. طبقة الختم الخلفي من البولي سيليكون

تعد طبقة الختم الخلفي المصنوعة من البولي سيليكون واحدة من أكثر الأنواع شيوعًا، وغالبًا ما يتم اختصارها باسم PBS (Poly Back Seal).

قيمته الأساسية:

يوفر وظائف الحاجز والتحصيل.

يمكن لحدود الحبيبات والهياكل المعيبة داخل طبقة البولي سيليكون أن تحبس الشوائب المعدنية، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في رقائق الركيزة الفوقية، والرقائق المطعمة بشكل كبير، والرقائق للأجهزة -عالية الموثوقية.

2. طبقة الختم الخلفي لثاني أكسيد السيليكون

توفر طبقات الختم الخلفي SiO₂ في المقام الأول وظائف العزل والحاجز.

إنها توفر عزلًا جيدًا، وتوافقًا للعمليات، وضغطًا منخفضًا نسبيًا للفيلم، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات المتطلبات العالية لاستقرار الفيلم وتوافقه.

ومع ذلك، بالمقارنة مع طبقات الختم الخلفي من البولي سيليكون، فإن قدرة الحصول على SiO₂ تكون أضعف بشكل عام.

3. طبقة الختم الخلفي من نيتريد السيليكون

تتميز أغشية Si₃N₄ بأنها كثيفة وتوفر أداءً عازلًا قويًا، وفعالة بشكل خاص ضد الرطوبة وأيونات الصوديوم وانتشار بعض الشوائب.

ومع ذلك، عادةً ما تظهر أفلام نيتريد السيليكون ضغطًا عاليًا. قد يؤدي ضعف التحكم في الضغط إلى انحراف الرقاقة، أو تشقق الفيلم، أو عدم الاستقرار في العمليات اللاحقة.

4. طبقة الختم الخلفي لأوكسينيتريد السيليكون

يقع SiO بين SiO₂ وSi₃N₄، ويمكن ضبط خصائصه عن طريق ضبط نسبة الأكسجين -إلى-النيتروجين.

فهو يجمع بين أداء الحاجز الجيد والضغط الذي يمكن التحكم فيه نسبيًا، مما يوفر اختيارًا أكثر مرونة لمواد طبقة الختم الخلفي.

قد يؤدي التصميم غير المناسب لطبقة الختم الخلفي إلى حدوث مشكلات جديدة في الجسيمات أو الإجهاد أو التواء. لذلك، يجب أن تتم مطابقة كل من معلمات المادة والعملية بعناية مع العمليات النهائية للعميل.

ما هي أنواع رقائق السيليكون التي تُستخدم فيها طبقة الختم الخلفي بشكل أساسي؟

1. الرقائق الفوقي

تعد الرقائق الفوقي واحدة من أهم مجالات التطبيق لطبقة الختم الخلفي.

بالنسبة للرقاقات الفوقي الفوقي للركيزة شديدة التطعيم على وجه الخصوص، يعد إطلاق الشوائب والتشويب التلقائي من المشكلات الشائعة أثناء النمو الفوقي في درجات الحرارة-المرتفعة. تقلل طبقة الختم الخلفية بشكل فعال من خطر انتقال المادة الشائبة الخلفية إلى الطبقة الفوقي، مما يساعد على استقرار المقاومة.

تشمل المنتجات النموذجية ما يلي:

• P/P+ رقائق الفوقي
• N/N+ رقائق الفوقي
• جهاز الطاقة رقائق الفوقي
• رقائق الفوقي للدوائر المرحلية التناظرية
• ركائز لأجهزة استشعار الصور CMOS

2. رقائق السيليكون لأجهزة الطاقة

أجهزة الطاقة حساسة للغاية لتيار التسرب، وجهد الانهيار، وعمر الناقل الأقل، والتلوث المعدني.

تساعد طبقة الختم الخلفية على تقليل مخاطر التلوث المعدني، وتحسين تجانس الجهاز وموثوقيته.

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• موسفيت
• IGBT
• فريد
• TVS
• الثنائيات شوتكي
• دوائر متكاملة ذات طاقة عالية الجهد-.

