بينما تنتقل أجهزة GaN من معامل الأبحاث إلى التصنيع بكميات كبيرة، برز السيليكون كأكثر الركائز جدوى اقتصادية لنمو GaN كبير القطر. ومع ذلك، فإن التوسع في GaN-on-Si إلى ما بعد 150 مم - وخاصة نحو 200 مم و 300 مم - يقدم تحديًا ميكانيكيًا غالبًا ما يكون أكثر تقييدًا من كثافة التشوه أو الحركة: انحناء الرقاقة وتشوهها.
على عكس العيوب الكهربائية، لا تظهر التشوهات الميكانيكية على الفور في منحنيات التيار والجهد أو قياسات هول. بدلاً من ذلك، فإنها تقلل بهدوء من الإنتاجية عن طريق تعطيل تركيز الطباعة الحجرية، وتدهور دقة التراكب، وزيادة خطر كسر الرقاقة أثناء المناولة. لذلك، فإن فهم الانحناء وتخفيفه ليس مسألة مواد هامشية، بل مشكلة تكامل أساسية.
ينشأ انحناء الرقاقة في GaN-on-Si من مزيج من عدم التطابق الحراري، وإجهاد الشبكة، وتراكم إجهاد الفيلم.
معامل التمدد الحراري (CTE) لـ GaN (~5.6 × 10⁻⁶ K⁻¹) أعلى بكثير من معامل السيليكون (~2.6 × 10⁻⁶ K⁻¹). أثناء التبريد من درجات حرارة النمو البلوري التي تتجاوز 1000 درجة مئوية، يتقلص GaN أكثر من ركيزة السيليكون الأساسية. يؤدي هذا الانكماش التفاضلي إلى إجهاد الشد في طبقة GaN والإجهاد الانضغاطي في السيليكون، مما يؤدي إلى انحناء الرقاقة الكلي.
مع زيادة قطر الرقاقة، يتغير هذا الانحناء بشكل غير خطي. يمكن أن يتجاوز الانحناء المسموح به على رقاقة 100 مم مواصفات الطباعة الحجرية على رقاقة 200 مم، حتى لو ظلت سماكة الفيلم وتكوينه دون تغيير.
لا تبدأ الإستراتيجية الأكثر فعالية لتقليل الانحناء بالطبقة النشطة GaN، ولكن مع مكدس العازل أسفلها.
تعتمد عملية النمو البلوري الحديثة لـ GaN-on-Si على هياكل عازلة معقدة ومتعددة الطبقات، تتضمن عادةً طبقات نووية AlN متبوعة بهياكل AlGaN متدرجة أو هياكل شبكية فائقة. تخدم هذه الطبقات غرضين في وقت واحد: استيعاب عدم تطابق الشبكة وإدارة الإجهاد الحراري.
عن طريق الضبط الدقيق لتدرجات تكوين الألومنيوم، وسمك العازل، ودورية الشبكة الفائقة، من الممكن إدخال إجهاد انضغاطي يتم التحكم فيه ويعوض جزئيًا إجهاد الشد المتولد أثناء التبريد. يعمل العازل بفعالية كـ “ممتص للصدمات” الميكانيكي بين GaN والسيليكون.
ومع ذلك، تقدم الطبقات العازلة مقايضات. تقلل السماكة المفرطة من التوصيل الحراري وتزيد من وقت النمو البلوري، بينما يمكن أن تزيد تعويض الإجهاد العدواني من كثافة الشقوق. لذلك تتطلب التصميمات المثالية تحسينًا مشتركًا للأداء الميكانيكي والحراري بدلاً من إلغاء الإجهاد بالقوة الغاشمة.
غالبًا ما يتم التعامل مع اختيار ركيزة السيليكون كشرط حدودي ثابت، ولكنه في الواقع معلمة ضبط قوية.
تظهر رقائق السيليكون الأكثر سمكًا صلابة انحناء أعلى، مما يقلل من الانحناء النهائي لنفس الإجهاد البلوري. ومع ذلك، تتعارض زيادة السماكة مع توافق المعدات وبروتوكولات المناولة القياسية. لذلك تعمل العديد من المصانع ضمن نافذة سمك ضيقة، مما يجبر التحكم في الإجهاد على العودة إلى المكدس البلوري.
يهتم اتجاه البلورة أيضًا. يستخدم معظم نمو GaN-on-Si Si(111)، والذي يوفر توافق التناظر السداسي مع GaN. ومع ذلك، يمكن أن تؤثر زوايا القطع الطفيفة على مسارات استرخاء الإجهاد وسلوك انتشار الشقوق، مما يؤثر بشكل غير مباشر على التشوه الكلي.
مع زيادة الأقطار، تصبح هندسة الركيزة أقل اهتمامًا بمطابقة الشبكة وأكثر اهتمامًا بتصميم النظام الميكانيكي.
تلعب السجل الحراري دورًا حاسمًا في تحديد الشكل النهائي للرقاقة.
تميل المنحدرات السريعة لدرجة الحرارة أثناء التبريد إلى “حبس” تدرجات الإجهاد عبر سمك الرقاقة، مما يؤدي إلى تضخيم الانحناء والتشوه غير المنتظم. تسمح ملفات التبريد متعددة الخطوات التي يتم التحكم فيها بالاسترخاء الجزئي للإجهاد من خلال انزلاق التشوه والزحف البيني، مما يقلل من الانحناء المتبقي.
وبالمثل، فإن خفض درجة حرارة النمو القصوى - عندما يتوافق مع جودة المواد - يقلل من إجمالي الانحراف الحراري وبالتالي إجهاد عدم تطابق CTE المطلق. في حين أن هذا قد يؤثر بشكل هامشي على الجودة البلورية، إلا أن المقايضة يمكن أن تكون مواتية للتصنيع بأقطار كبيرة.
في الممارسة العملية، غالبًا ما يتطلب تحسين انحناء الرقاقة إعادة تعريف “الظروف المثالية” للنمو بما يتجاوز مقاييس الأداء الإلكتروني البحت.
يركز النهج الناشئ للتحكم في الانحناء على استعادة تناظر الإجهاد عبر الرقاقة.
يمكن ترسيب أفلام الجانب الخلفي - مثل الطلاءات العازلة المصممة أو الطبقات المعوضة للإجهاد - بعد النمو البلوري لمواجهة إجهاد GaN في الجانب الأمامي. في حين أن هذا المفهوم شائع في تصنيع MEMS، إلا أنه لا يزال غير مستكشف نسبيًا في تصنيع GaN-on-Si.
تؤثر عمليات التخفيف والتلميع في الجانب الخلفي أيضًا على التشوه النهائي. يؤدي إزالة السماكة غير المنتظمة إلى إدخال تدرجات انحناء يمكن أن تؤدي إما إلى تفاقم أو تصحيح جزئي للانحناء البلوري، اعتمادًا على التحكم في العملية.
بينما يتحرك GaN-on-Si نحو التوافق الحقيقي مع خط CMOS، من المحتمل أن تكتسب استراتيجيات موازنة الإجهاد الشاملة على مستوى الرقاقة أهمية.
أحد أهم التحولات المفاهيمية في النمو البلوري GaN كبير القطر هو التعامل مع انحناء الرقاقة كمعلمة عملية يمكن التحكم فيها بدلاً من عيب ما بعد النمو.
تمكن خرائط الانحناء والتشوه عالية الدقة، المرتبطة بتصميم العازل، وملفات تعريف درجة الحرارة، وسجل الرقاقة، من التحسين في حلقة مغلقة. في المصانع المتقدمة، يتم تحديد أهداف الانحناء بشكل متزايد لكل خطوة من خطوات العملية، وليس فقط كمعايير قبول نهائية.
يتوافق هذا النهج القائم على البيانات مع تصنيع GaN مع الفلسفة المستخدمة منذ فترة طويلة في هندسة إجهاد السيليكون، حيث يتم إدخال الإجهاد عن قصد وقياسه واستغلاله بدلاً من مجرد تقليله.
لم يعد تقليل انحناء الرقاقة في النمو البلوري GaN-on-Si كبير القطر يتعلق بالقضاء على الإجهاد - وهي مهمة مستحيلة نظرًا لعدم تطابق المواد الأساسية. بدلاً من ذلك، يتعلق الأمر بتصميم الإجهاد بذكاء عبر مقاييس الطول، من الواجهات الذرية إلى ميكانيكا الرقاقة الكاملة.
بينما تتحرك الصناعة نحو 200 مم وما بعدها، سيعتمد النجاح على التحسينات المادية التدريجية وعلى التصميم المشترك على مستوى النظام للركائز والعوازل والعمليات الحرارية والقياس. بهذا المعنى، فإن انحناء الرقاقة ليس معلمة إزعاج، بل نافذة تشخيصية على الصحة الميكانيكية لمكدس النمو البلوري بأكمله.
بالنسبة لـ GaN-on-Si، قد يكون إتقان الانحناء في النهاية بنفس أهمية إتقان الإلكترونات.