3. ركائز CMOS والأجهزة التناظرية

بالنسبة إلى -جهاز CMOS عالي الموثوقية والدوائر المرحلية التناظرية وأجهزة الاستشعار والمنتجات المشابهة، تساعد طبقة الختم الخلفي في التحكم في التلوث والعيوب، مما يؤدي إلى تحسين الإنتاجية والاستقرار على المدى الطويل-.

معلمات التحكم الرئيسية لطبقة الختم الخلفي

لا تعد طبقة الختم الخلفي مجرد فيلم يتم ترسيبه على الجزء الخلفي من الرقاقة - ولكنها عبارة عن عملية هندسية لأغشية رقيقة-تتطلب تحكمًا دقيقًا.

تشمل المعلمات الرئيسية ما يلي:

• سماكة
• توحيد السماكة
• الإجهاد الفيلم
• الجسيمات
• التلوث المعدني
• التصاق
• كثافة الفيلم
• خشونة المؤخرة
• قوس الويفر/الاعوجاج
• الاستقرار الحراري

ومن بين هذه العوامل، يعد الإجهاد والجسيمات والتلوث المعدني من عوامل مراقبة الجودة الحاسمة بشكل خاص.

كيف تختلف طبقة الختم الخلفي عن الضرر الذي يحدث في الجانب الخلفي؟

أسلوب آخر شائع في هندسة الجزء الخلفي من الرقاقة هو الحصول على الضرر الخلفي.

تشمل الأمثلة ما يلي:

• طبقة الضرر الميكانيكي
• السفع الرملي
• الضرر الناجم عن الليزر-.
• خشونة المؤخرة

تهدف كلتا التقنيتين إلى الحصول على الشوائب أو تثبيت الجزء الخلفي من الرقاقة، لكن تختلف أساليبهما.

في بعض الرقاقات المتطورة-، يمكن الجمع بين كلا التقنيتين لتحقيق تحكم أفضل في التلوث واستقرار حراري.

لماذا تستحق طبقة الختم الخلفي الاهتمام؟

وبما أن أجهزة أشباه الموصلات تتطلب درجة أعلى من الموثوقية والاتساق والإنتاجية، فإن رقائق السيليكون لم تعد مجرد "ركائز بلورية". مطلوب هندسة المواد والأسطح المعقدة لتلبية احتياجات معالجة الأجهزة المتنوعة.

على الرغم من أن طبقة الختم الخلفي تتواجد على الجانب الخلفي ولا تشكل هياكل الجهاز بشكل مباشر، إلا أنها تؤثر على:

• التحكم في مقاومة الطبقة الفوقية
• ارتفاع درجة الحرارة-استقرار العملية
• مستويات التلوث بالمعادن
• سلوك صفحة الرقاقة الحربية
• تسرب الجهاز والموثوقية
• العائد تصنيع رقاقة المصب

لذلك، بالنسبة للرقائق الفوقية عالية الجودة-، ورقائق السيليكون لأجهزة الطاقة، ورقائق الركيزة عالية الموثوقية-، فإن طبقة الختم الخلفي تعد تقنية أساسية وبالغة الأهمية.

الملاحظات الختامية

يمكن تلخيص الأدوار الأساسية لطبقة الختم الخلفي لرقاقة السيليكون في أربع نقاط:

• الحجب: يمنع انتشار النجاسة المؤخرة أو تبخرها
• المعالجة: يحبس الملوثات المعدنية ويحمي الجزء الأمامي من الجهاز-.
• التثبيت: يعمل على تحسين سلوك الرقاقة أثناء عمليات درجات الحرارة المرتفعة-.
• التحكم في الشكل: يساعد في إدارة الالتواء والضغط واستقرار العملية

في جملة واحدة:

على الرغم من أن طبقة الختم الخلفي تقع على الجانب الخلفي من الرقاقة، إلا أنها تلعب دورًا حاسمًا في الجودة الفوقي، والتحكم في التلوث، واستقرار المقاومة، وموثوقية الجهاز. إنها تقنية هندسية أساسية في -رقائق السيليكون شبه الموصلة عالية الجودة.