بينما تنتقل أجهزة GaN من معامل الأبحاث إلى التصنيع بكميات كبيرة، برز السيليكون كأكثر الركائز جدوى اقتصادية لنمو GaN كبير القطر. ومع ذلك، فإن التوسع في GaN-on-Si إلى ما بعد 150 مم - وخاصة نحو 200 مم و 300 مم - يقدم تحديًا ميكانيكيًا غالبًا ما يكون أكثر تقييدًا من كثافة التشوه أو الحركة: انحناء الرقاقة وتشوهها.
على عكس العيوب الكهربائية، لا تظهر التشوهات الميكانيكية على الفور في منحنيات التيار والجهد أو قياسات هول. بدلاً من ذلك، فإنها تقلل بهدوء من الإنتاجية عن طريق تعطيل تركيز الطباعة الحجرية، وتدهور دقة التراكب، وزيادة خطر كسر الرقاقة أثناء المناولة. لذلك، فإن فهم الانحناء وتخفيفه ليس مسألة مواد هامشية، بل مشكلة تكامل أساسية.
ينشأ انحناء الرقاقة في GaN-on-Si من مزيج من عدم التطابق الحراري، وإجهاد الشبكة، وتراكم إجهاد الفيلم.
معامل التمدد الحراري (CTE) لـ GaN (~5.6 × 10⁻⁶ K⁻¹) أعلى بكثير من معامل السيليكون (~2.6 × 10⁻⁶ K⁻¹). أثناء التبريد من درجات حرارة النمو البلوري التي تتجاوز 1000 درجة مئوية، يتقلص GaN أكثر من ركيزة السيليكون الأساسية. يؤدي هذا الانكماش التفاضلي إلى إجهاد الشد في طبقة GaN والإجهاد الانضغاطي في السيليكون، مما يؤدي إلى انحناء الرقاقة الكلي.
مع زيادة قطر الرقاقة، يتغير هذا الانحناء بشكل غير خطي. يمكن أن يتجاوز الانحناء المسموح به على رقاقة 100 مم مواصفات الطباعة الحجرية على رقاقة 200 مم، حتى لو ظلت سماكة الفيلم وتكوينه دون تغيير.
لا تبدأ الإستراتيجية الأكثر فعالية لتقليل الانحناء بالطبقة النشطة GaN، ولكن مع مكدس العازل أسفلها.
تعتمد عملية النمو البلوري الحديثة لـ GaN-on-Si على هياكل عازلة معقدة ومتعددة الطبقات، تتضمن عادةً طبقات نووية AlN متبوعة بهياكل AlGaN متدرجة أو هياكل شبكية فائقة. تخدم هذه الطبقات غرضين في وقت واحد: استيعاب عدم تطابق الشبكة وإدارة الإجهاد الحراري.
عن طريق الضبط الدقيق لتدرجات تكوين الألومنيوم، وسمك العازل، ودورية الشبكة الفائقة، من الممكن إدخال إجهاد انضغاطي يتم التحكم فيه ويعوض جزئيًا إجهاد الشد المتولد أثناء التبريد. يعمل العازل بفعالية كـ “ممتص للصدمات” الميكانيكي بين GaN والسيليكون.
ومع ذلك، تقدم الطبقات العازلة مقايضات. تقلل السماكة المفرطة من التوصيل الحراري وتزيد من وقت النمو البلوري، بينما يمكن أن تزيد تعويض الإجهاد العدواني من كثافة الشقوق. لذلك تتطلب التصميمات المثالية تحسينًا مشتركًا للأداء الميكانيكي والحراري بدلاً من إلغاء الإجهاد بالقوة الغاشمة.
غالبًا ما يتم التعامل مع اختيار ركيزة السيليكون كشرط حدودي ثابت، ولكنه في الواقع معلمة ضبط قوية.
تظهر رقائق السيليكون الأكثر سمكًا صلابة انحناء أعلى، مما يقلل من الانحناء النهائي لنفس الإجهاد البلوري. ومع ذلك، تتعارض زيادة السماكة مع توافق المعدات وبروتوكولات المناولة القياسية. لذلك تعمل العديد من المصانع ضمن نافذة سمك ضيقة، مما يجبر التحكم في الإجهاد على العودة إلى المكدس البلوري.
يهتم اتجاه البلورة أيضًا. يستخدم معظم نمو GaN-on-Si Si(111)، والذي يوفر توافق التناظر السداسي مع GaN. ومع ذلك، يمكن أن تؤثر زوايا القطع الطفيفة على مسارات استرخاء الإجهاد وسلوك انتشار الشقوق، مما يؤثر بشكل غير مباشر على التشوه الكلي.
مع زيادة الأقطار، تصبح هندسة الركيزة أقل اهتمامًا بمطابقة الشبكة وأكثر اهتمامًا بتصميم النظام الميكانيكي.
تلعب السجل الحراري دورًا حاسمًا في تحديد الشكل النهائي للرقاقة.
تميل المنحدرات السريعة لدرجة الحرارة أثناء التبريد إلى “حبس” تدرجات الإجهاد عبر سمك الرقاقة، مما يؤدي إلى تضخيم الانحناء والتشوه غير المنتظم. تسمح ملفات التبريد متعددة الخطوات التي يتم التحكم فيها بالاسترخاء الجزئي للإجهاد من خلال انزلاق التشوه والزحف البيني، مما يقلل من الانحناء المتبقي.
وبالمثل، فإن خفض درجة حرارة النمو القصوى - عندما يتوافق مع جودة المواد - يقلل من إجمالي الانحراف الحراري وبالتالي إجهاد عدم تطابق CTE المطلق. في حين أن هذا قد يؤثر بشكل هامشي على الجودة البلورية، إلا أن المقايضة يمكن أن تكون مواتية للتصنيع بأقطار كبيرة.
في الممارسة العملية، غالبًا ما يتطلب تحسين انحناء الرقاقة إعادة تعريف “الظروف المثالية” للنمو بما يتجاوز مقاييس الأداء الإلكتروني البحت.
يركز النهج الناشئ للتحكم في الانحناء على استعادة تناظر الإجهاد عبر الرقاقة.
يمكن ترسيب أفلام الجانب الخلفي - مثل الطلاءات العازلة المصممة أو الطبقات المعوضة للإجهاد - بعد النمو البلوري لمواجهة إجهاد GaN في الجانب الأمامي. في حين أن هذا المفهوم شائع في تصنيع MEMS، إلا أنه لا يزال غير مستكشف نسبيًا في تصنيع GaN-on-Si.
تؤثر عمليات التخفيف والتلميع في الجانب الخلفي أيضًا على التشوه النهائي. يؤدي إزالة السماكة غير المنتظمة إلى إدخال تدرجات انحناء يمكن أن تؤدي إما إلى تفاقم أو تصحيح جزئي للانحناء البلوري، اعتمادًا على التحكم في العملية.
بينما يتحرك GaN-on-Si نحو التوافق الحقيقي مع خط CMOS، من المحتمل أن تكتسب استراتيجيات موازنة الإجهاد الشاملة على مستوى الرقاقة أهمية.
أحد أهم التحولات المفاهيمية في النمو البلوري GaN كبير القطر هو التعامل مع انحناء الرقاقة كمعلمة عملية يمكن التحكم فيها بدلاً من عيب ما بعد النمو.
تمكن خرائط الانحناء والتشوه عالية الدقة، المرتبطة بتصميم العازل، وملفات تعريف درجة الحرارة، وسجل الرقاقة، من التحسين في حلقة مغلقة. في المصانع المتقدمة، يتم تحديد أهداف الانحناء بشكل متزايد لكل خطوة من خطوات العملية، وليس فقط كمعايير قبول نهائية.
يتوافق هذا النهج القائم على البيانات مع تصنيع GaN مع الفلسفة المستخدمة منذ فترة طويلة في هندسة إجهاد السيليكون، حيث يتم إدخال الإجهاد عن قصد وقياسه واستغلاله بدلاً من مجرد تقليله.
لم يعد تقليل انحناء الرقاقة في النمو البلوري GaN-on-Si كبير القطر يتعلق بالقضاء على الإجهاد - وهي مهمة مستحيلة نظرًا لعدم تطابق المواد الأساسية. بدلاً من ذلك، يتعلق الأمر بتصميم الإجهاد بذكاء عبر مقاييس الطول، من الواجهات الذرية إلى ميكانيكا الرقاقة الكاملة.
بينما تتحرك الصناعة نحو 200 مم وما بعدها، سيعتمد النجاح على التحسينات المادية التدريجية وعلى التصميم المشترك على مستوى النظام للركائز والعوازل والعمليات الحرارية والقياس. بهذا المعنى، فإن انحناء الرقاقة ليس معلمة إزعاج، بل نافذة تشخيصية على الصحة الميكانيكية لمكدس النمو البلوري بأكمله.
بالنسبة لـ GaN-on-Si، قد يكون إتقان الانحناء في النهاية بنفس أهمية إتقان الإلكترونات.
